Todo comienza siendo una cosa y con el tiempo, se transforma en otra diferente: Evolución por la energía. En el universo en que vivimos, nada desaparece; con el tiempo se cumplen los ciclos de las cosas y se convierten en otra distinta, es un proceso irreversible que podemos contemplar a nuestro alrededor con el paso inexorable del tiempo se van cumpliendo las fases y los ciclos, y, no necesarimente siempre son de desgaste y envejecimiento, sino que, otras son de creación y resurgimiento. Cuando las estrellas masivas viejas esplotan en Supernovas, el espacio interetelar queda ocupado, en grandes regiones, por una nube enorme que, a veces, abarca varios años luz. El tiempo transcurre y, de esos restos de estrella “muerta”, con ayuda de la gravedad, nacen nuevas estrellas. Es la entropía negativa que lucha contra aquella otra que todo lo quiere destruir. Nosotros, de alguna manera, hacemos lo mismo con la descendencia y creamos entropía negativa que hace que lo nuevo, de alguna manera, esté venciendo a ese destino irreversible que nos habla de que la Eternidad… ¡No existe, para nada ni para nadie!

El gas y el polvo se transforma en una brillante estrella que vive diez mil millones de años y termina en Nebulosa planeta con una enana blanca en el centro. Entonces la estrella que tenía un diámetro de 1.500 km, se reduce hasta unas pocas decenas, 20 0 30 Km y, su densidad, es inmensa, emitiendo radiación ultravioleta durante mucjho tiempo hasta que se enfría y se convierte en un cadáver estelar.

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

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

  La singularidad con su inmensa fuerza gravitatoria atrae a la estrella vecina

La Tierra, un objeto minúsculo en comparación con esos objetos súper masivos estelares, genera una fuerza de gravedad que, para escapar de ella, una nave o cohete espacial tiene que salir disparado la superficie terrestre a una velocidad de 11’18 km/s; el sol exige 617’3 km/s.  Es lo que se conoce como velocidad de escape, que es la velocidad mínima requerida escapar de un campo gravitacional que, lógicamente, aumenta en función de la masa del objeto que la produce. El objeto que escapa puede ser una cosa cualquiera, desde una molécula de gas a una nave espacial. La velocidad de escape de un cuerpo está dada por , donde G es la constante gravitacional, M es la masa del cuerpo y R es la distancia del objeto que escapa del centro del cuerpo. Un objeto que se mueva con una velocidad menor que la de escape entra en una órbita elíptica; si se mueve a una velocidad exactamente igual a la de escape, sigue una órbita , y si el objeto supera la velocidad de escape,  se mueve en una trayectoria hiperbólica y rompe la atadura en que la mantenía sujeto al planeta, la estrella o el objeto que emite la fuerza gravitatoria.

La mayor velocidad que es posible alcanzar en nuestro universo es la de la luz, c, velocidad que la luz alcanza en el vacío y que es de 299.793’458 km/s.

Sí, se pudo confirmar que los neutrinos respetan la supremacía el fotón y la luz, sigue siendo la más rápida del Universo. Y sin embargo, no escapar de la atracción de un Aguero Negro.

Pues bien, es tal la fuerza de gravedad de un agujero negro que ni la luz puede escapar de allí; la singularidad la absorbe, la luz desaparece en su interior, de ahí su nombre de agujero negro,  la estrella supermasiva se contrae, llega a un punto que desaparece de nuestra vista. De acuerdo con la relatividad general, cabe la posibilidad de que una masa se comprima y reduzca sin límites su tamaño y se auto confine en un espacio infinitamente pequeño que encierre una densidad y una energía infinitos. Allí, el espacio y el tiempo dejan de existir.

Las singularidades ocurren en el Big Bang, en los agujeros negros y en el Big Crunch (que se podría considerar una reunión de todos los agujeros negros generados por el paso del tiempo en el universo y que nos llevará a un fin  que será el comienzo).

Las singularidades de los agujeros negros están rodeados por una circunferencia invisible a su alrededor que marca el límite de su influencia. El objeto que traspasa ese límite es atraído, irremisiblemente, la singularidad que lo engulle, sea una estrella, una nube de gas o cualquier otro objeto cósmico que ose traspasar la línea que se conoce como horizonte de sucesos del agujero negro.

La existencia de los agujeros negros  fue deducida por Schwarzschild, en el año 1.916, a partir de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Este astrónomo alemán predijo su existencia, pero el de agujero negro se debe a Johb Wheeler.

                     Señalamos la singularidad del Big Bang pero… ¿fue así?

Así, el conocimiento de la singularidad está dado por las matemáticas de Einstein y más tarde por la observación de las señales que la presencia del agujero generan. Es una fuente emisora de rayos X que se producen al engullir materia que traspasa el horizonte de sucesos y es atrapada la singularidad,  donde desaparece siempre sumándose a la masa del agujero cada vez mayor.

