¿Dónde estabas tú cuando yo puse los cimientos de la Tierra? Dilo si tienes entendimiento. Claro que a esta pregunta, lo único que podríamos contestar sería con otra pregunta: ¿Quién sabe realmente? La especulación sobre el origen del universo es una vieja actividad humana que está sin resolver, ya que, pretendemos saber algo que no sabemos si llegó a ocurrir, toda vez que incluso, podría ser, que el universo esté aquí desde siempre. Y, si llegó como algo nuevo, tampoco sabemos, a ciencia cierta, cómo y de dónde lo hizo. Pero, nosotros, los humanos, no dejamos de especular con esta cuestión de compleja resolución y dejamos volar nuestra imaginación en forma de conjeturas y teorías que, no siempre son el fiel reflejo de lo que pudo pasar que, de momento, permanece en el más profundo anonimato.

Claro que, la Humanidad y el Universo están tan juntos, tan conectados que, sería imposible que no hablaran de él, y, sobre todo, que no tratataran de saber su comienzo (si es que lo hubo) y, hurgar en su dinámica para poder entender nuestra presencia aquí junto con las estrellas de las que procedemos y de las galaxias que son las villas del Universo que alojan a cientos de millones de mundos habitados que, como la Tierra, tendrán otras criaturas que tambien  se preguntaran por el principio y el final para poder conocer sus destinos.

Algunos nos dicen que el Universo surgió de la “Nada” y, está claro que la Nada no puede existir y, si surgió es porque había, con lo cual, la Nada queda invalidada. Pero, si hubo un suceso de creación, ¿que duda nos puede caber de que tuvo que haber una causa? Lo cierto es que, en las distintas teorías de la “creación” del universo, existen muchas reservas.

No obstante tales reservas, unos pocos científicos trataron de investigar la cuestión de cómo pudo haberse originado el universo, aunque admitiendo que sus esfuerzos quizás eran “prematuros”, como dijo Weinberg con suavidad. En el mejor de los casos, contemplado con una mirada alentadora, el trabajo realizado hasta el momento, parece haber encendido una lámpara en la antesala de la génesis. Lo que allí quedó iluminado era muy extraño, pero era, en todo caso, estimulante. No cabía descubrir algo familiar en las mismas fuentes de la creación.

Hemos podido contemplar como en la Nebulosa del Águila nacen nuevas estrellas masivas. Sin embargo, no hemos llegado a poder saber, con certeza como surgió el Universo entero y de dónde y porqué lo hizo para conformar un vasto espacio-tiempo lleno de materia que evolucionaría hasta poder conformar las estrellas y los mundos en enormes galaxias, y, en esos mundos, pudieron surgir criaturas que, conscientes de SER, llegaron desde un nivel animal rudimentario, hasta los más sofisticados pensamientos que les hicieron preguntarse: ¿Quiénes somos, de dónde venimos, hacia dónde vamos? Y, esas preguntas, realizadas 14.000 millones de años después del comienzo del tiempo, y  junto a la pregunta del origen del Universo, todavía, no han podido ser contestadas. Nuestro intelecto evoluciona pero, sus límites son patentes.

Una estrella que se forma en la Nebulosa comienza siendo protoestrellas y, cuando entra en la secuencia principal, brilla durante miles de millones de años dutante los cuales crea nuevos elementos a partir del más sencillo, el Hidrógeno. Los cambios de fase que se producen por fusión en el horno nuclear de las estrellas, son los que han permitido que existieran los materiales necesarios para la química de la vida que, al menos hasta donde sabemos, no apareció en nuestro planeta Tierra, hasta hace unos 4.o0o millones de años, y, desde entonces, ha estado evolucionando para que ahora, nosotros, podamos preguntas, por el origen del universo.

Los científicos han imaginado y han puesto sobre la mesa para su estudio, dos hipótesis, la llamada génesis del vacío, y la otra, génesis cuántica y ambas, parecían indicar mejor lo que el futuro cercano podía deparar al conocimiento humano sobre el origen del Universo.

La Génesis de vacío: El problema central de la cosmología es explicar como algo msurge de la nada. Por “algo” entendemos la totalidad de la materia y la energía, el espacio y el tiempo: el universo que habitamos. Pero la cuestión de lo que significa NADA es más sitíl. En la ciencia clásica, “nada” era un vacío, el espacio vacío que hay entre dos partículas de materia. Pero esta concepción siempre planteaba problemas, como lo atestigua la prolongada indagación sobre si el espacio estaba lleno de éter, y en todo caso no sobrevivió al advenimiento de la física cuántica.

El vacío cuántico nunca es realmente vacío, sino que resoba de partículas “virtuales”. Las partículas virtuales pueden ser concebidas como la posibilidad esbozada por el principio de indeterminación de Heisenberg de que una partícula “real” llegue en un tiempo determinado a un lugar determinado. Como las siluetas que salen de pronto en un campo de tiro policial, representan no sólo lo que es sino también lo que podría ser. Desde el punto de vista de la física cuántica, toda partícula “real” está rodeada por una corona de partículas y anti-partículas virtuales que borbotean del vacío, interaccionan unas con otras y luego desaparecen.

Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo temporalmente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas” del espacio, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones “vecinas”. Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío, las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la gravedad en el vacío, son gravitones virtuales.

Claro que, en realidad, sabemos poco de esas regiones vecinas de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs? Sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que los movimientos de degeneración claustrofóbicos son para los electrones. Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible. Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de neutrones mantiene estable a la estrella de neutrones, que obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo la estrella.

Una cosa sí sabemos, las reglas que gobiernan la existencia de las partículas virtuales se hallan establecidas por el principio de incertidumbre y la ley de conservación de la materia y de la energía.

En un nuevo estudio, un grupo de físicos ha propuesto que la gravedad podría disparar un efecto desbocado en las fluctuaciones cuánticas, provocando que crezcan tanto que la densidad de energía del vacío del campo cuántico podría predominar sobre la densidad de energía clásica. Este efecto de predominancia del vacío, el cual surge bajo ciertas condiciones específicas pero razonables, contrasta con la ampliamente sostenida creencia de que la influencia de la gravedad sobre los fenómenos cuánticos debería ser pequeña y subdominante.

Claro que, hablar aquí del vacío en relación al surgir del universo, está directamente asentado en la creencia de algunos postulados que dicen ser posible que, el universo, surgiera de una Fluctuación de vacío producida en otro universo paralelo y, desde entonces, funciona de manera autónoma como un nuevo universo de los muchos que son en el más complejo Multiverso.

Inmediatamente después de que la llamada espuma cuántica del espacio-tiempo permitiera la creación de nuestro Universo, apareció una inmensa fuerza de repulsión gravitatoria que fue la responsable de la explosiva expansión del Universo primigenio (inflación(*)).Las fluctuaciones cuánticas del vacío, que normalmente se manifiestan sólo a escalas microscópicas, en el Universo inflacionario en expansión exponencial aumentaron rápidamente su longitud y amplitud para convertirse en fluctuaciones significativas a nivel cosmológico.

En el Modelo corriente del big bang que actualmente prevalece y que, de momento, todos hemos aceptado al ser el que más se acerca a las observaciones realizadas, el universo surgió a partir de una singularidad, es decir, un punto de infinita densidad y de inmensa energía que, explosionó y se expansionó para crear la materia, el espacio y el tiempo que, estarían gobernados por las cuatro leyes fundamentales de la naturaleza:

Fuerzas nucleares débil y fuerte, el electromagnetismo y la Gravedad. Todas ellas, estarían apoyadas por una serie de números que llamamos las constantes universales y que hacen posible que nuestro universo, sea tal como lo podemos contemplar. Sin embargo, existen algunas dudas de que, realmente, fuera esa la causa del nacimiento del Universo y, algunos postulan otras causas como transiciones de fase en un universo anterior y otras, que siendo más peregrinas, no podemos descartar.

Nosotros, estamos confinados en el planeta Tierra que es un mundo suficientemente preparado para acoger nuestras necesidades físicas, pero, de ninguna manera podrá nunca satisfacer nuestras otras necesidades de la Mente y del intelecto que produce imaginación y pensamientos y que, sin que nada la pueda frenar, cual rayo de luz eyectado desde una estrella masiva refulgente, nuestros pensamientos vuelan también, hacia el espacio infinito y con ellos, damos rienda suelta a nuestra más firme creencia de que, nuestros orígenes están en las estrellas y hacia las estrellas queremos ir, allí, amigos míos, está nuestro destino.

El Universo es grande, inmenso, casi infinito pero, ¿y nosotros? Bueno, al ser una parte de él, al ser una creación de la Naturaleza, estamos formando parte de esta inmensidad y, precisamente, nos ha tocado desempeñar el papel de la parte que piensa, ¿tendrá eso algún significado?

Yo, no lo sé… Pero… ¿¡Quién sabe realmente!? Pero… Veámos en la entrada siguiente como creemos que se formaron los pequeños objetos que conforman la materia.

emilio silvera

Como se trata de una Ciencia que estudia la naturaleza Física del Universo y de los objetos contenidos en él, fundamentalmente estrellas, galaxias y la composición del espacio entre ellas, así como las consecuencias de las interacciones y transformaciones que en el Cosmos se producen, aquí dejamos una breve secuencia de hechos que, suceden sin cesar en el ámbito del Universo y, gracias a los cuales, existe la Tierra…y, nosotros.

La evolución cósmica de los elementos nos lleva a la formación de los núcleos atómicos simples en el big bang y a una posterior fusión de estos núcleos ligeros para formar otros más pesados y complejos en en el interior de las estrellas, para finalizar el ciclo en las explosiones supernovas donde se plasman aquellos elementos finales de la Tabla Periódica, los más complejos y pesados.

Hay procesos en el Universo que, si pudiera ser posible contemplarlos en directo, serían dignos del mayor asombro. Por ejemplo, a mí me maravilló comprender como se podía formar Carbono en las estrella y, de cómo éstas se valían del llamado “Efecto Triple Alfa” para conseguirlo.

