El átomo de Demócrito era mucho más de lo que él, en un principio intuyó que sería. Hoy sabemos que está conformado por diversas partículas de familias diferentes: unas son bariones que en el seno del átomo llamamos nucleones, otras son leptones que giran alrededor del núcleo para darle estabilidad de cargas, y, otras, de la familia de los Quarks, construyen los bariones del núcleo y, todo ello, está, además, vigilado por otras partículas llamadas bosones intermedios de la fuerza nuclear fuerte, los Gluones que, procuran mantener confinados a los Quarks.

Pero no corramos tanto, la física atómica aún debería recorrer un largo camino para llegar a comprender la estructura que acabamos de reseñar. De los trs principales componentes del átomo -el protón, el neutrón y el electrón-, sólo el electrón había sido identificado (por J.J. Thomson, en los últimos años del siglo XIX). Nadie hablaba de energía “nuclear” pues ni siquiera se había demostrado la existencia de un núcleo atómico, y mucho menos de sus partículas constituyentes, el protón y el neutrón, que serían identificados, respectivamente, por Thomson en 1913 y James Chawick en 1932.

De importancia capital resultó conocer la existencia del núcleo y que éste, era 1/100.000 del total del átomo, es decir, casi todo el átomo estaba compuesto de espacios “vacíos” y, la materia así considerada, era una fracción infintesimal del total atómico.

Rutherford, Hans Geiger y Ernest Marsden se encontraban entre los Estrabones y Tolomeos de la cartografía atómica, en Manchester , de 1909 a 1911, sonderaron el átomo lanzando corrientes de “partículas alfa” subatómicas -núcleos de helio- contra delgadas laminillas de oro, plata, estaño y otros metales. La mayoría de partículas Alfa se escapaban a través de las laminillas, pero, para sombro de los experimentadores, algunas rebotaban hacia atrás. Rutherford pensó durante largo tiempo e intensamente en este extraño resultado; era tan sorprendente, señalaba, como si una bala rebotase sobre un pañuelo de papel. Finalmente, en una cena en su casa en 1911, anunció a unos pocos amigos que había dado con una explicación: que la mayoría de la masa de un átomo reside en un diminuto núcleo masivo. Ruthertford pudo calcular la carga y el diámetro máximo del nucleo atómico. Así se supo que los elementos pesados eran más pesados que los elementos ligeros porque los núcleos de sus átomos tienen mayor masa.

Todos sabemos ahora, la función que desarrollan los electrones en el atomo. Pero el ámbito de los electrones para poder llegar a la comprensión completa, tuvo que ser explorado, entre otros, por el físico danés Niels Bohr, quien demostró que ocupaban órbitas, o capas, discretas que rodean al núcleo. (Durante un tiempo Bohr consideró el átomo como un diminuto sistema solar, pero ese análisis, pronto demostró ser inadecuado; el átomo no está rígido por la mecánica newtoniana sino por la mecánica cuántica.)

            Modelo de Bohr

Entre sus muchos otros éxitos, el modelo de Bohr revelaba la base física de la espectroscopia. El número de electrones de un átomo está determinado por la carga eléctrica del núcleo, la que a su vez se debe al número de protones del núcleo, que es la clave de la identidad química del átomo. Cuando un electróncae  de una órbita externa a una órbita interior emite un fotón. La longitud de onda de este fotón está determinada por las órbitas particulares entre las que el electrón efectúa la transición. E esta es la razón de que un espectro que registra las longitudes de onda de los fotones, revele los elementos químicos que forman las estrellas u otros objetos que sean estudiados por el espectroscopista. En palabras de Max Planck, el fundador de la física cuántica, el modelo de Bohr del átomo nos proporciona “la llave largamente buscada de la puerta de entrada al maravilloso mundo de la espectroscopia, que desde el descubrimiento del análisis espectral (por Fraunhoufer) había desafiado obtinadamente todos los intentos de conocerlo”.

Es curioso que, mirando en la oscura noche como brillan las estrellas del cielo, nos atrae su titilar engañoso (es la atmósfera terrestre la que hace que lo parezca) y su brillo, Sin embargo, pocos llegan a pensar en lo que verdaderamente está allí ocurriendo. Las transformaciones de fase por fusión no cesan. Esta transformación de materia en energía es consecuencia de la equivalencia materia-energía, enunciada por Albert Einstein en su famosa fórmula E=mc²; donde E es la energía resultante, m es la masa transformada en energía, y c es la velocidad de la luz (300 000 kilómetros por segundo). La cantidad de energía que se libera en los procesos de fusión termonuclear es fabulosa. Un gramo de materia transformado íntegramente en energía bastaría para satisfacer los requerimientos energéticos de una familia mediana durante miles de años.

