A partir de la materia inerte…surgió la vida

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos. Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas). La inmensa mayoría de ellas contiene carbono. Debido a su tetravalencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor.

Persiguiendo evidencias que muestren que la vida surgió en la Tierra más de una vez, los científicos buscan microbios radicalmente distintos a todos los organismos conocidos. Si como muchos científicos creen, la vida surge fácilmente bajo las condiciones medioambientales adecuadas, es posible que esta apareciese sobre la Tierra más de una vez. Ahora los investigadores persiguen evidencias de un segundo génesis en busca de microbios exóticos que sean bioquímicamente distintos al resto de organismos conocidos. En la imagen de la derecha (clic para agrandar), el artista Adam Questell ha imaginado una célula alienígena que transporta su material genético en núcleos gemelos.

Refiriéndonos al silicio, señalaremos que las “moléculas” que dicho átomo forma con el oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos poseyendo gran nivel de información, difieren en varios aspectos de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de carbono.

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Sin embargo, no sabemos como puede terminar pero, eso sí, todas ellas son emocionantes y conllevan ese misterio que nos fascina, toda vez que no hemos llegado a comprender, en toda su plenitud, a ninguna de estas historias e incluso, de algunas, desconocemos hasta su comienzo y, por ello, nos vemos en la necesidad de inventarlo. Claro que, lo que sucede primero no es necesariamente el principio.

Esta es la Imagen de la Tierra, nuestro planeta que desde hace cuatro mil millones de años avoge la Vida. Su clima y su topografía varían continuamente, como las especies que viven en él. Y lo que es más espectacular,  hemos dewscubierto que todo el universo de estrellas y galaxias está en un estado de cambio dunámico, en el que grandes cúmulos de galaxias se alejan ybis de otros hacia un futuro que será muy diferente del presente. Ahora sabemos que, vivímos en un tiempo prestado.

Per5o, a pesar del cambio incesante y la dinámica del universo visible, existen aspectos de la fábrica del Universo misteriosos en su inquebrantable constancia. Son esas misteriosas cosas invariables las que hace de nuestro Universo el que es y lo distinguen de otros mundos que pudiéramos imaginar. Cuando se conocen estas misteriosas constantes, podemos percibir que es como si hubiera un hilo dorado que teje una continuidad a través del espacio-tiempo que, inexorable, transcurre en la Naturaleza. Y, tales constancias, nos llevan a pensar que todas las cosas son iguales a lo largo del vasto Universo. Que fueron y serán las mismas en otros tiempos además de hoy.

La velocidad de la luz en el vacío, c, es una de esas misteriosas constancias que perduran a través del tiempo y del espacio, nunca varía. De hecho, quizá sin un substrato semejante de realidades  invariables no podrían existir corrientes superficiales de cambio ni ninguna complejidad de mente y materia. La velocidad de la luz, c, es una constante universal que marca el límite de velocidad del universo en el que nada, ninguna información, puede transmitirse más rápida que la velocidad de la luz. Einstein nos demostró que la velocidad de la luz en el vacío debería actuar como ese límite último de velocidad.

Con razón nos decía Planck: “La ciencia no puede resolver el misterio final de la Naturaleza. Y esto se debe a que, en el último análisis, nosotros mismos somos parte del misterio que estamos tratando de resolver.” 

Y, quizás por eso prcisamente, será necesario que contactemos con otros seres onteligentes, con otras Civilizaciones de fuera de la Tierra para que, nos podamos conocer mejor, ya que, al compararnos con otras especies del Universo, podremos ver con diáfana claridad, quiénes somos que, precisamente, tiene mucho que ver con las constantes del universo, ya que, de ser distintas, no estaríamos aquí.

El mundo que nos rodea es así porque está conformado por esas constantes de la Naturaleza que hacen que las coaas sean como las podemos observar. Le dan al universo su carácter distintivo y lo hace singular, distinto a otros que podría nuestra imaginación inventar. Estos números misteriosos, a la vez que dejan al descubierto nuestros conocimientos, también dejan al desnudo nuestra enorme ignorancia sobre el universo que nos acoge. Las medimos con una precisión cada vez mayor y modelamos nuestros patrones fundamentales de masa y tiempo alrededor de su invarianza; no podemos explicar sus valores.

Nunca nadie ha explicado el valor numérico de ninguna de las constantes de la naturaleza. ¿Recordáis el 137? Ese número puro, adimensional, que guarda los secretos del electrón (e), de la luz (c) y del cuanto de acción (h). Hemos descubierto otros nuevos, hemos relacionado los viejos y hemos entendido su papel crucial para hacer que las cosas sean como son, pero la razón de sus valores sigue siendo un secreto profundamente escondido.