En el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, ha sido detectado un enorme agujero negro,  ya muy famoso, llamado Cygnus X-1.

Después de todo, la velocidad de la luz, la máxima del universo, no vencer la fuerza de gravedad del aujero negro que la tiene confinada para siempre.

En nuestra galaxia, con cien mil años luz de diámetro y unos doscientos mil millones de estrellas, ¿cuántos agujeros negros habrá?

Para mí, la cosa está clara: el tiempo es imparable, el reloj cósmico sigue y sigue andando sin que nada lo pare, miles o cientos de miles, millones y millones de estrellas súper masivas explotarán en brillantes supernovas para convertirse en temibles agujeros negros.

Llegará un momento que el de agujeros negros en las galaxias será de tal magnitud que comenzarán a fusionarse unos con otros que todo el universo se convierta en un inmenso Agujero negro,  una enorme singularidad,  lo único que allí estará presente: la gravedad.

Esa fuerza de la naturaleza que está sola, no se puede juntar con las otras fuerzas que, como se ha dicho, tienen sus dominios en la mecánica cuántica, mientras que la gravitación residen en la inmensidad del cosmos; las unas ejercen su dominio en los confines microscópicos del átomo, mientras que la otra sólo aparece de manera significativa en presencia de grandes masas estelares. Allí, a su alrededor, se aposenta curvando el espacio y distorsionando el tiempo.

Esa reunión final de agujeros negros será la causa de que la Densidad Crítica sea superior a la ideal. La gravedad generada por el inmenso agujero negro que se irá formando en cada galaxia tendrá la consecuencia de parar la expansión actual del universo. Todas las galaxias que ahora están separándose las unas de las otras se irán frenando parar y, despacio al principio pero más rápido después, comenzarán a recorrer el camino hacia atrás.  Finalmente, toda la materia será encontrada en un punto común donde chocará violentamente formando una enorme bola de fuego, el Big Crunch, que como sabéis, es sólo una de las variadas teorías del final del universo.

Claro que, antes de que eso llegue, tendremos que resolver el primer problema: La visita de Andrómeda, la salida de la Tierra de la Zona habitable, o,  la muerte del Sol que se convertirá en una gigante roja primero y en una nebulosa planetaria con una estrella enana blanca en el centro después.

Los científicos se han preguntado a veces qué sucederá eventualmente a los átomos de nuestros cuerpos mucho tiempo después de que hayamos muerto. La posibilidad más probable es que nuestras moléculas vuelvan al Sol. En páginas anteriores he explicado el destino del Sol: se agotará su combustible de hidrógeno y fusionará helio; se hinchará en gigante roja y su órbita es probable que sobrepase la Tierra y la calcine; las moléculas que hoy constituyen nuestros cuerpos serán consumidas por la atmósfera solar.

Carl Sagan pinta el cuadro siguiente:

“Dentro de miles de millones de años a partir de , habrá un último día perfecto en la Tierra… Las capas de hielo Ártica y Antártica se fundirán, inundando las costas del mundo. Las altas temperaturas oceánicas liberarán más vapor de agua al aire, incrementando la nubosidad y escondiendo a la Tierra de la luz solar retrasando el final. Pero la evolución solar es inexorable.  Finalmente los océanos hervirán, la atmósfera se evaporará en el espacio y nuestro planeta será destruido por una catástrofe de proporciones que ni podemos imaginar.”

 

En una escala de tiempo de varios miles de millones de años, debemos enfrentarnos al hecho de que la Vía Láctea, en la que vivimos, morirá. Más exactamente, vivimos en el brazo espiral Orión de la Vía Láctea. miramos al cielo nocturno y nos sentimos reducidos, empequeñecidos por la inmensidad de las luces celestes que puntúan en el cielo, estamos mirando realmente una minúscula porción de las estrellas localizadas en el brazo de Orión. El resto de los 200 mil millones de estrellas de la Vía Láctea están tan lejanas que apenas pueden ser vistas como una cinta lechosa que cruza el cielo nocturno.

Aproximadamente a dos millones de años luz de la Vía Láctea está nuestra galaxia vecina más cercana, la gran galaxia Andrómeda, dos o tres veces mayor que nuestra galaxia. Las dos galaxias se están aproximando a unos 500  km/s, y chocarán en un periodo de entre 3 y 4 mil  millones de años. Como ha dicho el astrónomo Lars Hernquist de la California en Santa Cruz, esta colisión será “parecida a un asalto. Nuestra galaxia será literalmente consumida y destruida“. Aunque, lo cierto es que aunque en el choque algo se detruya, lo cierto es que todo quedará en forma de una galaxia mucho mayor.