Es un gran triunfo del ingenio humano el saber de qué, están conformadas las estrellas, de qué materiales están hechas. Recuerdo aquí a aquel Presidente de la Real Society de Londres que, en una reunión multitudinaria, llegó a decir: “Una cosa está clara, nunca podremos saber de qué están hechas las estrellas”. El hombre se vistió de gloria con la, desde entonces, famosa frase. Creo que nada, con tiempo por delante, será imposible para nosotros.

Pero, por maravilloso que nos pueda parecer el haber llegado a la comprensión de que los espectros revelan saltos y tumbos de los electrones en sus órbitas de Bohr, aún nadie podía hallar en los espectros de las estrellas las claves significativas sobre lo que las hace brillar. En ausencia de una teoría convincente, se abandonó este campo a los taxonomistas, a los que seguían obstinadamente registrando y catalogando espectros de estrellas, aunque no sabían hacia donde los conduciría esto.

En el Laboratorio de la Universidad de Harvard, uno de los principales centros de la monótona pero prometedora tarea de la taxonomía estelar, las placas fotográficas que mostraban los colores y espectros de decenas de miles de estrellas se apilaban delante de “calculadoras”, mujeres solteras en su mayoría y, de entre ellas, Henrietta Leavitt, la investigadora pionera de las estrellas variables Cefeidas que tan útiles serían a Shapley y Hubble.

Imagen de Sirio A, la estrella más brillante del cielo tomada por el Telescopio Hubble  (Créd. NASA). Sirio es la quinta estrella más cercana y tiene una edad de 300, millones de años. Es una estrella blanca de la secuencia principal de tipo espectral A1V con temperatura superficial de 10 000 K y situada a 8,6 años luz de la Tierra. Es una estrella binaria y, de ella, podríamos contar muchas historias. La estrella fue importante en las vidas de Civilizaciones pasadas como, por ejemplo, la egipcia.

Fue Cannon quien, en 1915, empezó a discernir la forma en una totalidad de estrellas en las que estaba presente la diversidad, cuando descubrió que en una mayoría, las estrellas, pertenecían a una de media docena de clases espectrales distintas. Su sistema de clasificación, ahora generalizado en la astronomía estelar, ordena los espectros por el color, desde las estrellas O blanco-azuladas, pasando por las estrellas G amarillas como el Sol, hasta estrellas rojas M. Era un rasgo de simplicidad denajo de la asombrosa variedad de las estrellas.

Pronto se descubrió un orden más profundo, en 1911, cuando el ingeniero y astrónomo autodidacta danés Ejnar Hertzsprung analizó los datos de Cannon y Maury de las estrellas de dos cúmulos, las Híades y las Pléyades. Los cúmulos como estos son genuinos conjuntos de estrellas y no meras alineaciones al azar; hasta un observador poco experimentado salta entusiasmado cuando recorre con el telescopio las Pléyades, con sus estrellas color azul verdoso enredadas en telarañas de polvo de diamante, o las Híades, cuyas estrellas varían en color desde el blanco mate hasta un amarillo apagado.

                                                                            Las Híades desde más cerca

Hertzsprung utilizó los cúmulos como muestras de laboratorio con las que podía buscar una relación entre los colores y los brillos intrínsecos de las estrellas. Halló tal relación: la mayoría de las estrellas de ambos cúmulos caían en dos líneas suavemente curvadas. Esto, en forma de gráfico, fue el primer esbozo de un árbol de estrellas que desde entonces ha sido llamado diagrama Hertzsprung-Russell.

El progreso en física, mientras tanto, estaba bloqueado por una barrera aparentemente insuperable. Esto era literal: el agente responsable era conocido como barrera de Coulomb, y por un tiempo frustó los esfuerzos de las físicos teóricos para comprender como la fusión nuclear podía producir energía en las estrellas.

La línea de razonamiento que conducía a esa barrera era impecable. Las estrellas están formadas en su mayor parte por hidrógeno. (Esto se hace evidente en el estudio de sus espectros.) El núcleo del átomo de Hidrógeno consiste en un solo protón, y el protón contiene casi toda la masa del átomo. (Sabemos esto por los experimentos de Rutherford). Por tanto, el protón también debe contener casi toda la energía latente del átomo de hidrógeno. (Recordemos que la masa es igual a la energía: E = mc².) En el calor de una estrella, los protones son esparcidos a altas velocidades -el calor intenso significa que las partículas involucradas se mueven a enormes velocidades- y, como hay muchos protones que se apiñan en el núcleo denso de una estrella, deben tener muchísimos choques. En resumen, la energía del Sol y las estrellas, puede suponerse razonablemente, implica las interacciones de los protones. Esta era la base de la conjetura de Eddintong de que la fuente de la energía estelar “difícilmente puede ser otra que la energía subatómica, la cual, como se sabe, existe en abundancia en toda materia”.