¡Nos queda mucho por descubrir! Pero, es cierto, que algo hemos avanzado y sabemos algunas cosas como, por ejemplo que…

Los campos magnéticos están presentes por todo el Universo. Hasta un diminuto (no por ello menos importante) electrón crea, con su oscilación, su propio campo magnético, y,  aunque pequeño,  se le supone un tamaño no nulo con un radio r_o, llamado el radio clásico del electrón, dado por r₀ = e²/(mc²) = 2,82 x 10^-13 cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente del electrón y c es la velocidad de la luz.

“La creciente distancia entre la imaginación del mundo físico y el mundo de los sentidos no significa otra cosa que una aproximación progresiva al mundo real.” El mundo que nosotros percibimos es “nuestro mundo”, el verdero es diferente y como nos dice Planck en la oración entrecomillada, cada vez estamos más cerca de la realidad, a la que, aunque no nos pueden llevar nuestros sentidos, si no llevarán la intuición, la imaginación y el intelecto.

Está claro que la existencia de unas constantes de la Naturaleza nos dice que sí, que existe una realidad física completamente diferente a las realidades que la Mente humana pueda imaginar. La existencia de esas constantes inmutables dejan en mal lugar a los filósofos positivistas que nos presentan la ciencia como una construcción enteramente humana: puntos precisos organizados de una forma conveniente por una teoría que con el tiempo será reemplazada por otra mejor, más precisa. Claro que, tales pensamientosm quedan fuera de lugar cuando sabemos por haberlo descubierto que, las constantes de la naturaleza han surgido sin que nosotros las hallamos invitado y, ellas se muestran como entidades naturales que no han sido escogidas por conveniencia humana.

Las distintas constantes del Universo han sido puestas a prueba para comprobar si han cambiado a lo largo del tiempo

Los cuásares están entre los objetos más distantes en el universo. La palabra cuásar o “quasar” es una contracción de las palabras “quasi” y “stellar”, por ello son llamados así por su apariencia estelar. El cuásar más lejano hasta ahora es SDSS 1030 +0524 y se halla a unos 13000 millones de años-luz de distancia apenas unos 700 millones después de nacer el universo. La medición de la distancia de estos objetos se toma de la velocidad de alejamiento que presentan, dato que nos lo da el desplazamiento al rojo (z). Se cree que un cuásar nace cuando se fusionan dos galaxias y sus agujeros negros centrales quedan convertidos en este potente y energético objeto.

El cuásar 3C191 fue localizado con un desplazamiento al rojo de 1,95 y por eso su luz salió cuando el universo tenía sólo una quinta parte de su edad actual, hace casi once mil millones de años, llevando información codificada sobre el valor de la constante de estructura fina en ese momento. Con la precisdión de las medidas alcanzables entonces, se encontró que la constante de estructura fina era la misma entonces que ahora dentro de un margen muy pequeño que se puede deber a la imprecisión de la medida:

α (z = 1,95/α(z = 0) = 0,97 ± 0,05

La Constante de la Estructura Fina

Poco después , en 1967, Bahcall y Schmidt observaron un par de líneas de emisión de oxígeno que aparecen en el espectro de cinco galaxias que emiten radioondas, localizadas con un desplazamiento hacia el rojo promedio de 0,2 (emitiendo así su luz hace unos dos mil millones de años: Aproximadamente la época en que el reactor de Oklo estaba activo en la Tierra y obtuvieron un resultado consistente con ausencia de cambio en la constante de estructura fina que era aún diez veces más fuerte:

α (z = 0,2)/α(z = 0) = 1,001 ± 0,002

Estas observaciones excluían rápidamente la propuesto por Gamow de que la constante de estructura fina estaba aumentando linealmente con la edad del universo. Si hubiese sido así, la razón α(z = 0,2)/α(z = 0) debería haberse encontrado con un valor próximo a 0,8.

Una de las cuestiones más controvertidas en la cosmología es porque las constantes fundamentales de la naturaleza parecen finamente ajustadas para la vida. Una de estas constantes fundamentales es la constante de estructura fina o alfa, que es la constante de acoplamiento de la fuerza electromagnética (usualmente denotada g, es un número que determina la fuerza de una interacción) y equivale a 1/137,03599911.

La ilustración muestra cómo los rayos X de un cuasar distante, son filtrados al pasar por una nube de gas intergaláctico. Midiendo la cantidad de la disminución de la luz debido al oxígeno y otros elementos presentes en la nube los astrónomos pudieron estimar la temperatura, densidad y la masa de la nube de gas  (el cuasar PKS 2155-304).

Actualmente, el más potente método utilizado en estos eperimentos dirige todo su potencial en la búsqueda de pequeños cambios  en la absorción por los átomos de luz procedentes de cuásares lejanos.  En lugar de considerar pares de lineas espectrales  en dobletes del mismo elemento, como el silicio,  considera la separación entre líneas causada por la absorción de la luz del cuásar por diferentes elementos químicos en nubes de gas situadas entre el cuásar y nosotros. Y, a todo esto, las cuatro fuerzas fundamentales siguen estando presentes.