La fusión en el centro de las estrella se logra cuando la densidad y temperatura son suficientemente altas. Existen varios ciclos de fusión que ocurren en diferentes fases de la vida de una estrella. Estos diferentes ciclos forman los diferentes elementos que conocemos. El primer ciclo de fusión es la fusión del Hidrógeno  hacia Helio. Esta es la fase en la que se encuentra nuestro Sol.

En las estrellas con temperaturas muy altas ocurren otros ciclos de fusiones (ciclos CNO ). A temperaturas aún más altas , el helio que se quema produce Carbono. Finalmente, a temperaturas extremadamente altas se forman los elementos más pesados como el Hierro.

Cadena Protón-Protón

Las reacciones internas que ocurren en las estrellas forman a los neutrinos que llegan a la Tierra. Al detectar estos neutrinos, los científicos pueden aprender sobre las fusiones internas en las estrellas. En el proceso de fusión nuclear denominado reacción Protón-Protón las partículas intervinientes son el protón (carga positiva), el neutrón (carga neutra), el positrón (carga positiva, antipartícula del electrón) y el neutrino.

En las explosiones supernovas que viene a ser el aspecto más brillante de estos sucesos de transformación de la materia, literalmente, es que la explosión de la estrella genera suficiente energía  sintetizar una enorme variedad de átomos más pesados que el hierro que es el límite donde se paran en la producción de elementos estrellas medianas como nuestro Sol.

Pero, en las estrellas masivas y supermasivas gigantes, con decenas de masas solares, cuando el núcleo de hierro se contrae emite un solo sonido estruendoso, y este retumbar final del gong envía una onda sonara  arriba a través del gas que entran, el resultado es el choque más violento del Universo.

La imagen es un zoom del centro de la galaxia M82, una de las más cercanas galaxias con estrellas explosivas a una distancia de sólo 12 millones de  luz. La imagen de la izquierda, tomada con el Telescopio Espacial Hubble (HST), muestra el cuerpo de la galaxia en azul y el gas hidrógeno expulsado por las estrellas explosivas del centro en rojo.

Más arriba decíamos que aquí está el choque más violento del Universo. En un momento se forjan en la ardiente región de colisión toneladas de oro, plata, mercurio, hierro y plomo, yodo, estaño y cobre. La detonación arroja las capas exteriores de la estrella al espacio interestelar, y , con su valioso cargamento, se expande, deambula durante largo tiempo y se mezcla con las nubes interestelares circundantes.

El más conocido remanente estelar, la Nebulosa del Cangrejo cuyos filamentos nos hablan de complejos materiales que la explosión primaria formó hace ya mucho tiempo, y, que actualmente, sirve de estudio  saber sobre los procesos estelares en este tipo de sucesos. No todos saben que en su interior alberga un pulsar que abajo podemos ver.

El pulsar de la nebulosa del cangrejo, en rojo del hubble

 dejamos una relación de materiales que pueden ser formados en las explosiones supernovas y, cuando se condensan estrellas nuevas a partir de esas nubes, sus planetas heredan los elementos forjados en estrellas anteriores y durante la explosión. La Tierra fue uno de esos planetas y éstos son los antepasados de los escudos de bronce y las espadas de acero con los que los hombres han luchado, y el oro y la plata por los que lucharon, y los clavos de hierro que los hombres del Capitan Cook negociaban por el afecto de las tahitianas.

En esta región, las estrellas parecen Joyas

La muerte de una estrella supergigante, regenera el espacio interestelar de materiales complejos que, más tarde, forjan estrellas nuevas y mundos ricos en toda clase de elementos que, si tienen suerte de caer en la zona habitable, proporcionará a los seres que allí puedan surgir, los materiales y elementos necesarios para el desarrollo de sus ideas mediante la construcción de máquinas y tecnologías que, de otra manera, no sería posible. Incluso, sin estos materiales, ni esos seres podrían surgir a la vida.

¿No os parece una maravilla? Comenzando con el Hidrógeno, Helio Berilio y Litio en el Big Bang, se continuó con el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en las estrellas de la secuencia principal, y,  más arriba explicaba, se continúa en las estrellas moribundas con el Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc…Uranio. ¡Que maravilla!

El Hubble ha captado en los cielos profundos las más extrañas y variadas imágenes de objetos que en el Cosmos puedan estar presentes, sin embargo, pocas tan bellas como las de nuestro planete Tierra que, es tan rico y especial, gracias a esos procesos que antes hemos contado que ocurren en las estrellas, en las explosiones de supernovas y mediante la creración de esos materiales complejos  los que se encuentran la química biológica para la vida.

Si a partir de las Nebulosas que se forman cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas, pueden surgir planetas  la Tierra, y, si la Tierra contiene la riqueza de todos esos materiales forjados en las estrellas y en el corazón de esas inmensas explosiones, y, si el Universo está plagado de galaxias en las que, de manera periódica suceden esas explosiones, nos podríamos preguntar: ¿Cuantas “Tierras” podrán existir incluso en nuestra propia Galaxia? Y, ¿Cuántos seres pueden haberse formado a partir de esos materiales complejos forjados en las estrellas?

