Si existen otras dimensiones… ¿Dónde están?

Como siempre nos pasa cuando no sabemos alguna cosa, nuestra imaginación se desboca y plantea mil y una solución de lo que podría ser. , nos ocurre con el Universo y los secretos que aún no hemos podido desvelar. Construimos modelos que nos den una satisfactoria explicación o menos aceptable, buscamos remedio -no pocas veces poniendo “parches”- para cuestiones que no podemos explicar, y nos inventamos escenarios y situaciones que, tampoco sabemos si alguna vez podremos comprobar: materia oscura, agujeros de gusano, universos paralelos…

 

                                                      

 

Cuando oímos la palabra hiperespacio todos pensamos en un lugar por encima, alto, más allá del “espacio normal” de tres dimensiones en el que nos movemos en nuestra vida cotidiana. Y, las ideas se pueden mezclar para confundirnos más, con espacios vectoriales lineales que pueden tener un infinito de dimensiones, como si fuera un espacio de Hilbert. Es como un túnel situado fuera de este mundo nuestro que nos puede llevar hacia regiones lejanas en la galaxia o, incluso, en otras galaxias y hasta en otro universo,  sin tener que recorrer el espacio que de esos lejanos lugares nos separa.

 

         Nuestra fantasía dibuja de mil maneras el Hiperespacio ¿Una puerta a otro lugar?

Michio Kaku, un físico que nos habla de dimensiones extra y de hiperespacio, en una de sus obras comienza diciendo:

                                                   

“¿Existen dimensiones superiores? ¿Están los mundos invisibles más allá de nuestro alcance, más allá de las leyes corrientes de la física? Aunque las dimensiones superiores hayan sido históricamente cosa de charlatanes, místicos y de escritores de ciencia ficción, muchos físicos teóricos creen ahora, no solo que las dimensiones superiores existen, sino que además pueden llegar a explicar algunos de los más profundos secretos de la Naturaleza. Aunque queremos aclarar que no existen evidencias experimentales de la existencia de dimensiones superiores, en principio, pueden llegar a resolver el problema esencial de la física: la unificación de todo el conocimiento físico a un nivel fundamental.”

 

La imagen que vemos arriba es la prueba irrefutable de la grandiosidad del Universo, esa que llaman los Pilares de la Creación tienen la dimensión de  61 mil billones de kilómetros. El mayor de los tres pilares tiene una longitud de unos 4 años luz (38 billones de km) y las pequeñas protuberancias en forma de dedo en los bordes de los pilares son mayores que el Sistema Solar.

 

La Nebulosa Cabeza de Caballo, también conocida como Barnard 33, tiene un tamaño de  unos 3,5 años luz  de ancho  Se encuentra a una distancia de aproximadamente 1500 años luz de la Tierra. Esta nebulosa oscura se ubica en la constelación de Orión, específicamente al lado de la estrella Alnitak.

       Hace mucho tiempo que alguien fantaseó con la Quinta Dimensión

La longitud de Planck es 10^-35 metros, eso es 0.000000000000000000000000000000000016 metros o alrededor de una billonésima de una billonésima de una …

                                               

                                Miro con atención y no consigo ver esas otras dimensiones

¿Dónde, pues, ha de hallarse el universo hiper-dimensional de la simetría perfecta? Ciertamente, no aquí y ahora; el mundo en que vivimos está lleno de simetrías rotas, y sólo tiene cuatro dimensiones, tres de y una temporal. La imaginación que nunca descansa, nos lleva a una en la cosmología, la cual nos dice que el universo super-simétrico, si existió, pertenece al pasado. Como nos decían los autores de la Teoría Kaluza-Klein, esas otras dimensiones se quedaron compactadas cuando el universo se desarrolló y, aunque son parámetros necesarios para las grandes teorías de cuerdas y supercuerdas… ¡No las vemos por ninguna parte!

 

     Hace tiempo ya que buscamos esas otras dimensiones pero,,, ¿Dónde están?