                                               Plasma en ebullición en la superficie del Sol

Hasta el momento todo lo que hemos repasado está bien pero, ¿que pasa con la Barrera de Coulomb? Los protones están cargados positivamente; las partículasd de igual carga se repelen entre sí; y este obstáculo parecía demasiado grande para ser superado, aun a la elevada velocidad a la que los protones se agitaban en el intenso calor del interior de las estrellas. De acuerdo con la física clásica, muy raras veces podían dos protones de una estrella ir con la rapidez suficiente para romper las murallas de sus campos de fuerza electromagnéticos y fundirse en un solo núcleo. Los cálculos decían que la tasa de colisión de protones no podía bastar para mantener las reacciones de fusión. Sin embargo, allí estaba el Sol, con el rostro radiante, riéndose de las ecuaciones que afirmaban que no podía brillar.

Figura que muestra de manera artística el cambio de color cuando en una cavidad subnanométrica se produce el efecto túnel cuántico.

Afortunadamente, en el ámbito nuclear, las reglas de la Naturaleza no se rigen por las de la mecánica de la física clásica, que tienen validez para grandes objetos, como guijarros y planetas, pero pierden esa validez en el reino de lo muy pequeño. En la escala nuclear, rigen las reglas de la indeterminación cuántica.  La mecánica cuántica demuestra que el futuro del protón sólo puede predecirse en términos de probabilidades: la mayoría de las veces el protón rebotará en la Barrera de Coulomb, pero de cuando en cuando, la atravesará. Este es el “efecto túnel cuántico”; que permite brillar a las estrellas.

George Gamow, ansioso de explotar las conexiones entre la astronomía y la nueva física exótica a la que era adepto, aplicó las probabilidades cuánticas a la cuestión de la fusión nuclear en las estrellas y descubrió que los protones pueden superar la Barrera de Coulomb.

Con este mecanismo la Naturaleza encuentra el camino para sintetizar Carbono a partir del Helio

Esta historia es mucho más extensa y nos llevaría hasta los trabajos de Hans Bethe, Edward Teller y otros, así como, al famoso Fred Hoyle y su efecto Triple Alfa y otras maravillas que, nos cuentan la historia que existe desde los átomos a las estrellas del cielo.

emilio silvera

En esto de divulgar la ciencia en los apartados de la física o la astronomía, así como el recordar sucesos e historias antiguas, me viene a la memoria aquel dicho de Edith Wharton:

“Hay dos maneras de difundir la luz: ser la vela encendida o el espejo que la refleja.”

 

En ese sentido, como nadie nace sabiendo, todos hemos recibido el reflejo del saber del mundo al leer los pensamientos de otros, al prestar atención a las enseñanzas escolares y académicas o universitarias y, también, no pocos conocimientos adquiridos son el fruto de la experiencia y de la vida que cada uno de nosotros hemos llevado y nos ha tocado vivir.

Las branas son entidades físicas conjeturadas por la teoría M y su vástago, cosmología de branas.  En la teoría M, se postula la existencia de p-branas y d-branas (ambos nombres provienen parasintéticamente de “membrana”). Las p-branas son objetos de dimensionalidad espacial p (por ejemplo, una cuerda es una 1-brana). En cosmología de branas,  el término “brana” se utiliza para referirse a los objetos similares al universo cuadridimensional que se mueven en un sustrato de mayor dimensión. Las d-branas son una clase particular de p-branas.

                    Aquí estaría representada la membrana y la “materia oscura“.

Según la teoría de cuerdas, las membranas existen en la undécima dimensión,   en realidad son infinitas. Se dice que cada membrana corresponde a un un universo,  por ejemplo a nuestro universo le corresponde una membrana y las otras membranas serían universos paralelos.  Según algunos físicos el universo es una membrana esférica, los bordes de las membranas forman ondulaciones  las cuales están en constante movimiento, se dice que estas membranas se mueven con “forma de olas” en esta dimensión (11ª). Esta dimensión es sumamente delgada e infinitamente larga, estas membranas están en movimiento como las olas en el mar, es decir, las membranas serían burbujas en olas de mar que al chocar inician el big bang; es decir, el big bang es un fenómeno que ocurre una y otra vez.