¡Qué gran secreto tiene el Universo! ¿Cómo se las arregla para crear, las precisas condiciones que dan lugar al surgir de la Vida?

emilio silvera

La ciencia que estudia las leyes que determinan las estructura del Universo con referencia a la materia y la energía de la que está constituido. Se ocupa no de los cambios químicos que ocurren, sino de las fuerzas que existen entre los objetos y las interrelaciones entre la materia y la energía. Tradicionalmente, el estudio se dividía en campos separados: calor, luz, sonido, electricidad y magnetismo y mecánica (Física clásica).

Desde el siglo XX, sin embargo, la Mecánica cuántica y la Física relativista han sido cada vez más importantes; el desarrollo de la Física moderna ha estado acompañado del estudio de la Física atómica, Física nuclear y Física de partículas, molecular…

La Física de cuerpos astronómicos y sus interacciones recibe el nombre de Astrofísica, la Física de la Tierra, recibe la denominación de Geofísica, y el estudio de los aspectos Físicos de la Biología se denomina Biofísica. Tenemos que concluir que sin la Física, no sabríamos cómo es el universo que nos acoge y el por qué del comportamiento de la materia-energía que en él está presente.

Gracias a los aceleradores de partículas hemos podido llegar muy lejos hacia atrás en el tiempo para poder saber sobre cómo se pudo formar y, “suponer” cómo pudo surgir. Cuando llegamos a los 10^-35 de segundo desde el comienzo del tiempo, entramos en un ámbito en el que las condiciones cósmicas son poco conocidas.  Si las grandes teorías unificadas son correctas, se produjo una ruptura de la simetría por la que la fuerza electronuclear unificada se escindió en las fuerzas electrodébil y las fuertes.  Si es correcta la teoría de la supersimetría, la transición puede haberse producido antes, había involucrado a la gravitación.

Aún no había Carbono que se produciría mucho más tarde, en las estrellas, mediante el efecto triple alfa

En el universo tempranop la primera materia (hidrógeno y Helio) era llevada por la fuerza de gravedad a conformarse en grandes conglomerados de gas y polvo que interacionaban, producían calor y formaron las primeras estrellas a los doscientos años del comienzo del tiempo y, sus cúmulos y aglomerados se convirtieron en las primeras galaxias que, tampoco sabemos a ciencia cierta, que mecanismos pudieron seguir para formarse.

Elaborar una teoría totalmente unificada es tratar de comprender lo que ocurrió en ese tiempo remoto que, según los últimos estudios está situado entre 13.700 y 15.000 millones de años, cuando la perfecta simetría -que se pensaba, caracterizó el Universo-, se hizo añicos para dar lugar a las simetrías rotas que hallamos a nuestro alrededor y que nos trajo las fuerzas y constantes Universales que,  paradógicamente, hicieron posible nuestra aparición para que ahora, sea posible que, alguien como yo esté contando lo que pasó.

Realmente, carecemos de una teoría que nos explique lo que pasó en aquellos primeros momentos y, hasta que no tengamos tal teoría no podemos esperar comprender lo que realmente ocurrió en ese Universo temprano.  Los límites de nuestras conjeturas actuales cuando la edad del Universo sólo es de 10^-43 de segundo, nos da la única respuesta de encontrarnos ante una puerta cerrada. Del otro lado de esa puerta está la época de Plank, un tiempo en que la atracción gravitatoria ejercida por cada partícula era comparable en intensidad a la fuerza nuclear fuerte.

Así que, llegados a este punto podemos decir que la clave teórica que podría abrir esa puerta sería una teoría unificada que incluyese la gravitación, es decir, una teoría cuántica-gravitatoria que uniese, de una vez por todas, a Planck y Einsteins que, aunque eran muy amigos, no parecen que sus teorías (la Mecánica Cuántica) y (la Relatividad General) se lleven de maravilla. Cuando los físicos tratan de hermanar las dos teorías… ¡Aquello echa chispas! Y, aunque el problema esté muy bien planteado, las respuestas son un galimatias y aparecen los dichosos infinitos que no se dejan renormalizar. La Mecánica cuántica y la Gravedad no parecen llevarse nada bien y, de esa manera, la fuerza que mantiene unidos los planetas en el Sistema solar, las estrellas en las galaxias y las galaxias en los cúmulos… ¡recorre solitaria el universo!

Claro que, los cien mil millones de neuronas que tenemos en el cerebro (tantas como estrellas en la Vía Láctea), no dejan de generar nuevas ideas que van a la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría en la que puedan convivir todas las fuerzas. Parece que dicha teoría subyace en la no comprobada teoría de cuerdas que, como algunos dicen, es una teoría del futuro para la que no disponemos de los medios necesarios que permita su comprobación empírica, es decir, para verificar dicha avanzada teoría se necesita la energía de Planck (10¹⁹ GeV), y, esa energía, ni en algunas generaciones futuras la podremos obtener.

Y, a todo esto, tenemos que pensar en el hecho cierto de que átomos, moléculas  y conexiones se pudieran estructurar en un conjunto complejo para poder formar pensamientos surgidos de algo nuevo que antes no estaba presente en el Universo: ¡La Vida! Que evolucionada pudo llegar, en algún caso, a generar no sólo pensamientos sino que también, llegaron los sentimientos y nos hizo adolescentes. Ahora, estamos a la espera de que llegue la mayoría de edad, ese tiempo en el que se deja de hacer chiquilladas y la seriedad predomina en los comportamientos que están aconsejados por la sabiduría de la experiencia. Pero para que eso le llegue a la Humanidad… ¡Falta mucho, mucho, muchísimo Tiempo!