La implicación de eso es que el universo tuvo que comenzar en un estado de perfección simétrica, desde el que evolucionó a este otro universo menos simétrico que conocemos y en el que vivimos. Si es así, la de la simetría perfecta sería la del secreto del origen del universo, y la atención de sus acólitos puede volverse con buenas razones, como las caras de las flores al alba, hacia la blanca luz de la génesis cósmica. Alguna vez hemos podido comentar aquí de aquella simetría primera, cuando todas las fuerzas de la naturaleza estaban unidas en una sola fuerza y, a medida que el universo se enfrió en los infiernos del Big Bang, aquella simetría se rompió, y se desgajó en las cuatro fuerzas que ahora conocemos y, algunos dicen que, se formaron las cuatro dimensiones que podemos ver y, otras, quedaron confinadas en el límite Planck, ese límite que antes mencionamos

De manera que, la simetría, quedó rota para siempre.

 

El satélite  Planck de la ESA  produce la imagen más detallada del universo primigenio

 

Así que las teorías se han embarcado a la de un objeto audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intenso calor del universo en sus primeros tiempos; una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas. Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

Nos empeñamos en tareas que no podemos llevar a buen fin, nos sobrepasa

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 “Nature publica una recreación del experimento E122 de hace 35 años,” LCMF, 06 Feb 2014; “Los quarks se mueven al otro lado del espejo,” Agencia SINC, …

Los quarks al otro lado del espejo. También un Equipo de Científicos del Laboratorio Nacional Jefferson Lab (EEUU) han verificado la rotura de la simetría de paridad (también llamada simetría del espejo) en los quarks mediante el bombardeo de núcleos de deuterio con electrones de alta energía. Los núcleos de deuterio están formados por un protón y un neutrón, es decir, por tres quarks arriba y tres quarks abajo. La dispersión inelástica entre un electrón y un quark, es decir, su colisión, está mediada por la interacción electrodébil, tanto por la fuerza electromagnética como por la fuerza débil. Esta última es la única interacción fundamental que viola la simetría de paridad.

Tenemos que saber cómo la violación de la simetría CP (el proceso que originó la materia) aparece, y, lo que es más importante, hemos de introducir un nuevo fenómeno, al que llamamos campo de Higgs, para preservar la coherencia matemática del modelo estándar.  La idea de Higgs, y su partícula asociada, el bosón de Higgs, cuenta en todos los problemas que he mencionado antes.  Parece, con tantos parámetros imprecisos (19) que, el modelo estándar se mueve bajo nuestros pies.

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “super-gravedad”, “súper-simetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

La Física nos lleva de vez en cuando a realizar viajes alucinantes. Se ha conseguido relacionar y vibrar a dos diamantes en el proceso conocido como entrelazamiento cuántico. El misterioso proceso, al que el propio Eisntein no supo darle comprensión completa, supone el mayor avance la fecha y abre las puertas de la computación cuántica. que nos hagamos una idea del hallazgo, en 1935 Einstein lo llegó a denominar la “acción fantasmal a distancia”. Un efecto extraño en donde se conecta un objeto con otro de manera que incluso si están separados por grandes distancias, una acción realizada en uno de los objetos afecta al otro.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?).  Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal.  Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado! Pero se sigue hablando de partículas super-simétricas.

La longitud de Planck se define como:

donde c es la velocidad de la luz en el vacío, G es la constante de gravitación y  es la Constante de Planck reducida.

Los dos dígitos entre paréntisis son el error estándar estimado, asociado con el valor numérico reportado.

      ¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas? De momento nadie, ni con el LHC han sido vistas

“En todo el dominio de la física clásica que abarca desde la mecánica newtoniana hasta la teoría de la relatividad general se considera que el espacio es un continuum infinitamente divisible y que visto al microscopio es localmente como el espacio euclídeo.

Sin embargo a escalas de longitud tan increíblemente pequeñas como la longitud de Planck se espera que la concepción clásica del espacio como un continuum localmente euclídeo no sea válida y a esas escalas el espacio de hecho tenga algún tipo de comportamiento probabilístico cuántico. Otra situación en la que se espera que los efectos cuánticos sean importantes es cuando la curvatura escalar de Ricci sea del orden del inverso del cuadrado de la longitud de Planck:

Los previsibles efectos cuánticos cuando la curvatura está cercana a ese valor deberán ser tratados mediante algún tipo de teoría cuántica de la gravitación.”