Así las cosas, no parece que la Humanidad del futuro lo tenga nada fácil.  Primero tendrá que escapar, dentro de unos 4.000 millones de años del gigante rojo en que se convertirá el Sol que calcinará al planeta Tierra. Segundo, en unos 10.000 millones de años, la escapada tendrá que ser aún más lejana; la destrucción será de la propia galaxia que se fusionará con otra mayor sembrando el caos cósmico del que difícilmente se podría escapar quedándonos aquí. Por último, el final anunciado, aunque más largo tiempo, es el del propio universo que, por congelación o fuego, tiene los eones contados.

Por todas estas catástrofes anunciadas por la ciencia, científicos como Kip S. Thorne y Stephen Hawking sugieren a otros universos paralelos a través de agujeros de gusano en el hiperespacio. Sería la única puerta de salida para que la Humanidad no se destruyera.

Si lo alcanzaremos o no, es imposible de contestar, no tenemos los necesarios para ello. Incluso se podría decir que aparte de estas catástrofes futuras que sabemos a ciencia cierta que ocurrirán, seguramente existan otras que están ahí latentes en la incertidumbre de si finalmente ocurren o no, sólo pendiente de decidir lo uno o lo otro por parámetros ocultos que no sabemos ni que puedan existir.

En esta situación de impotencia, de incapacidad física e intelectual, nos tenemos que dar y admitir que, verdaderamente, comparados con el universo y las fuerzas que lo rigen, somos insignificantes, menos que una mota de polvo flotando en el haz de luz que entra, imparable, por la ventana entre-abierta de la habitación.

Sin embargo, tampoco es así. Que se sepa, no existe ningún otro grupo inteligente que esté capacitado tratar de todas estas cuestiones. Que la especie humana sea consciente de dónde vino y hacia dónde va, en verdad tiene bastante mérito, y más, si consideramos que nuestro origen está a partir de materia inerte evolucionada y compleja que, un día, hace probablemente miles de millones de años, se fraguó en estrellas muy lejanas.

A finales de los 60, un joven físico italiano, Gabriele Veneziano, buscaba un grupo de ecuaciones que explicara la fuerza nuclear fuerte. Este pegamento tan fuerte que mantenía unidos los protones y neutrones del núcleo de cada átomo. Parece ser que por casualidad se encontró con un libro antiguo de matemáticas y en su interior encontró una ecuación de más de 200 años de antigüedad creada por un matemático suizo llamado Leonhard Euler. Veneziano descubrió con asombro que las ecuaciones de Euler, consideradas desde siempre una simple curiosidad matemática, parecían describir la fuerza nuclear fuerte. Después de un año de de profundos estudios, experimentos, intuición e imaginación, se podría decir que elaboraron la Teoría de Cuerdas de manera fortuita.

Tras circular entre compañeros, la ecuación de Euler acabó escrita frente a Leonard Susskind, quien se retiro a su ático para investigar. Creía que aquella antigua fórmula describía matemáticamente la fuerza nuclear fuerte, pero descubrió algo nuevo. Lo primero que descubrió fue que describía una especie de partícula con una estructura interna que vibraba y que mostraba un comportamiento que no se limitaba al de una partícula puntual. Dedujo que se trataba de una cuerda, un hilo elástico, como una goma cortada por la mitad. Esta cuerda se estiraba y contraía además de ondear y coincidía exactamente con la fórmula. Susskind redactó un artículo donde explicaba el descubrimiento de las cuerdas, pero nunca llegó a publicarse.

Muchos buscaron la 5ª dimensión… ¡sin fortuna! Aquí sólo hay tres y el espacio.

Claro que, ya he comentado otras veces que la teoría de cuerdas tiene un origen real en las ecuaciones de Einstein en las que se inspiro Kaluza para añadir la quinta dimensión y perfeccionó Klein (teoría Kaluza-Klein). La teoría de cuerdas surgió a partir de su descubrimiento accidental por Veneziano y , y a partir de ahí, la versión de más éxito es la creada por los físicos de Princeton David Gross, Emil Martinec, Jeffrey Harvey y Ryan Rohm; ellos son conocidos en ese mundillo de la física teórica como “el cuarteto de cuerdas”.  Ellos han propuesto la cuerda heterótica (híbrida) y están seguros de que la teoría de cuerdas resuelve el problema de “construir la propia materia a partir de la pura geometría: eso es lo que en cierto sentido hace la teoría de cuerdas, especialmente en su versión de cuerda heterótica, que es inherentemente una teoría de la gravedad en la que las partículas de materia, tanto las otras fuerzas de la naturaleza, emergen del mismo modo que la gravedad emerge de la geometría“.

La Gravedad cuántica está en algunas mentes , ¿Estará en la Naturaleza?