Miramos hacia el “infinito” que está presente en lo muy pequeño y en lo muy grande, para tratar de comprender. Hemos inventado telescopios y miscroscopios, aceleradores de partículas y otros ingenios como los espectrómetros de masa que nos han permitido desvelar secretos profundamente escondidos en la Naturaleza.

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. 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. Si es así, cuanto más íntimamente examinemos la Naturaleza, tanto más lejos hacia atrás vamos en el tiempo.

    Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas conformadas en la debida proporción para que existan mundos, estrellas, galaxias y seres vivos

Aquí, generalmente comentamos sobre la Física pura en sus dos versiones de la Relatividad y la Mecánica Cuántica que engloba ese universo particular de lo microscópico donde se mueven las partículas que conforma todo aquello que podemos observar en el Universo y que llamamos la Materia Bariónica, y, al mismo tiempo, nos ocupamos de la interrelación que entre los cuerpos físicos ocurren y las fuerzas que están presentes, así como, de las constantes universales que en nuestro universo, son las responsables de que todo funcione como lo hace.

Hablamos de física y no puedo dejar de pensar en cómo la mente humana, ha podido profundizar tanto en el conocimiento de la Naturaleza hasta llegar a números tan complejos como el de las constantes de la Naturaleza: la constante de Planck en sus dos versiones, h y ħ; la igualdad masa-energía de Einstein, la constante gravitacional de Newton, la constante de estructura fina (137) y el radio del electrón.

Esta ecuación representa la constante de estructura fina

En ciencias se entiende por constante física el valor de una magnitud física cuyo valor, fijado un sistema de unidades, permanece invariable en los procesos físicos a lo largo del tiempo. En contraste, una constante matemática, las constante de la Naturaleza representan un valor invariable que no está implicado directamente en ningún proceso físico. Algunas de ellas son:

• Constante de Planck: h = E/v
• Constante de Planck racionalizada: ℎ = h/2π
• Igualdad masa-energía: E = mc²
  
• Constante gravitacional: F = m₁m₂G/d²
  
• Constante de estructura fina: α = 2πe²/hc
• Radio del electrón: r₀ = e²/mc²

         ¡Me encantan sus mensajes!

Es verdaderamente meritorio el enorme avance que en tan poco tiempo ha logrado la Humanidad en el campo de la física, la cibernética, la Inteligencia artificial… En aproximadamente un siglo y medio, se ha pasado de la más absoluta oscuridad a una claridad, no cegadora aún, pero sí deslumbrante. Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados, y el ritmo parece que se mantiene a un muy meritorio ritmo gracias a inmensas estructuras que, como el Acelerador de Hadrones (LHC), nos ha llevado hacia atrás en el Tiempo muy cerca del comienzo, después del Tiempo de Planck cuando la materia y la energía se distribuyeron para conformar el Universo que conocemos hoy.

¡El tiempo!, ése precioso bien está a nuestro favor. Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las  metas propuestas. Pongamos nuestras esperanzas en que no seamos tan irresponsables como para estropearlo todo. ¿Nos haremos mayors alguna vez? Tenemos que pensar a lo grande, en el conjunto universal y dejarnos de parroquialismos locales, olvidarnos del Yo y pensar en el Nosotros.

Astronomía, gravedad o electromagnetismo; cuestiones sencillas de entender para los iniciados y, a veces, muy complejas para la gente corriente. Por tal motivo, si escribo sobre estos interesantes temas, mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico. No siempre lo consigo. Por ejemplo, expliquemos el magnetismo.

                                                                                     Magnetismo

Grupo de fenómenos asociados a los campos magnéticos. Siempre que una corriente eléctrica fluye, se produce un campo magnético; como el movimiento orbital de un electrón y el espín de los electrones atómicos son equivalentes a pequeños circuitos de corriente, los átomos individuales crean campos magnéticos a su alrededor cuando los electrones orbitales tienen un momento magnético neto como resultado de su momento angular. El momento angular de un átomo es el vector suma de los momentos magnéticos de los movimientos orbitales y de los espines de todos los electrones en el átomo.

Las propiedades magnéticas macroscópicas de una sustancia tienen su origen en los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes. Diferentes materiales poseen distintas características en un campo magnético aplicado; hay cuatro tipos de comportamientos magnéticos.

a)          En diamagnetismo, la magnetización está en la dirección opuesta a la del campo aplicado, es decir, la susceptibilidad es negativa. Aunque todas las sustancias son diamagnéticas, es una forma débil de magnetismo que puede ser enmascarada por otras formas más fuertes. Tiene su origen en los cambios introducidos por los campos aplicados en las órbitas de los electrones de una sustancia, siendo la dirección del cambio opuesta a la del flujo aplicado (de acuerdo con ley de Lenz).