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa.  En el Hiperespacio, todo es posible.  Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intento calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas.  Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello,  no la tiene ni la nueva capacidad energético del  acelerador de partículas LHC . Ni sumando todos los aceleradores de partículas de nuestro mundo, podríamos lograr una energía de Planck (10¹⁹ GeV), que sería necesaria para poder llegar hasta las cuerdas vibrantes de la Teoría. Ni en las próximas generaciones seremos capaces de poder utilizar tal energía.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías. Sabemos sobre las partíoculas elementales que conforman la materia bariónica, es decir, los átomos que se juntan para formar moléculas, sustancias y cuerpos… ¡La materia! Pero, no sabemos si, pudiera haber algo más elemental aún más allá de los Quarks y, ese algo, pudieran ser esas cuerdas vibrantes que no tenemos capacidad de alcanzar.

                   ¡Necesitamos algo más avanzado!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las partículas. Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva muy extraña.  El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo.  El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

                Con 7 TeV ha sido suficiente para encontrar la famosa partícula de Higgs pero…

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs.  Las partículas influidas por este campo, toman masa.  Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético.  Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

Como E=mc², ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo.  Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein.  La masa, m, tiene en realidad dos partes.  Una es la masa en reposo, m₀, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo.  La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos.  Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Peor la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo.  Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad si se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pietez Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo.  El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas -Las masas de los W⁺, W^–, y Z^º, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV.  Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-salam).  Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles.  En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa -los W⁺, W^–, Z^º y fotón que llevan la fuerza electrodébil.  Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa.  La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.  Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

La teoría que explica este tipo de interacciones dentro del protón es la cromodinámica cuántica (QCD, de sus siglas en inglés), que modela como los quarks …

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron.  Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”.  Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.  Una vez potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmariana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia.  Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “re-normalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas.  Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espín de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espín cero.  El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs de masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad.  Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

       Basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D.

Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil.  Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil así

Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino. Este mismo proceso es el responsable del decaimiento radiactivo de algunos núcleos atómicos. Cuando un neutrón se convierte en un protón en el decaimiento radiactivo de un núcleo, aparece un electrón y un neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrines).

La interacción débil, recordareis, fue inventada por Enrico Fermi para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV.  Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas.  ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o solo las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? Como s su partícula, nos cabe esperar que la veamos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

El campo de Higgs, tal y como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Estas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuadro que las partículas y la cosmología pintan juntas de lo que un universo primitivo puso y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10′⁵ grados kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas.  Así por ejemplo, antes de Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

El Universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que engorda los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe.

Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^–, Z⁰, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que las hiciera parecer que tienen mucha masa. Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

De todas las maneras, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que, nos agarramos como a un clavo ardiendo el que se ahoga, en este caso, a la partícula de Higgs que, algunos, han llegado a llamar, de manera un poco exagerada:

¡La partícula Divina! (Como la llamó Lederman en su libro. Bueno, en realidad no fue Lederman sino el editor, el que se empeññó en el nombrecito que ni a Lederman le gustaba-)

¡Ya veremos en que termina todo esto! Y que explicación se nos ofrece desde el CERN en cuanto al auténtico escenario que según ellos, existe en el Universo para que sea posible que las partículas tomen su masa de ese oceáno de Higgs (porque dicen haberla encontrado pero, las explicaciones han sido escasas), en el que, según nuestro amigo Ramón Márquez, las partículas se frenan al interaccionar con el mismo y toman su masa, el lo llama el “efecto frenado”.

Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas.  La utilizaron los teóricos steven Weinberg y Abdus Salam, que trabajaban por separado, para comprender como se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con un fotón carente de masa y la interacción débil con sus W⁺, W^– y Z⁰ de masa grande.  Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glasgow, quien tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martines Veltman y Gerard’t Hooft.  También hay otras a los que había que mencionar, pero lo que siempre pasa, quedan en el olvido de manera muy injusta.  Además, ¿Cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla?

La verdad es que, casi siempre, han hecho falta muchos.  Recordemos el largo recorrido de los múltiples detalle sueltos y físicos que prepararon el terreno para que, llegara Einstein y pudiera, uniéndolos todos, exponer su teoría relativista. (Mach, Maxwell, Lorentz… y otros).

Sobre la idea de Peter Higgs, Veltman, uno de sus arquitectos, dice que es una alfombra bajo la que barremos nuestra ignorancia.  Glasgow es menos amable y lo llamó retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales.  La objeción principal: que no tenemos la menor prueba experimental de ese campo de higgs donde (dicen) que encontraron el bosón dichoso que da masa a las partículas.

Ahora, por fin la tenemos con el LHC, y ésta pega, se la traspasamos directamente a la teoría de supercuerdas y a la materia oscura que, de momento, están en la sombra y no brillan con luz propia, toda vez que ninguna de ellas ha podido ser verificada, es decir, no sabemos si el Universo atiende a lo que en ellas se predice.