La característica más notable de la teoría de cuerdas ( ya he señalado), es que la teoría de la gravedad de Einstein está contenida automáticamente en ella. De hecho, el gravitón (el cuanto de gravedad) emerge como la vibración más pequeña de la cuerda cerrada, es más, si simplemente abandonamos la teoría de la gravedad de Einstein como una vibración de la cuerda, entonces la teoría se vuelve inconsistente e inútil. , de hecho, es la razón por la que Witten se sintió inicialmente atraído hacia la teoría de cuerdas.

Witten está plenamente convencido de que “todas las ideas realmente grandes en la física, están incluidas en la teoría de cuerdas“.

No entro aquí a describir el modelo de la teoría de cuerdas que está referido a la “cuerda heterótica”, ya que su complejidad y profundidad de detalles podría confundir al lector no iniciado. Sin embargo, parece justo que deje constancia de que consiste en una cuerda cerrada que tiene dos tipos de vibraciones, en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario, que son tratadas de diferente.

Las vibraciones en el sentido de las agujas de reloj viven en un espacio de diez dimensiones. Las vibraciones de sentido contrario viven en un espacio de veintiséis dimensiones, de las que dieciséis han sido compactificadas (recordemos que en la teoría pentadimensional Kaluza-Klein, la quinta dimensión se compactificaba curvándose en un circulo). La cuerda heterótica debe su al hecho de que las vibraciones en el sentido de las agujas de reloj y en el sentido contrario viven en dos dimensiones diferentes pero se combinan para producir una sola teoría de supercuerdas. Esta es la razón de que se denomine según la palabra griega heterosis, que significa “vigor híbrido”.

En conclusión, las simetrías que vemos a nuestro alrededor, el arcoiris a las flores y a los cristales, pueden considerarse en última instancia como manifestaciones de fragmentos de la teoría decadimensional original.  Riemann y Einstein habían confiado en llegar a una comprensión geométrica de por qué las fuerzas pueden determinar el movimiento y la naturaleza de la materia.

La teoría de cuerdas, a partir del descubrimiento Veneziano-Suzuki, estaba evolucionando atrás buscando las huellas de Faraday, Riemann, Maxwell y Einstein poder construir una teoría de campos de cuerdas.  De hecho, toda la física de partículas estaba basada en teoría de campos. La única teoría no basada en teoría de campos era la teoría de cuerdas.

De la teoría de cuerdas combinada con la supersimetría dio lugar a la teoría de supercuerdas. La cuerda es un objeto unidimensional que en nueva teoría se utiliza remplazando la idea de la partícula puntual de la teoría cuántica de campos. La cuerda se utiliza en la teoría de partículas elementales y en cosmología y se representa por una línea o lazo (una cuerda cerrada). Los estados de una partícula pueden ser producidos por ondas estacionarias a lo largo de esta cuerda.

En teoría se trata de unificar a todas las fuerzas fundamentales incorporando simetría y en la que los objetos básicos son objetos unidimensionales que tienen una escala de 10^{-35 metros} y, como distancias muy cortas están asociadas a energías muy altas, este caso la escala de energía requerida es del orden de 10¹⁹ GeV, que está muy por encima de la que hoy en día pueda alcanzar cualquier acelerador de partículas.

antes expliqué, las cuerdas asociadas con los bosones sólo son consistentes como teorías cuánticas en un espacio-tiempo de 26 dimensiones; aquella asociadas con los fermiones sólo lo son en un espacio tiempo de 10 dimensiones. Ya se ha explicado que las dimensiones extras, además de las normales que podemos constatar, tres de espacio y una de tiempo, como la teoría de Kaluza-Klein, están enrolladas en una distancia de Planck. De , inalcanzables.

Una de las características más atractivas de la teoría de supercuerdas es que dan lugar a partículas de espín 2, que son identificadas con los gravitones (las partículas que transportan la gravedad y que aún no se han podido localizar). Por tanto, una teoría de supercuerdas automáticamente contiene una teoría cuántica de la interacción gravitacional. Se piensa que las supercuerdas, al contrario que ocurre con otras teorías ( ellas el Modelo Estándar), están libres de infinitos que no pueden ser eliminados por renormalización, que plagan todos los intentos de construir una teoría cuántica de campos que incorpore la gravedad. Hay algunas evidencias de que la teoría de supercuerdas está libre de infinitos, pero se está a la búsqueda de la prueba definitiva.

Aunque no hay evidencia directa de las supercuerdas, algunas características de las supercuerdas son compatibles con los hechos experimentales observados en las partículas elementales, como la posibilidad de que las partículas no respeten paridad,  lo que en efecto ocurre en las interacciones débiles.

Extrañas configuraciones a las que, algunos físicos le quieren sacar lo que seguramente no se encuentra en ellas

Estoy convencido de que la teoría de supercuerdas será finalmente corroborada por los hechos y, ello, se necesitará algún tiempo; no se puede aún comprobar ciertos parámetros teóricos que esas complejas matemáticas a las que llaman topología nos dicen que son así.