Existe, por tanto, una débil susceptibilidad negativa (del orden de -10^{-8 m3} mol^-1) y una permeabilidad relativa ligeramente menor que 1.

b)           En paramagnetismo, los átomos o moléculas de la sustancia tienen momentos magnéticos orbitales o espín que son capaces de estar alineados en la dirección del campo aplicado. Éstos, por tanto, tienen una susceptibilidad positiva (aunque pequeña) y una permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1.

El paramagnetismo aparece en todos los átomos y moléculas con electrones desapareados; es decir, átomos libres, radicales libres y compuestos de metales de transición que contienen iones con capas de electrones no llenas.

También ocurre en metales como resultado de momentos magnéticos asociados a los espines de los electrones de conducción.

c)          En sustancias ferromagnéticas, dentro de un cierto rango de temperaturas, hay momentos magnéticos atómicos netos, que se alinean de forma que la magnetización persiste después de eliminar el campo aplicado.

Por debajo de una cierta temperatura llamada punto de Curie (o temperatura de Curie), un campo magnético en aumento aplicado a una sustancia ferromagnética causará una magnetización creciente hasta un valor máximo, llamado magnetización de saturación. Esto es debido a que una sustancia ferromagnética está constituida por pequeñas regiones magnetizadas (1 – 0’1 mm de ancho) llamadas dominios.

El momento magnético total de la muestra de sustancia es el vector suma de los momentos magnéticos de los dominios constituyentes. Dentro de cada dominio, los momentos magnéticos atómicos individuales se alinean espontáneamente por fuerzas de intercambio, que dependen de si los espines de los electrones atómicos son paralelos o antiparalelos.

Sin embargo, en un trozo no magnetizado de material ferromagnético, los momentos magnéticos de los dominios no están alineados; cuando un campo externo es aplicado, esos dominios que están alineados con el campo aumentan de tamaño a expensas de otros.

En un campo muy intenso, todos los dominios se alinean en la dirección del campo y producen la alta magnetización observada. El hierro, el níquel, el cobalto y sus aleaciones son ferromagnéticos. Por encima del punto de Curie, los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

Este gráfico muestra la precisión atómica del antiferromagnético a escala atómica con la punta de un microscopio de efecto túnel. Los átomos de hierro se colocan sobre una superficie de nitruro de cobre y obligado por dos átomos de nitrógeno (barras azules) en un arreglo regular separados por un átomo de cobre (amarillo).

d)          Algunos metales, aleaciones y sales elementales de transición, muestran otro tipo de magnetismo llamado antiferromagnetismo. Esto ocurre por debajo de cierta temperatura, llamada temperatura de Néel, a la cual se forma espontáneamente una red ordenada de momentos magnéticos atómicos en la que momentos alternos tienen direcciones opuestas. No hay, por tanto, momento magnético resultante en ausencia de un campo aplicado.

En el fluoruro de manganeso, por ejemplo, esta disposición antiparalela ocurre por debajo de una temperatura de Néel de 72 K. Por debajo de esta temperatura, el ordenamiento espontáneo se opone a la tendencia normal de los momentos magnéticos de alinearse con el campo aplicado. Por encima de la temperatura de Néel, la sustancia es paramagnética.

Una forma especial de antiferromagnetismo es el ferrimagnetismo, un tipo de magnetismo mostrado por las ferritas. En estos materiales, o bien los momentos magnéticos de los iones adyacentes son antiparalelos y de intensidad desigual, o bien el número de momentos magnéticos en una dirección es mayor que el número de los que hay en la dirección opuesta.

Mediante una adecuada elección de los iones de tierras raras en las redes de ferrita es posible diseñar sustancias ferrimagnéticas con magnetizaciones específicas para su uso en componentes electrónicos.

Si nos queremos referir al geomagnetismo, estaremos hablando de la ciencia que estudia el campo magnético terrestre.

Si una barra de imán es suspendida en cualquier punto de la superficie terrestre, de forma que se pueda mover libremente en todos sus planos, el polo norte del imán apuntará en una dirección aproximadamente al norte. El ángulo (D) entre la dirección horizontal a la que apunta y el meridiano geográfico en ese punto se llama declinación magnética. Se toma positiva al este del norte geográfico y negativa al oeste. La aguja no estará horizontal salvo en el ecuador magnético. En todos los demás lugares formará un ángulo (/) con la horizontal, llamado inclinación magnética.

En todos los polos magnéticos / = 90º (+90º en el polo norte y -90º en el polo sur), y la aguja será vertical.

Las posiciones de los polos, que varían con el tiempo, eran en los años setenta aproximadamente 76, 1º N, 100º W (N) y 65, 8º S, 139º E (S). El vector intensidad (F) del campo geomagnético se determina por I, D y F, donde F es la intensidad magnética local del campo medida en gauss o teslas (1 gauss = 10^-4 teslas). F, I y D, junto con las componentes verticales y horizontales de F y sus componentes norte y este, son llamados los elementos magnéticos.