El modelo estándar es lo bastante fuerte para decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe “pesar” menos de 1 TeV. ¿Por qué? Si tiene más de 1 TeV, el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.

Después de todo esto, llego a la conclusión de que, el campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra idea de cómo pudo surgir  el Universo no dependen de que se encontró el bosón de Higgs o se averigüe si realmente existe la materia oscura, Aunque sepamos llegar al fondo de la Teoría de Cuerdas y confirmarla, Poder crear esa Teoría cuántica de la Gravedad…Y, en fín, seguir descubriendo los muchos misterios que no nos dejan saber lo que el Universo es.  Ahora, por fin, tenemos grandes aceleradores y Telescopios con la energía necesaria y las condiciones tecnológicas suficientes para que nos muestre todo eso que queremos saber y nos digan dónde reside esa verdad que incansables perseguimos. Sin embargo, siempre seguiremos haciendo preguntas y siempre, también, serán insuficientes, los aparatos que podamos construir para que nos digan como es el Universo y cómo funciona la Naturaleza. Saberlo todo, nunca sabremos.

¡La confianza en nosotros mismos, no tiene límites! Pero, no siempre ha estado justificada.

Emilio Silvera V.

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Cuando Einstein irrumpió en la Física, nadie le conocía y sólo era un oscuro empleado de la Oficina de Patentes de Berna en Suiza. Él, sin embargo, no había dejado de estar al día y seguí todo aquello que se pudiera mover en relñación a su pasión: La Física. Los escritos de Mach, de Lorentz, de Maxwell, de Planck… Todo ello le llevó a elaborar su famosa teoría relativista que convulsionó el mundo de la ciencia y, si me apuras mucho, hasta el ámbito filosófico cambió a partir de la relatividad. Una teoría que venía a decir cosas increíbles como que la masa era energía congelada, que la luz marcaba el límite de la velocidad del universo, o, que el tiempo se ralentizaba si se marcha a velocidades cercanas a c. Esos extraños postulados no fueron, en un principio, bien entendidos por la física del momento.

                E = mc² 

La masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa

Manuscrito de Einstein con la fórmula de la Teoría de la Relatividad. Cuando esto se dio a conocer al mundo, muchos miraron escépticos la fórmula y las implicaciones que de ella se podrían derivar, aquello podría cambiar lo firmemente establecido: ¡sacrilegio! ¿Qué será de la Física si hacemos caso a lo que diga cualquiera?

La abundancia cósmica de elementos

Se encuentran elementos esenciales para la vida alrededor de una estrella joven. Usando el radiotelescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), un grupo de astrónomos detectó moléculas de azúcar presentes en el gas que rodea a una estrella joven, similar al sol. Esta es la primera vez que se ha descubierto azúcar en el espacio alrededor de una estrella de estas características. Tal hallazgo demuestra que los elementos esenciales para la vida se encuentran en el momento y lugar adecuados para poder existir en los planetas que se forman alrededor de la estrella.

La abundancia, distribución y comportamiento de los elementos químicos en el Cosmos es uno de los tópicos clásicos de la astrofísica y la cosmoquímica. En geoquímica es también importante realizar este estudio ya que:

– Una de las principales finalidades de la Geoquímica es establecer las leyes que rigen el comportamiento, distribución, proporciones relativas y relaciones entre los distintos elementos químicos.

– Los datos de abundancias de elementos e isótopos en los distintos tipos de estrellas nos van a servir para establecer hipótesis del origen de los elementos.

– Los datos de composición del Sol y las estrellas nos permiten establecer hipótesis sobre el origen y evolución de las estrellas. Cualquier hipótesis que explique el origen del Sistema Solar debe explicar también el origen de la Tierra, como planeta de dicho Sistema Solar.

– Las distintas capas de la Tierra presentan abundancias diferentes de elementos. El conocer la abundancia cósmica nos permite tener un punto de referencia común. Así, sabiendo cuales son las concentraciones normales de los elementos en el cosmos las diferencias con las abundancia en la Tierra nos pueden proporcionar hipótesis de los procesos geoquímicos que actuaron sobre la Tierra originando migraciones y acumulaciones de los distintos elementos, que modificaron sus proporciones y abundancias respecto al Cosmos.