En el marco de la teoría de cuerdas,  la membrana(M) es un conjunto de dimensiones presente, ampliando sus límites.  Se ha llegado a explicar la causa del “Big Bang”por el choque de dos membranas, así, la explosión producida sería la causa del nacimiento y expansión del universo. La materia y la energía sólo puede transmitirse a través de las cuatro primeras dimensiones excepto la gravedad,  que puede difundirse en las once. La materia de una puede alterar el espaciotiempo de otra paralela. De hecho, fenómenos similares fueron los que indujeron la teoría.

Hiperbólico (silla de montar)

Las membranas podrían estar separadas por distancias pequeñísimas unas de otras, incluso, según resultados experimentales, a millonésimas de milímetro. Gracias a este hecho se intentaría explicar por qué la gravedad parece menos fuerte de lo que en realidad es. Las formas más postuladas son la de membranas planas y paralelas entre sí y la de paraboloide hiperbólico  (silla de montar).

Si las membranas son planas y paralelas, la gravedad quedaría encajonada entre ambas, fluctuando entre una y la otra, pero siempre manteniéndose constante. Por el contrario, si las membranas adoptaran la forma de silla de montar, irían perdiendo paulatinamente energía y, por tanto, materia, hasta desaparecer sumido en la difusión por las once dimensiones.

                                      El modelo Steinhardt–Turok

En este modelo cíclico basado en la cosmología de branas, rival del modelo inflacionario, dos láminas tridimensionales o 3-branas colisionan periódicamente. Según esta teoría la parte visible del universo de cuatro dimensiones representa una de esas branas, quedando la otra brana oculta a todas las fuerzas de la naturaleza excepto la gravedad. Cada ciclo consiste en que cada una de las branas dentro de un espacio-tiempo tetradimensional y separadas por una dimensión espacial muy corta y seis enrolladas chocan con cierta periodicidad creando condiciones parecidas a las del big bang del modelo inflacionario.

Según la teoría, después de millones de años, al aproximarse el final de cada ciclo la materia y la radiación se diluyen a casi cero debido a una expansión acelerada del universo alisando las dos branas pero con pequeños rizos o fluctuaciones cuánticas aún presentes que imprimirán en el próximo choque con no uniformidades que crearán grumos o cúmulos que generarán estrellas y galaxias.

            Cuando todo “termina” se dan las circunstancias necesarias para que todo comience de nuevo

Pero sigamos con las dimensiones y las consecuencias más interesantes de añadir dimensiones espaciales extra que hacen posible que cambien las constantes de la Naturaleza observadas. Si el mundo tiene realmente cuatro dimensiones espaciales, entonces las verdaderas constantes de la Naturaleza existen en cuatro dimensiones. Si nosotros nos movemos sólo en tres de esas dimensiones, veremos y sentiremos sólo “sombras” tridimensionales de las auténticas constantes tetradimensionales.

En un lugar de más dimensiones que no vemos, el espacio y el tiempo pueden ser encubiertos y podría dar lugar a que se formen galaxias en un plano de sombras que no podemos alcanzar a ver en nuestro mundo tridimensional. sería como si un universo paralelo al nuestro estuviera llevando un ritmo en el que, las cosas podrían ser iguales pero distintas.

Claro que esas sombras de las que hablo, no tienen por qué ser constantes. Si la dimensión extra aumenta en tamaño, igual que se están expandiendo nuestras tres dimensiones del Universo, entonces nuestras constantes tridimensionales decrecerán al mismo ritmo. Esto nos dice inmediatamente que si algunas dimensiones extra están cambiando, deberán hacerlo de una forma bastante lenta; de lo contrario nosotros no las hubiéramos llamado “constantes” en absoluto.

      La constante de estructura fina ha sido medida de mil manera

Tomemos  una constante tradicional de la Naturaleza, como la constante de estructura fina, normalmente representada por el símbolo , es la constante física fundamental  que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética.  Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.

La expresión que la define es:

donde  es la carga elemental,  la   es la constante reducida o racionalizada de Planck,  es la velocidad de la luz  en el vacío, y psilon es la permitividad del vacío. Si el tamaño de la dimensión extra del espacio es R, entonces el valor de la “constante” de estructura fina tridimensional α, variaría en proporción a 1/R² cuando cambia R.

Imaginemos que estamos en un universo en expansión de cuatro dimensiones pero sólo podemos movernos en tres de ellas. Las fuerzas de la electricidad y el magnetismo pueden “ver” las cuatro dimensiones y encontraremos que nuestra parte tridimensional de ellas se debilitará cuando la cuarta dimensión se haga mayor.