Habrá que tener siempre a mano las ecuaciones de Einstein, las funciones modulares de Ramanujan y el Supertensor métrico de ese genio matemático que, al igual que Ramanujan, fue un visionario llamado Riemann.

Las historias de estos dos personajes, en cierto modo, son muy parecidas.  Tanto Riemann como Ramanujan murieron antes de cumplir los 40 años y, también en ambos casos, en difíciles. Estos personajes desarrollaron una actividad matemática sólo comparable al trabajo de toda la vida de muchos buenos matemáticos.

¿Cómo es posible que, para proteger la simetría conforme original por su destrucción por la teoría cuántica, deben ser milagrosamente satisfechas cierto de identidades matemáticas, que precisamente son las identidades de la función modular de Ramanujan?

En este he expresado que las leyes de la naturaleza se simplifican cuando se expresan en dimensiones más altas. Sin embargo, a la luz de la teoría cuántica, debo corregir algo esta afirmación, y para decirlo correctamente debería decir: las leyes de la naturaleza se simplifican cuando se expresan coherentemente en dimensiones más altas. Al añadir la palabra coherentemente hemos señalado un punto crucial. ligadura nos obliga a utilizar las funciones modulares de Ramanujan, que fijan en diez de dimensiones del espacio-tiempo. Esto a su vez, puede facilitarnos la clave decisiva para explicar el origen del universo.

emilio silvera

Hablar de una Naturaleza simétrica sería condenar a nuestro Universo a la monotonía de la igualdad, y, todos sabemos que en él se encuentra todo lo que existe, la Materia, el Tiempo y el Espacio, todo ello acompañado por fuerzas que hacen de nuestro universo el que conocemos y, dentro de toda esa inmensidad, también se encuentran la simetría y la asimetría, como en nuestro mundo el día y la noche, las Estaciones, los Océanmos y las montañas, los Valles y los desiertos… ¡La diversidad! La riqueza de la diversidad que conforma ese todo que el Universo es.

La exploración de la simetría y la asimetría en la Naturaleza comenzaba con el mayor de los objetos naturales: ¡El propio Universo! Y, hemos ido reduciendo gradualmente la escala de tamaños con estructuras cada vez más pequeñas. En otras ocasiones hemos tenido aquí mismo la oportunidad de hablar de la simetría que encontramos en la Naturaleza de las plantas y de los animales. Ahora, desvíamos nuestra atención hacia estructuras todavía menores, las diversas subunidades que constituyen todas las sustancias materiales, vivas o inertes.

Antes de continuar y para aquellos que lo puedan desconocer, será conveniente que tengan una conciencia clara de qué son exactamente estas unidades inferiores. Comenzando con las más pequeñas y yendo después en sentido ascendente, la escala sería:

Las partículas elementales que están descritas en el Modelo estándar actual de la física de partículas que conforman la materia y las fuerzas con las que interaccionan y que, hasta donde hemos podido saber, están divididas en familias:

Leptones: partículas puntuales con una dimensión espacial inapreciable. Los seis leptones conocidos  son el electrón, el muón y el tauón, y el neutrino asociado a cada uno de ellos, el neutrino electrónico, muónico y tauónico.

Hadrones: Son aquellas partículas que se cree que están compuestas de pequeñas partículas puntuales llamadas quarks. Se han identificado cientos de hadrones, de los cuales los más importantes son el protón y el neutrón, ya que junto con el electrón forman la materia ordinaria.

Bosones: Partículas de “cambio”, partículas “soporte”, partículas “mensajeras” o partículas “indicadoras”. Contienen o son intermediarias de las cuatro fuerzas: electromagnetismo (conducido por el fotón), la fuerza débil (conducida por los vectores bosones intermedios), la gran fuerza nuclear (por los gluones) y la gravedad (por el gravitón aún no detectado). A finales de lños años setenta, las fuerzas elecdtromagnética y débil se unificaron en lo que ahora llamamos la fuerza electrodébil. La teoría electrodébil predice un bosón masivo denominado partícula de Higgs que, según nos han dicho los del LHC, ha sido encontrado. Veremos que explicaciones nos facilitan sobre ese hallazgo que… ¡ha quedado huérfano de los datos precisos que nos convenzan de su existencia real!

            Representación de los tres bosones intermediarios en la fuerza electrodébil

Una vez descritas, muy someramente, las partículas de la materia y las fuerzas que rigen el universo conocido, tendríamos que pasar, de inmediato, al paso próximo que estaría representado por el átomo que, hasta donde conocemos, es la menor unidad estructural en la que puede dividirse la materia sin que pierda sus propiedades. En el centro de todo átomo está el núcleo, que debe contener al menos un protón, pero habitualmente está formado por una mezcla de protones y neutrones. Alrededor del núcleo, agrupados en “capas”, están los electrones. El átomo más sencillo, el de Hidrógeno, tiene un núcleo con un protón, alrededor del cual se mueve un único electrón. El átomo más complejo que se ha encontrado en la Naturaleza es el del Uranio, con 92 electrones. En el laboratorio se han encontrado algunos  elementos más complejos a los que se llaman transuránicos, es decir, que van más allá del uranio y que no se encuentran en la Naturaleza, son artificiales.