La tabla periódica de los elementos es un arreglo sumamente ingenioso que permite presentar de manera lógica y estructurada las más simples sustancias de las que se compone todo: absolutamente todo lo que conocemos. Todos los elementos que conocemos, e incluso con lo que todavía no nos hemos encontrado, tienen un lugar preciso en ella, cuya posición nos permite conocer muchas de sus características. Ese grupo de casi cien ingredientes permite crear cualquier cosa. Pero no siempre fue así.

      Me gusta la Gran Nebulosa de Orión. En ella se encuentran muchas cosas, historias de sucesos pasados y de futuro, formación de estrellas y de nuevos sistemas planetarios….

La materia cósmica comprende: Gas interestelar, de muy baja densidad (10^-24 g/cm³) y Nébulas gaseosas o nubes de gas interestelar y polvo.

Las nébulas gaseosas se producen cuando una porción del medio interestelar está sujeta a radiación por una estrella brillante y muy caliente, hasta tal punto se ioniza que se vuelve fluorescente y emite un espectro de línea brillante (que se estudian por métodos espectroscopios). Por ejemplo las nébulas de “Orión” y “Trífidos”. Las ventajas de estas nébulas difusas para el estudio de las abundancias son:

‑ Su uniformidad de composición.

‑ El que todas sus partes sean accesibles a la observación, al contrario de lo que ocurre en las estrellas.

También tiene desventajas:

‑ Solo se observan las líneas de los elementos más abundantes.

‑ Cada elemento se observa solo en uno o pocos estadios de ionización aunque puede existir en muchos.

‑ La mayoría de las nébulas exhiben una estructura filamentosa o estratiforme  es decir que ni la D ni la T son uniformes de un punto a otro. A partir del medio interestelar (gas interestelar y nébulas gaseosas) se están formando continuamente nuevas estrellas.

                               Las estrellas se forman a partir del gas y el polvo de las Nebulosas

En las estrellas podemos encontrar muchas respuestas de cómo se forman los elementos que conocemos. Primero fue en el hipotético big bang donde se formaron los elementos más simples: Hidrógeno, Helio y Litio. Pasados muchos millones de años se formaron las primeras estrellas y, en ellas, se formaron elementos más complejos como el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno.

Los elementos más pesados se tuvieron que formar en temperaturas mucho más altas, en presencia de energías inmensas como las explosiones de las estrellas moribundas que, a medida que se van acercando a su final forman materiales como: Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc, Plomo, Torio…Uranio. La evolución cósmica de los elementos supone la formación de núcleos  simples en el Big Bang y la posterior fusión de estos núcleos ligeros para formar núcleos más pesados y complejos en el interior de las estrellas y en la transición de fase de las explosiones supernovas.

                    Sir Fred Hoyle descubridor del Efecto Triple Alfa que forma Carbona en las estrellas

No me parece justo hablar de los elementos sin mencionar a Fred Hoyle y su inmensa aportación al conocimiento de cómo se producían en las estrellas. Él era temible y sus críticas de la teoría del Big Bang hizo época por su mordacidad. Hoyle condenó la teoría por considerarla epistemológicamente estéril, ya que parecía poner una limitación temporal inviolable a la indagación científica: el Big Bang era una muralla de fuego, más allá de la cual la ciencia de la época no sabía como investigar. Él no concebía y juzgó “sumamente objetable que las leyes de la física nos condujeran a una situación en la que se nos prohíbe calcular que ocurrió en cierto momento del tiempo”. En aquel momento, no estaba falto de razón.

“Fred Hoyle (Bingley, Yorkshire, Inglaterra, 24 de junio de 1915-Bournemouth, Inglaterra, 20 de agosto de 2001)​ fue un astrónomo británico conocido principalmente por su teoría de la nucleosíntesis estelar y sus posturas, a menudo controvertidas sobre otros asuntos cosmológicos y científicos, especialmente su rechazo a la teoría del Big Bang. El Postulaba la Teoría de un Universo Estacionario”.