Esta explicación del geomagnetismo podría ser más larga y completa, con muchos más datos técnicos y matemáticos, sin embargo, ¿a quién le gustaría? A eso me refería antes cuando decía “…mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico. No siempre lo consigo.“

                Si el tema no interesa… cada cual irá a lo suyo sin prestar atención al orador

Si a continuación pongo un ejemplo práctico y explico el magnetismo de manera muy técnica y completa, que seguramente no sea del interés del lector de ciencia no iniciado. Éste no quiere estas complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultarán aburridas, tediosas, y lo que es peor, incomprensibles.

Los buenos escritores-divulgadores de la ciencia deben contar los fenómenos naturales revistiéndolos de un atractivo y misterioso toque mágico que se se muestre ante los ojos de la mente del lector y,  produciéndoles asombro y sorpresa por tales maravillas queden embebidos en el relato y en las cosas maravillosas que allí se están tratando. Y, en Física, amigos míos, casi todo lo que te encuentras son maravillas de la Naturaleza que, cuando comienzas a comprender… ¡Es imposible dejar de mirar!

Si contamos la historia de una estrella, desde que nace a partir del gas y del polvo cósmico hasta que muere en una explosión de supernova para convertirse en otro objeto estelar diferente, al oyente le resultará atractivo o pesado, interesante o incomprensible, según quién y cómo lo cuente.

Me preocupa cuando escribo que lo que estoy contando pueda aburrir al posible lector.Siempre procuro ceñirme a la verdad científica y exponer los hechos con la veracidad requerida y, sin embargo, eso es totalmente posible aunque le podamos dar un pequeño toque de fantasía que lo hará más atractivo. Claro que, por mucho que querámos fantasear sabemos que en el mundo y en todo el Universo, las leyes que rigen son iguales para todo y para todos y lo que pasa aquí también pasará allí, aunque ese allí esté a miles de millones de años-luz de nosotros.

         Aquí tenemos un ejemplo de lo que digo, la Naturaleza se repite

En los extraños mares de otros planetas, sin tener en cuenta la composición química, es difícil imaginar que la evolución de lugar a una forma más sencilla de locomoción que la que se produce ondulando colas y aletas. Que la propia evolución encontraría este tipo de propulsión viene avalado por el hecho de que, incluso en la Tierra, esta evolución se ha produción de manera totalmente espontánea e independiente. Los peces desarrollaron la propulsión cola-aleta; después, ellos mismos evolucionaron hasta convertirse en tipos anfibios que se arrastraban por tierra firme hasta llegar a ser reptiles. Lo cierto es que hemos llegado a saber que, de una u otra manera, ¡la vida se abre camino!

Por ejemplo, en nuestro planeta el ornitorrinco representa la primera rama de mamíferos a partir de un ancestro con características de ambos mamíferos y reptiles de hace 166 millones años. De alguna manera se mantiene una superposición de funciones, mientras que los mamíferos posteriores perdieron sus rasgos de reptil. Comparando el genoma del ornitorrinco con el ADN de otros mamíferos, incluidos los seres humanos que llegaron a lo largo del transcurso del tiempo, y los genomas de los pájaros, que bifurcan hace unos 315 millones años, ayuda a definir la evolución.

Algunos  reptiles fueron evolucionando y dieron lugar a a los mamíferos. Pero cuando algunos de estos últimos regresaron al mar (los que luego han sido ballenas y focas, por ejemplo), sus piernas volvieron a evolucionar hacia las formas de las aletadestinadas a la propulsión por el medio acuático y a la navegación.

Aunque la vida tardó más de diez mil millones de años en hacer acto de presencia -al menos en la Tierra y, seguramente en otros planetas también- en sus formas más primitivas, supo adaptarse y evolucionar hasta llegar al momento presente en el que, sólo el uno por ciento de las especies que han existido en el planeta están vivas, el resto no pudo soportar los cambios y al no adaptarse, se extinguieron. Así seguirá siendo siempre: Adaptarse o morir.

Sí, es posible que hoy seamos nosotros la especie predominante en el planeta Tierra pero, no debemos olvidar que no siempre ha sido así. Antes ni estábamos aquí y, durante ciento cincuenta millones de años reinaron en nuestro mundo aquellos terribles lagartos, los Dinosaurios que desaparecieron hace ahora sesenta y cinco millones de años para que nosotros, pudiéramos aparecer y evolucionar hasta conseguir hablar de mecánica cuántica y relatividad general pero… ¿Y mañana? ¿Seguiremos siendo la especie dominante?

Yo no estaría tan seguro de eso. El mañana es incierto… Pero no tanto

La Tierra con sus especies de vida seguirá su camino adelante, siempre hacia el futuro incierto y desconocido que dependerá de ¡tántas cosas! Y, mientras tanto, como hemos mantenido siempre, en otros mundos distintos al nuestro y repartidos por los confines de nuestra propia Galaxia y de muchas otras que albergan mundos ignotos, otras criaturas estarán elucubrando sobre las mismas cuestiones que nosotros lo hacemos para poder discernir sobre el saber del mundo, de la Naturaleza, del Universo.