Como podéis ver, el Uranio tiene 92 Protones y 146 Neutrones. Para equilibrar el átomo, el número de eletrones es también de 92, ya que al tener el elecdtrón, carga negativa equivalente a la carga positiva del protón, se consigue el equilibrio entre ambas y se alcanza la estabilidad, es decir, que el átomo sea neutro. Si un átomo pierde un electrón de su capa más externa se convierte en un átomo con carga positiva. Si gana uno, queda con carga negativa. Los átomos con carga eléctrica reciben el nombre de iones.

La molécula es una agrupación ordenada de átomos y constituye la mínima unidad de un elemento que puede subsistir de manera independiente. Mediante la afinidad química, los átomos están capacitados se unen entre sí y forman moléculas, que tienen un tamaño de alrededor de un millonésimo de milímetro. La afinidad de los átomos depende de la cantidad de electrones que giren alrededor del núcleo. Los átomos que tienen en la órbita externa ocho electrones no se unen a ningún otro elemento, dado que se encuentran equilibrados; estos constituyen los llamados gases nobles: helio, neón, argón, criptón, xenón y radón. Los demás átomos tratan de completar el número de ocho electrones hasta configurarse como los gases nobles. Es decir, los que tienen un electrón se combinan con los que tienen siete electrones.

Un equipo de científicos del Instituto de Astrofísica de las Canarias (IAC) y la Universidad de Texas lograron identificar una de las moléculas orgánicas más complejas encontradas hasta ahora en la materia entre las estrellas, el llamado espacio interestelar. El descubrimiento del antraceno podría ayudar a resolver un misterio astrofísico de décadas de antigüedad sobre la producción de las moléculas orgánicas en el espacio.

Buscar moléculas de azucar en el espacio exterior, sería una manera de acercarnos a posibles formas de vida en las que, estas moléculas están presentes y, como sabéis (la imagen de arriba lo demuestra), han sido halladas tales moléculas por el potente radioteslecopio ALMA en el norte de Chile que permitió detectarlas moléculas en torno a una estrella joven, similar al sol, un inédito hallazgo para la ciencia, según el Observatorio Europeo Austral (ESO).

Este espectro tomado por el telescopio espacial de infrarrojos HERSCHEL ilustra la variedad molecular existente en una nube interestelar como la de Orión. Agua, monóxido de carbono, metanol, formaldehído, cianuro de hidrógeno, óxidos de azufre y otras moléculas (de las cuales hay muchas aún sin identificar) dejan sus firmas inequívocas en la emisión del infrarrojo lejano que se origina en la nebulosa. El espectro se muestra superpuesto a una imagen (también infrarroja) tomada por el telescopio espacial Spitzer.

Muchas son ya las moléculas de la vida ahí encontradas. Si una sustancia está formada por un único tipo de átomos, diremos que es un elemento. Cuando una molécula está formada por átomos de distintos tipos, la sustancia se llama compuesto. El agua es un compuesto: su molécula consta de dos átomos de hidrógeno unidos por un enlace químico (electromagnético) a un átomo de oxígeno. El número de átomos que constiruyen la molécula de un compuesto puede variar desde dos o tres hasta las decenas de miles que conforman la molécula de un complejo proteínico.

Si miramos esta imagen de visión de rayos X de un cristal de hielo que tiene simetría exagonal, es la equivalente a multiplicar el original por 100000000. Los átomos de oxíogeno se representan como bolas  rojas y los de Hidrógeno como bolas azules más pequeñas. Todos los enlaces entre estos átomos se representan como barras blancas para resaltar la red hexagonal en forma de colmena que forma el conjunto de moléculas de H₂O.

En el agua líquida también hay molécuklas de H₂O, pero en ese caso se encuentran más calientes que en el hielo. Lo que significa que se mueven mñás libremente y de hecho esa es la razón de que el agua sea un líquido sin forma propia y se adapta al recipiente que lo contiene. Pero si el agua se congela, las fuerzas de interacción entre las moléculas de H₂O ganan a las fuerzas derivadas del movimiento térmico y forman un conjunto rígido que presenta su estado más estable (de menor energía) cuando se ordenan… precisamente con simetría Hexagonal.