Pero no es ese el motivo de mencionarlo aquí, Hoyle tenía un dominio de la física nuclear nunca superado entre los astrónomos de su generación, había empezado a trabajar en la cuestión de las reacciones de la fusión estelar a mediado de los cuarenta. Pero había publicado poco, debido a una batalla continua con los “árbitros”, colegas anónimos que leían los artículos y los examinaban para establecer su exactitud, cuya hostilidad a las ideas más innovadoras de Hoyle hizo que éste dejara de presentar sus trabajos a los periódicos. Hoyle tuvo que pagar un precio por su rebeldía, cuando, en 1951, mientras él, permanecía obstinadamente entre bastidores, Ernest Opik y Edwin Sepeter hallaron la síntesis en las estrellas de átomos desde el Berilio hasta el Carbono. Lamentando la oportunidad perdida, Hoyle rompió entonces su silencio y en un artículo de 1954 demostró como las estrellas gigantes rojas podían corvertir Carbono en Oxígeno 16.

        El Sol, dentro de 5.000 millones de años, será una Gigante roja primero y una enana blanca después

Pero, sigamos con la historia de Hoyle. Quedaba aún el obstáculo insuperable del hierro. El hierro es el más estable de todos los elementos; fusionar núcleos de hierro para formar núcleos de un elemento más pesado consume energía en vez de liberarla; ¿cómo,  pues, podían las estrellas efectuar la fusión del hierro y seguir brillando? Hoyle pensó que las supernovas podían realizar la tarea, que el extraordinario calor de una estrella en explosión podía servir para forjar los elementos más pesados que el hierro, si el de una estrella ordinaria no podía. Pero no lo pudo probar.

Luego, en 1956, el tema de la producción estelar de elementos recibió nuevo ímpetu cuando el astrónomo norte-americano Paul Merril identificó las reveladoras líneas del Tecnecio 99 en los espectros de las estrellas S. El Tecnecio 99 es más pesado que el hierro. También es un elemento inestable, con una vida media de sólo 200.000 años. Si los átomos de Tecnecio que Merril detectó se hubiesen originado hace miles de millones de años en el Big Bang, se habrían desintegrado desde entonces y quedarían hoy muy pocos de ellos en las estrellas S o en otras cualesquiera. Sin embargo, allí estaban. Evidentemente, las estrellas sabían como construir elementos más allá del hierro, aunque los astrofísicos no lo supiesen.

           Estrella muy evolucionada, dependiendo de sus masas,  se transforman en otra cosa

Las estrellas de tecnecio son estrellas cuyo espectro revela la presencia del elemento tecnecio. Las primeras estrellas de este tipo fueron descubiertas en 1952, proporcionando la primera prueba directa de la nucleosíntesis estelar, es decir, la fabricación de elementos más pesados a partir de otros más ligeros en el interior de las estrellas. Como los isótopos más estables de tecnecio tienen una vida media de sólo un millón de años, la única explicación para la presencia de este elemento en el interior de las estrellas es que haya sido creado en un pasado relativamente reciente. Se ha observado tecnecio en algunas estrellas M, estrellas MS, estrellas MC, estrellas S, y estrellas C.

Estimulado por el descubrimiento de Merril, Hoyle reanudó sus investigaciones sobre la nucleosíntesis estelar. Era una tarea que se tomó muy en serio. De niño, mientras se ocultaba en lo alto de una muralla de piedra jugando al escondite, miró hacia lo alto, a las estrellas, y resolvió descubrir qué eran, y el astrofísico adulto nunca olvidó su compromiso juvenil. Cuando visitó el California Institute Of Technology, Hoyle estuvo en compañía de Willy Fowler, un miembro residente de la facultad con un conocimiento enciclopédico de la física nuclear, y Geoffrey y Margaret Burbidge, un talentoso equipo de marido y mujer que, como Hoyle, eran escépticos ingleses en la relativo al Big Bang.

Hubo un cambio cuando Geoffrey Burbidge, examinando datos a los que recientemente se había eximido de las normas de seguridad de una prueba atómica en el atolón Bikini, observó que la vida media de uno de los elementos radiactivos producidos por la explosión, el californio 254, era de 55 días. Esto sonó familiar: 55 días era justamente el período que tardó en consumirse una supernova que estaba estudiando Walter Baade. El californio es uno de los elementos más pesados; si fuese creado en el intenso calor de estrellas en explosión, entonces, seguramente los elementos situados entre el hierro y el californio -que comprenden, a fin de cuentas, la mayoría de la Tabla Periódica- también podrían formarse allí. Pero ¿cómo?.