¿Qué puede haber en Gliese 581 g? Hemos llegado a descubrir más de mil mundos extraterrestres que es como un grano de arena en la inmensa playa del Universo, y, cientos de miles de millones de mundos estan exparcidos por las galaxias que pueblan el Cosmos y, en muchos de ellos, extrañas y enigmáticas criaturas habrán podido desvelar secretos de la materia y de la luz, del átomo y de las estrellas y, también como nosotros estarán pensando en cómo poder llegar hacia esos otros mundos que albergan vida e inteligencia.

Nosotros seguiremos avanzando aquí y “ellos” también lo harán “allí” donde quiera que ese “allí” pueda encontrarse que, será lejos, muy lejos. Tan lejos estamos de esos otros seres inteligentes que el hecho cierto de que no lo hayamos podido ver aún, nos habla de que, como nosotros, necesitan evolucionar mucho más para que, ese contacto se pueda producir.

Tampoco sería descabellado pensar que, la Naturaleza, tan sabia ella, tenga dispuesto que las especies estén cada una en su lugar, sin molestarse ni interferirse entre sí, que evolucionen en su propio entorno sin ingerencias que siempre vendrán a distorsionar lo que ya existe para cambiarlo en el mejor de los casos, o, aniquilarlo en el peor.

¿Quién sabe?

emilio silvera

  Sobre el Principio Holográfico

                         Estructuras Fundamentales de la Naturaleza

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. 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 y estas, a su vez, juntas en una inmensa proporción, forman los cuerpos que podemos ver a lo largo y lo ancho de todo el universo. Grandes estructuras y cúmulos y supercúmulos de galaxias que están hechos de la materia conocida como bariónica, es decir, de Quarks y Leptones.

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 nos es familiar, el dorso de la mano, por ejemplo, e imaginemos que podemos observarlo con cualquier aumento deseado.

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.

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 el 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.

                                                                                  Sistema nervioso somático

 Incluye grupos de neuronas que llevan información desde los órganos sensoriales (incluyendo toda la piel) hasta el sistema nervioso central (principalmente hasta el cordón espinal). A estos grupos de neuronas se les llama neuronas sensoriales o aferentes.

                     a. Las neuronas que recogen información directamente de los órganos sensoriales son neuronas especializadas con formas y sensibilidad particular. Por lo regular, estas neuronas tienen abundantes dendritas y axones cortos.

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.

El enlace: Adenina con Timina o Guanina con Citosina, constituyendo dicha secuencia el código genético en el que se organiza el funcionamiento celular.

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.

                                                                   El microscopio electrónico nos enseña cosas alucinantes

Los quarks han estado unidos desde que el Universo sólo tenía unos pocos segundos de edad. Ellos se unieron en tripletes para construir protones, neutrones y demás partículas que conforman la masa, la materia.

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.

                                  Hemos llegado hasta la consciencia del Ser, y, sabemos en qué lugar del Universo estamos

Nos cuesta asimilar que la evoluciòn de la materia se pudiera elevar (bajo un sin fin de parámetros y transmutaciones muy complejos), hasta alcanzar la consciencia y llegar a generar pensamientos. Parece como si el Universo hubiera sabido que nosotros (también otros seres similares e inteligentes en otros mundos del inmenso Cosmos), teníamos que venir y, para ello, creó sistemas idóneos para la vida como el planeta Tierra y muchos otros de su clase que ofrecen tal cobijo a criaturas vivas.

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. En la imagen de arriba podemos ver como el Telescopio Espacial Hubble, poco a poco, ha podido ir avanzando hacia atrás en el tiempo para enseñarnos las imágenes captadas cuando el Universo era muy joven. ¿Podremos algún día fabricar telescopios tan potentes que puedan captar imágenes del universo vecino?

Hemos llegado a dominar técnicas asombrosas que nos facilitan ver aquello que, prohibido para nuestro físico, sólo lo podemos alcanzar mediante sofisticados aparatos que bien nos introduce en el universo microscópico de los átomos, o, por el contrario nos llevan al Universo profundo y nos enseña galaxias situadas a cientos y miles de millones de años-luz de la Tierra.

Cuando vemos esos objetos cosmológicos lejanos, cuando estudiamos una galaxia situada a 100.000 mil años-luz de nosotros, sabemos que nuestros telescopios la pueden captar gracias a que, la luz de esa galaxia, viajando a 300.000 Km/s llegó a nosotros después de ese tiempo, y, muchas veces, no es extraño que el objeto que estamos viendo ya no exista o si existe, que su conformación sea diferente habiéndose transformado en diferentes transiciones de fase que la evolución en el tiempo ha producido.

                     Las entrañas de un protón

                   Siempre hemos querido saber lo que hay más allá de lo que el ojo ve

En el ámbito de lo muy pequeño, vemos lo que está ahí en ese momento pero, como se explica más arriba, en realidad, también nos lleva al pasado, a los inicios de cómo todo aquello se formó y con qué componentes que, en definitiva, son los mismos de los que están formadas las galaxias, las estrellas y los planetas, una montaña y un árbol y, cualquiera de nosotros que, algo más evolucionado que todo lo demás, podemos contarlo aquí.

Estas y otras muchas maravillas son las que nos permitirán, en un futuro relativamente cercano, que podamos hacer realidad muchos sueños largamente dormidos en nuestras mentes.

emilio silvera