Por eso los cristales de nieve son siempre hexagonales. La estructura de los cristales a nivel atómico determina su forma final. Y este no es un ejemplo aislado. La composición y la estructura a nivel atómico y molecular es la clave que determina la estructura, dureza y demás propiedades en general de todos los materiales que nos rodean. Hasta aquí llegan las escalas de estructuras básicas.

Naturalmente, podemos hablar de unidades todavía mayores, como los minerales  y las rocas. Un mineral es, simplemente un elemento o un compuesto en estado sólido que se encuentra en la Naturaleza y que no es el resultado de un proceso biológico; pero si un mineral presenta una, se trata de una estructura cristalina derivada de la colocación de sus moléculas. Las rocas son, sencillamente, mezclas de uno o más minerales diferentes. Como sabemos, las rocas presentan a veces algún tipo de dibujo , como los estratos horizontales de las rocas sedimentarias, pero el trazado es de tan bajo nivel que no se piueden llegar a tomar en consideración cuestiones de simetría como las que antes hemos referido.

Si comenzamos por la parte más alta de la escala, con la estructura de los cristales y seguir bajando por dicha escala hasta la selva  subatómica de las partículas elementales. Sólo los sólidos tienen estructura cristalina. Las moléculas de un gas están tan alejadas las unas de las otras que tienen la libertad de moverse al azar, y es imposible encontrar un modelo geométrico sistemático en su disposición. Os acordáis las formas arabescar de increíble belleza que adoptan, los gases en algunas Nebulosas.

Los fullerenos podrían ser los responsables de haber llevado a la Tierra sustancias capaces de impulsar el inicio de la vida. Los científicos han podido encontrar moléculas de fullerenos en las nubes espaciales que podrían ser, las precursorasa de la vida. ¡El Carbono! ¿Cuántas sorpresas nos tiene reservada este maravilloso elemento?

Si hablamos de las moléculas de un líquido, asl contrario de lo que ocurre con las moléculas de los gases, éstas están más juntas y próximas entre ellas, pero todavía son lo suficientemente libres en sus movimientos como para que no se puedan formar modelos fijos. Los sólidos, por otra parte, tienen moléculas que se aprietan estrechamente entre sí para poder crear una estructura rígida y estable. (En realidad, los átomos de un sólido siguen oscilando, pero las fuerzas electromagnéticas las enlazan tan estrechamente que sus oscilaciones son practicamente posiciones fijas. Para nuestro propósito supondremos que los átomos no tienen movimiento alguno.) En casi todos los casos se estereotipa esta dispoosición sistemática, que constituye la estructura cristalina del sólido.

                      El agua en sus tres estados: hielo, agua líquida y vapor en las nubes

Consideremos el agua. Tanto en su estado gaseoso (vapor) como líquido, sus moléculas están en una disposición caótica, pero cuando se hiela y pasa al estado sólido, las moléculas se agrupan entre sí en forma de figuras geométricas. El bello cristal de nieve, con simetría hexagonal, como el dibujo de un caleidoscopio, toma su forma directamente d ela forma cristalina subyacente de las moléculas de hielo de su congelador a los gigantescos Icebergs del Ártico, todos tienen la misma estructura cristalina.

Casi todas las sustancias sólidas son cristalinas, aunque el vidrio es una excepción sobresaliente; se origina al enfriarse determinados líquidos de manera tan rápida que las moléculas se agrupan estrechamente antes de tener la menor opción a disponerse de forma ordenada. Sólido o no no, un cristal no es  cristalino. El vidrio tallado de un bello jarrón que es “cristal” para el dependiente de la tienda, no es cristal para el físico.

Las pitonisas que utilizan esferas pulidas procedentes de grandes cristales de cuarzo simples para predecir el futuro mirando a su través, hoy en día lo hacen a menudo a través de esferas de vidrio, puesto que son más baratas. Sería interesante saber si el futuro parece más claro mirándolo por un material en desorden o bien a través de una estructura ordenada.

Los sólidos no cristalinos se llaman amorfos; algunos químicos hablan de ellos como sólidos líquidos ya que, igual que éstos últimos, , carecen de estructura cristalina. El carbón vegetal, las breas y ciertos plásticos, son ejemplos familiares, sustancias que participan con los líquidos en la tendencia a “fluir”, aunque la capacidad de flujo puede ser extremadamente lenta. Incluso el vidrio acabaría fluyendo fuera de su forma si no se tocara durante algunos cientos de años.

La forma geométrica subyacente de cualquier sustancia cristalina se denomina la red de la misma. Unas veces es una configuración de átomos; otras de moléculas. El dióxido de Carbono, por ejemplo, se encuentra en la naturaleza en forma de gas; cuando su temperatura disminuye lo suficiente, se solidifica y se convierte en lo que se llama hielo seco. (Recibe el nombre de seco porque nunca se convierte en líquido, como el hielo ordinario; pasa directamente de sólido a gas.) En él, las moléculas de dióxido de carbono se agrupan entre sí formando la red cúbica con estructura semejante a las vigas de acero de un edificio de oficinas. Las moléculas situadas en las caras de cada cubo dan a esta red concreta el nombre de red cúbica de caras centradas, es decir, así:

          Aquí, cada unidad es una molécula de Dióxido de Carbono.