                               Nucleosíntesis estelar

Las estrellas que son unas ocho veces más masivas que el Sol representan sólo una fracción muy pequeña de las estrellas en una galaxia espiral típica. A pesar de su escasez, estas estrellas juegan un papel importante en la creación de átomos complejos y su dispersión en el espacio. Son las estrellas masivas que causantes de las explosiones Supernovas y, las estrellas más pequeñas como nuestro Sol, simplemente crean Nebulosas planetarias que tienen una enana blanca en el centro que, con el tiempo se enfría, deja de emitir radiación y se convierte en un cadáver estelar.

Elementos necesarios como carbono, oxígeno, nitrógeno, y otros útiles, como el hierro y el aluminio. Elementos como este último, que se cocinan en estas estrellas masivas en la profundidad de sus núcleos estelares, puede ser gradualmente dragado hasta la superficie estelar y hacia el exterior a través de los vientos estelares que soplan impulsando los fotones. O este material enriquecido puede ser tirado hacia afuera cuando la estrella agota su combustible termonuclear y explota. Este proceso de dispersión, vital para la existencia del Universo material y la vida misma, puede ser efectivamente estudiado mediante la medición de las peculiares emisiones radiactivas que produce este material. Las líneas de emisión de rayos gamma del aluminio, que son especialmente de larga duración, son particularmente apreciadas por los astrónomos como un indicador de todo este proceso. El gráfico anterior muestra el cambio predicho en la cantidad de un isótopo particular de aluminio, Al26, para una región de la Vía Láctea, que es particularmente rica en estrellas masivas. La franja amarilla es la abundancia de Al26 para esta región según lo determinado por el laboratorio de rayos gamma INTEGRAL. La coincidencia entre la abundancia observada y la predicha por el modelo re-asegura a los astrónomos de nuestra comprensión de los delicados lazos entre la evolución estelar y la evolución química galáctica.

Pero sigamos con la historia recorrida por Hoyle y sus amigos. Felizmente, la naturaleza proporcionó una piedra Rosetta con la cual Hoyle y sus colaboradores podían someter a prueba sus ideas, en la forma de curva cósmica de la abundancia. Ésta era un gráfico del peso de los diversos átomos -unas ciento veinte especies de núcleos, cuando se tomaban en cuanta los isótopos- en función de su abundancia relativa en el universo, establecido por el estudio de las rocas de la Tierra, meteoritos que han caído en la Tierra desde el espacio exterior y los espectros del Sol y las estrellas.

Supernova que calcina a un planeta cercano. Ahí, en esa explosión se producen transiciones de fase que producen materiales pesados y complejos. En una supernova, en orden decreciente tenemos la secuencia de núcleos H, He, O, C, N, Fe, que coincide bastante bien con una ordenación en la tabla periódica que es: H, He, (Li, Be, B) C, N, O… Fe.

¿Apreciáis la maravilla?

Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del universo y… de la vida inteligente. Esos materiales para la vida sólo se pudieron fabricar el las estrellas, en sus hornos nucleares y en las explosiones supernovas al final de sus vidas. Esa era la meta de Hoyle, llegar a comprender el proceso y, a poder demostrarlo.

“El problema de la síntesis de elementos -escribieron- está estrechamente ligado al problema de la evolcuión estelar.” La curva de abundancia cósmica de elementos que mostraba las cantidades relativas de las diversas clases de átomos en el universo a gran escala. Pone ciertos límites a la teoría de cómo se formaron los elementos, y, en ella aparecen por orden creciente:

El Cosmos es un gran laboratorio estelar de elementos que se crea por nucleosíntesis en las estrellas

Como reseñamos antes la lista sería Hidrógeno, Helio, Carbono, Litio, Berilio, Boro, Oxígeno, Neón, Silicio, Azufre, Hierro (damos un salto), Plomo, Torio y Uranio. Las diferencias de abundancias que aparecen en los gráficos de los estudios realizados son grandes -hay, por ejemplo, dos millones de átomos de níquel por cada cuatro átomos de plata y cincuenta de tunsgteno en la Via Láctea- y por consiguiente la curva e abundancia presenta una serie de picos dentados más accidentados que que la Cordillera de los Andes. Los picos altos corresponden al Hidrógeno y al Helio, los átomos creados en el big bang -más del p6 por ciento de la materia visible del universo- y había picos menores pero aún claros para el Carbono, el Oxígeno, el Hierro y el Plomo. La acentuada claridad de la curva ponía límites definidos a toda teoría de la síntesis de elementos en las estrellas. Todo lo que era necesario hacer -aunque dificultoso) era identificar los procesos por los cuales las estrellas habían llegado preferentemente a formar algunos de los elementos en cantidades mucho mayores que otros. Aquí estaba escrita la genealogía de los átomos, como en algún jeroglífico aún no traducido: “La historia de la materia, dijeron Hoyle, Fwler y los Burbidge_…”está oculta en la distribución de la abundancia de elementos”

               En el Big Bang: Hidrógeno, Helio, Litio.