Sabemos que si la constante de estructura fina tridimensional está cambiando no puede hacerlo en ninguna parte tan rápido como se expande el Universo. Esto nos dice que cualquier cuarta dimensión debe ser muy diferentes de las otras. La idea de Klein consistía en que es a la vez muy pequeña y estática y que está confinada en el límite de Planck. Alguna fuerza extra atrapa las dimensiones extra y las mantiene pequeñas. Si no cambian de tamaño de forma significativa no tenemos por qué ver ninguna de nuestras constantes cambiando.

Un escenario posible imagina que el Universo empieza con todas sus dimensiones espaciales comportándose de una manera democrática, pero luego, algunas de las dimensiones quedan atrapadas y permanecen compactadas de manera tal que son infinitesimales, están el el límite de Planck y permanecen, como digo, estáticas y muy pequeñas desde entonces en ese lugar invisible al que no podemos llegar y que se denota con:

Lp =

(Gh/c3) ½ =

4’13 × 10-33 centímetros

Las otras tres dimensiones que sí consiguieron expandirse, son las que vemos y en las que vivímos, las que forman y hacen de nuestro universo el que podemos observar hoy, en el que se han conformado las galaxias y los mundos que, en alguna ocasión, han podido surgir criaturas que, como ha pasado aquí en la Tierra, hablen de estas cuestiones complejas que no llegan a entender… del todo.

Como no dejamos de pretender alcanzar lo “inalcanzable”, allá por el año 1982, los teóricos de cuerdas sugirieron por primera vez una respuesta a un viejo problema: cómo casar la teoría cuántica con la teoría de la gravedad de Einstein. Todos los intentos previos habían fracasado miserablemente. Predecían invariablemente que alguna cantidad medida debería ser infinita. Estos “infinitos” plagaban todas las teorías con sólo tres dimensiones de espacio y una de tiempo. Sin embargo, en 1984 Michael Green y John Wchwarz demostraron que este problema podía subsanarse combinando dos ideas radicales.

Einstein, desde donde se pueda encontrar, estará sonriendo al comprobar con satisfacción que sus ecuaciones de campo de la relatividad general, sin que nadie las llame y como por arte de magia, surgen de la Teoría M de cuerdas en la que subyacen sus ideas. Y, al contemplar, no sin cierto grado de asombro cómo se pueden unir las dos teorías (la suya y la de Planck, la de lo muy grande y lo muy pequeño), los que le siguieron habían conseguido lo que él mismo persiguió, sin conseguirlo durante más de treinta años.

Green y Wchwarz sugerían que, si se abandona la idea de que las entidades más básicas son puntuales (se referían a las partículas subatómicas), con tamaño cero, y se permite que haya más de tres dimensiones espaciales, entonces los infinitos desaparecen milagrosamente, cancelándose. Como sucede con la anterior teoría de Kaluza-Klein. Es apasionante y misterioso el hecho de que, en esa escala tan pequeña de 10^-33 cm, la longitud fundamental de Planck, se puedan encontrar “escondidas” las dimensiones que nos permiten unificar las dos teorías más importantes de nuestro tiempo.

                                 ¿Habrá un Universo en la sombra que no podemos ver?

Claro que, tendremos que poner los pies en el suelo y centrarnos en lo que “sabemos” y “vemos”: Neutrinos, fotones, quarks, leptones, hadrones: bariones y mesones, todos, en definitiva son lo mismo, distintos estados de la materia que conforman unos y otros en determinadas ocasiones, y, en cada momento, ocupan el lugar que les destina en Universo adoptando la forma que en ese preciso instante les corresponde. Claro que, todos estos, son objetos de nuestro Universo luminoso, el otro, el Universo en la Sombra, ni sabemos si puede estar realmente ahí.

Durante mucho tiempo, los físicos han sabido que toda reacción entre partículas elementales obedece a una simetría que llamamos CPT. Esto significa que si miramos la partícula de una reacción, y luego vemos la misma reacción cuando (1) la miramos en un espejo, (2) sustituimos todas las partículas por antipartículas y (3) hacemos pasar la partícula hacia atrás, los resultados serán idénticos. En este esquema la P significa paridad (el espejo), la C significa conjugación de carga (poner las antipartículas) y T la reserva del Tiempo (pasar la partícula al revés).

Claro que, todo lo anteriormente expuesto son sólo sugerencias del momento y que duran y tienen vigencia durante un tiempo impredecible, ya que, el tiempo sigue su marcha, el universo continúa expandiéndose y, nuestras mentes evolucionan para poder “ver” otras teorías y otros horizontes nuevos y más avanzados, complejos y profundos que nos acercan a la verdadera naturaleza del Universo que no comprendemos…, lo suficiente.

emilio silvera