La sal es uno de los minerales que más abunda en la Tierra. Su nomenclatura química, Cloruro de Sodio, se debe a sus dos iones componentes: cloro y sodio. La estructura de este compuesto, es un cristal con forma de cubo, en la que los átomos de cloro y sodio, dispuestos alternadamente, forman una red cúbica que se va repitiendo con la misma orientación en toda la sustancia, formando una red cristalina.

La sal no sólo sirve para sazonar. Sus iones son fundamentales para la transmisión de impulsos nerviosos, para los latidos del corazón, para la contracción muscular y para desencadenar una respuesta inmune. ¡La próxima vez que aliñen una ensalada, piensen en esto!

No se debe pensar que, por estar por debajo del campo de visión de un microscopio, estas estructuras reticulares no son sino construcciones teóricas que los físicos no han sido capaces de observar. Hubo un tiempo en que esto era así, pero en la actualidad existen muchas técnicas que permiten “ver” estructuras mucho más pequeñas que las que pueden ser vistas directamente. Hoy día, los microscopios electrónicos nos permiten ver lo que nunca pudimos.

Lo que vemos aquí es el cuerpo tratando de curarse a sí mismo. Los objetos con forma de cigarro de color amarillo son las bacterias de la tuberculosis. En torno a ella aparecen los macrófagos. Un macrófago es un fagocito, son células que nos protegen de objetos extraños.

Las esferas que pueden verse aquí son las esporas creadas por el hongo Emericella nidulans. Producen la hidrofobina proteína que hace que las esporas resistentes al agua.

¿Ha tenido caries en los dientes? Caries es causada por la bacteria Streptococcus mutans que convierte el azúcar queda en la superficie de sus dientes a los ácidos. Ese ácido corroe el esmalte dental provocando la caries. Aquí en color azul los Streptococcus mutans está atacando la superficie de un diente.

Explorar el misterio del spin del protón ha sido uno de los objetivos de la investigación científica fundamental en el RHIC

Hemos podido alcanzar a “ver” objetos y figuras estacionadas en esas distancias infinitesimales, nuestros ingenios tecnológicos pueden aumentar, en millones de veces, las proporciones físicas de pequeños objetos y sistemas. Hasta tal punto es así que, si pudiéramos tener delante de nuestros ojos lo que esos experimentos han logrado, nos parecería estar, en un mundo diferente, tan extraña y figuras podríamos contemplar en ese ámbito de lo muy pequeño.

Descendiendo muchísimo en la escala y si consideramos las moléculas como unidades individuales, completamente diferenciadas en los que puedan estar sumergidasa, ¿tienen siempre una estructura simétrica? Si es así, cuando un compuesto dse halla en la Naturaleza o bien se crea en el laboratorio, sus moléculas serán siempre iguales y el compuesto tendrá siempre las mismas propiedades, pero si una molécula está formada por una estructura asimétrica de átomos, sería posible encontrar, o crear en el laboratorio, dos formas completamente distintas del mismo compuesto. Una de ellas contrendría exclusivamente  moléculas orientadas hacia la derecha; la otra, moléculas orientadas hacia la izquierda. Las dos imágenes serían la imagen especular de las de la otra.

          Una molécula con n estereocentros tiene un máximo de 2ⁿ estereoisómeros.

Me gustaría contaros aquí y en este momento, la sensacional historia del descubrimiento de los esteroisómeros pero, no teniendo mucho espacio para finalizar el trabajo, lo dejaré para otra ocasión. Digamos, sin embargo que, el descubrimiento de las moléculas con orientación iaquierda o derecha comenzó en Francia durante la primera parte del siglo XIX. Jean Baptiste Biot, un renombrado físico y químico francés, había descubierto la propiedad de los cristales de cuarzo de desviar un plano de luz polarizada. Una sustancia que tenga esa propiredad se dice que es ópticamente activa.

Bueno amigos lectores, no siempre tenemos que hablar de grandes galaxias y espacios inconmensurables, y, de vez en cuando, conviene bajar a las profundidades del “universo infinitesimal” en el que viven partículas, átomos y moléculas que, como todo en la Naturaleza están sometidas a una serie de leyes que rigen sus comportamientos y, conocerlos, saber lo que allí pueda pasar, es bastante lucrativo para poder aplicar, dichos conocimientos a este mundo macroscópico nuestro y saber, por qué ocurren ciertas cosas en nuestro “gran mundo”.

Ya sabéis: ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas!

emilio silvera

 El Universo y la Vida… ¡Nuestra imaginación!