En las estrellas de la serie principal: Carbono, Nitrógeno, Oxígeno.

En las estrellas moribundas: Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc, Plomo, Torio y Uranio.

Como habeis podido comprobar, nada sucede por que sí, todo tiene una explicación satisfactoria de lo que, algunas veces, decimos que son misterios escondidos de la Naturaleza y, sin embargo, simplemente se trata de que, nuestra ignorancia, no nos deja llegar a esos niveles del saber que son necesarios para poder explicar algunos fenómenos naturales que, exigen años de estudios, observaciones, experimentos y, también, mucha imaginación.

         En la imagen de arriba se refleja el proceso Triple Alpha descubierto por Hoyle:

Amigos míos, son las 5,53 h., me siento algo cansado de teclear y me parece que con los datos aquí expuestos podéis tener una idea bastante buena de la formación de elementos en el cosmos y de cómo las estrellas son las máquinas creadoras de la materia cada vez más compleja y, el Universo, nos muestra de qué mecanismos se vale para poder traer elementos que más tarde formarán parte de los planetas, de los objetos en ellos presentes y, de la Vida.

Emilio Silvera V.

[?]

Tenemos carencias de avanzadas tecnologías que nos permitan “llegar” a poder “leer” los datos de los planetas que vamos descubriendo. Ahora es el tránsito el que nos permite saber de la existencia de otros mundos alrededor de las estrellas. Sin embargo, eso no es suficiente para saber si, en algunos de ellos, existen formas de vida.

Claro que, si en  nuestra Galaxia existen 30.000 millones de estrellas como el Sol, y, si la mayoría de ellas tienen sus propios planetas orbitándolas, podemos suponer que muchas de ellas habrán caído en la zona habitable, y, si es así (que lo ser´)… ¡La vida estará servida!

Emilio Silvera V.

[?]

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún a años-luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar. Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos, pero que tampoco sabemos, en realidad, a qué son debidas. Sí, sabemos ponerles etiquetas como la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio, y con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos.

Los elementos transuránicos o elementos transuránicos son elementos químicos con número atómico mayor que 92, el número atómico del elemento uranio. ​ El nombre de trans-uránidos significa «más allá del uranio». Posición en la tabla periódica del uranio.

¿Cuáles son los elementos transuránicos?

¿Qué significa transuránicos?

1″Dicho de un elemento: Que ocupa un lugar superior al uranio en la tabla periódica, es inestable y ha sido obtenido artificialmente. El nombre de trans-uránidos significa «más allá del uranio.

los elementos con gran número atómico tienen una probabilidad alta de haber sido generados de forma artificial, otros son extremadamente raros y por lo tanto han sido descubiertos mediante investigaciones científicas, y otros por el contrario no han existido anteriormente, como el plutonio y el neptunio, de los cuales ninguno tiene existencia natural sobre la tierra.

Pongamos un ejemplo de cómo hemos hallado un elemento transuránico.

Resulta que del Uranio 235 (que es el bueno para fisión nuclear), en la Tierra solo existe un 7 por mil, el resto del uranio es 238, inservible para la fisión nuclear, es como la madera mojada que no arde.

Como se necesita mucho combustible nuclear de fisión,  hemos utilizado un Reactor Generador y en la base se ha puesto unos kilos de Uranio 235 que es el bueno para la fisión nuclear, seguidamente se ha colocado una cantidad 8 veces mayor de Uranio 238 (que no vale como combustible nuclear de fisión), y, se pone en marcha el Reactor, de tal manera que con neutrones lentos del Uranio 235 se bombardea al Uranio 238.

Resultado:

El resultado es que, el Uranio 238 se ha convertido en Plutonio 239 (que sí es idóneo para la fisión nuclear).

¡Lo que no trasmine la imaginación humana!

El torio se presenta en la Naturaleza  básicamente como un único isótopo Th-232, en un 100%.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta. En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de su ruptura, sobrepasando a la emisión de partículas alfa. ¡Parece que la materia está viva! Son muchas las cosas que desconocemos, y nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.

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

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