Habitualmente aceptamos que la física es la ciencia que estudia la estructura y propiedades de la materia y la energía, las formas de existencia de las mismas en el espacio y el tiempo, así como las leyes de rigen sus interacciones. En este definición no hay limitaciones precisas entre la naturaleza viviente e inanimada, y aunque ello no implica la reducción de todas las ciencias a la física, se deduce que las bases teóricas finales de cualquier dominio de las ciencias naturales tienen una naturaleza física. También se acepta que la biología es la ciencia que trata sobre la naturaleza viviente, incluyendo los aspectos morfológicos, fisiológicos y moleculares. Al ser ésta mucho más compleja que la inerte, la metodología utilizada para establecer los fundamentos de los fenómenos biológicos y sus leyes es, en general, bastante diferente a la utilizada para el estudio de los fenómenos físicos. Podríamos decir que la física biológica, o biofísica, es la física de los procesos biológicos estudiados a todos los niveles, comenzando por las moléculas y las células y terminando por la biosfera en su conjunto.

Todo esto de la física y la biología, materia viva y materia inerte, necesita de un estudio muy profundo. He pensado mucho en ello y, particularmente (algunos dirán que estoy loco), pienso que la materia es sólo una, que se nos presenta en distintas formas, unas más evolucionadas y más complejas que otras; unas en fase inerte y otras en su fase más avanzada: viva.

Físicos como Hermann von Helmholtz en  1850, midió la velocidad de propagación del impulso nervioso, y James Clark Maxwell, sobre 1857, presentó la teoría de la visión en colores.

Podríamos hablar de materia, de luz, de electromagnetismo, y acaso, ¿no son todas esas cuestiones distintos aspectos y variantes de la misma cosa?

Prote viene a significar “primero”; de ahí viene el nombre de protón, que según sea el número en que esté presente, compondrá una clase de materia u otra. Un protón será hidrógeno, y noventa y dos será uranio. Dos elementos distintos pero en realidad hechos por la misma partícula compleja. Al final, todo está hecho de quarks y electrones. Nosotros somos toda la materia del universo también. Claro que, hablar de los seres vivos como simple materia es una temeridad. Esa materia viva evolucionada y muy compleja ha necesitado miles de millones de años para formarse en el corazón de las estrellas, y cuando ha podido surgir tras un largo y tortuoso proceso que le ha llevado a un estado de consciencia, allí había aparecido una materia nueva que estaba acompañada de un ente pensante que la hacía sentir el dolor y el placer, el frío y el calor; el primitivo estado “inerte” ya no estaba.

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Luz, Velocidad, Tiempo y, relatividad

Aunque muchas veces comentado, trataré de nuevo el tema de la velocidad de la luz y sus implicaciones reales en el transcurso del tiempo. La relatividad del movimiento es, por una parte, la clave para comprender la teoría de Einstein, y al mismo tiempo una fuente potencial de confusión.

No es nada fácil dar una definición del tiempo, los intentos de hacerlo terminar a menudo dando vueltas y vueltas hasta llegar al punto de partida.  Sin ir más lejos, en mi último trabajo (09/09/06) de título “Pasado, Presente y Futuro. Una ilusión llamada Tiempo”, intenté explicar lo que es el tiempo y hablé de él desde distintos ángulos y bajo distintos puntos de mira. Durante muchas páginas trate el tiempo y me remonte hasta el Big Bang como fuente de su nacimiento, allí, junto a su hermano el espacio, nació el tiempo.

Hablamos del reloj atómico de cesio-33, de la velocidad de la luz, de la fórmula matemática que explicaba la dilatación del tiempo a través de la velocidad, del tiempo de Planck, de las transformaciones de Lorentz, tiempo terrestre, tiempo dinámico, tiempo bariónico, tiempo estándar, tiempo universal, etc.

Podemos medir el tiempo en un reloj de luz pero nuestro objetivo es comprender cómo afecta el movimiento al transcurso del tiempo. Se conoce como “reloj de luz” al más sencillo del mundo y que consiste en dos pequeños espejos montados el uno frente al otro sobre un soporte, y entre ellos hay un único fotón de luz que salta del uno al otro. Si los espejos están separados unos 15 cm, el fotón tardará alrededor de una milmillonésima de segundo en realizar un viaje de ida y vuelta. Se puede considerar que el “tictac” de un reloj de luz se produce cada vez que un fotón hace un viaje de ida y vuelta completo. Mil millones de tictac indicarían que ha transcurrido un segundo.

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El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856 – 1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54) x 10^-31 kg la primera y, 1,602 177 33 (49) x 10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico:  no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

¡No por pequeño, se es insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones*.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

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Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general; mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas, y apareció Maxwell que finalmente formuló la teoría.

Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático, y Einstein sí lo era). Carecía de una versión de los campos de Faraday para la gravedad. Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein. Así que finalmente fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

“¡Qué extraño sería que la teoría final se descubriera durante nuestra vida! El descubrimiento de las leyes finales de la naturaleza marcará una discontinuidad en la historia del intelecto humano, la más abrupta que haya ocurrido desde el comienzo de la ciencia moderna del siglo XVII. ¿Podemos imaginar ahora cómo sería?”

Steven Weinberg

¿Es la belleza un principio físico?

La teoría de supercuerdas nos da una formulación convincente de la teoría del universo, sin embargo, el problema fundamental radica en que una comprobación de dicha teoría está más allá de nuestras posibilidades actuales. De hecho, la misma teoría predice que la unificación de todas las fuerzas ocurre a la energía de Planck, o 10¹⁶ miles de millones de electronvoltios, que como sabéis, es alrededor de mil billones de veces mayor que las energía actualmente disponibles en nuestros aceleradores de partículas.

Ya he comentado otras veces que el físico David Gross (el de más edad de los miembros conocidos como el cuarteto de cuerdas y autores de la teoría llamada la cuerda heterótica) dijo en una ocasión: “El coste de generar esta fantástica energía necesitaría el dinero de las tesorerías de todos los países del mundo juntos, y quizá no llegara. Es verdaderamente astronómico.“

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Hasta el momento de la creación

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.  Los nuevos supercolisionadores superconductores proporcionarán un atisbo del medio cósmico cuando el Universo tenía menos de una billonésima de segundo de edad.

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.

Por encima de este punto –antes de alrededor de un minuto y cuarenta segundos desde el comienzo del tiempo- no hay núcleos atómicos estables.  El nivel de energía en el ambiente es mayor que la energía de unión nuclear.

Por consiguiente, todos los núcleos que se forman, se destruyen de nuevo rápidamente.

Alrededor de un segundo desde el comienzo del tiempo, llegamos a la época de desacoplamiento de los neutrinos.  Aunque en esa época el Universo es más denso que las rocas (y tan caliente como la explosión de una bomba de hidrógeno), ya ha empezado a parecer vacío a los neutrinos.  Puesto que los neutrinos sólo reaccionan a la fuerza débil, que tiene un alcance extremadamente corto, ahora pueden escapar de sus garras y volar indefinidamente sin experimentar ninguna otra interacción.

Así, emancipados, en lo sucesivo son libres de vagar por el Universo a su manera indiferente, volando a través de la mayor parte  de la materia como si no existiese. (Diez trillones de neutrinos atravesarán sin causar daños el cerebro y el cuerpo del lector en el tiempo que le lleve leer esta frase.  Y en el tiempo en que usted haya leído esta frase estarán más lejos que la Luna).

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