No debemos descartar la posibilidad de que, seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el Universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que se cree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.  Todas las estructuras del Universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras, la  atracción (Expansión) y la repulsión (contracción).  Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla, así, el resultado es la estabilidad de la estrella.  En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos.  Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e, ћ, c, G y m_protón.

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y a_G, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro.  Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el Universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales.  Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios.  Los átomos pueden tener propiedades diferentes.  La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas, no se puede llegar a saber porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Es un gran mérito por nuestra parte que, nuestras mentes, puedan haber accedido a ese mundo mágico de la Naturaleza para saber ver primero y desentrañar después, esos números puros y adimensionales que nos hablan de las constantes fundamentales que hacen que nuestro Universo sea como lo podemos observar.

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137.  Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender, me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías.  Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”.  El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza solo por la observación y la experimentación.  Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos.

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben.  En el cartel solo pondría esto: 137.  Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”.

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba.  La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón,  por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck.

Lo más notable de éste número es su adimensionalidad.  La velocidad de la luz, c, es bien conocida y su valor es de 299.792.458 m/segundo, la constante de Planck racionalizada, ћ, es ћ/2 = 1,054589 ×10 julios/segundo, la altura de mi hijo Emilio, el peso de mi amigo Kike (hay que cuidarse), etc., todo viene con sus dimensiones.  Pero resulta que cuando uno combina las magnitudes que componen alfa ¡se borran todas las unidades! El 137 está sólo: se exhibe desnudo a donde va.  Esto quiere decir que los científicos del undécimo planeta de una estrella lejana situada en un sistema solar de la Galaxia Andrómeda, aunque utilicen quién sabe qué unidades para la carga del electrón y la velocidad de la luz y que versión utilicen para la constante de Plancl,  también les saldrá el 137.  Es un número puro.  No lo inventaron los hombres.  Está en la naturaleza, es una de sus constantes naturales, sin dimensiones.

La física se ha devanado los sesos con el 137 durante décadas.  Werner Heisember (el que nos regaló el Principio de Incertidumbre en la Mecánica Cuántica), proclamó una vez que, todas las fuentes de perplejidad que existen en la mecánica cuántica se secarían si alguien explicara de una vez el 137.

¿Por qué alfa es igual a 1 partido por 137? El 137 es un número primo. Su inversa, 1/137, es un valor muy cercano al de la constante alfa, que (según la electrodinámica cuántica) caracteriza la interacción entre fotones y electrones. El nombre técnico de alfa es “constante de estructura fina“, y es una de las constantes físicas cuya predicción teórica mejor coincide con los datos experimentales.

Los físicos han demostrado que el valor de alfa es el que tiene que ser para que exista un Universo como el nuestro. De hecho, si alfa variara apenas un poco (menos del 5%), el carbono no se produciría en los hornos estelares y, la vida, tal como la concemos, estaría ausente.

Nosotros, los humanos del planeta Tierra, sabemos de todas esas cuestiones y la última lección que aprendemos de la manera en que números puros como α definen el mundo es el verdadero significado de que los mundos sean diferentes. El número puro que llamamos constante de estructura fina, e identificamos con α, es una combinación de la carga del electrón, e, la velocidad de la luz, c, y la constante de Planck, h. Inicialmente podríamos estar tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera más lenta sería un mundo diferente. Pero sería un error. Si c, h y c cambian de modo que sus valores que tienen unidades métricas (o cualesquiera otras) fueran diferentes cuando las buscamos en nuestras tablas de constantes físicas pero el valor de alfa (α) permaneciera igual, este nuevo mundo sería observacionalmente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza. Si se duplica el valor de todas las masas, no se puede llegar a saber porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

¡Qué cosas! Tiene la Naturaleza que todo lo hace de manera que nosotros estemos aquí. Bueno, al menos así lo parece.

emilio silvera

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Debido al principio de exclusión de Pauli, es imposible que dos fermiones ocupen el mismo estado cuántico (al contrario de lo que ocurre con los bosones). La condensación Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 2×10^-7º K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos dorman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio. Como ha habréis podido suponer, la condensación Bose-Einstein es llamada así en honor al físico Satyendra Nath Bose (1.894 – 1.974) y a Albert Einstein. Así que, el principio de exclusión de Pauli tiene aplicación no sólo a los electrones, sino también a los fermiones; pero no a los bosones.

Si nos fijamos en todo lo que estamos hablando aquí, es fácil comprender cómo forma un campo magnético la partícula cargada que gira, pero ya no resulta tan fácil saber por qué ha de hacer lo mismo un neutrón descargado. Lo cierto es que cuando un rayo de neutrones incide sobre un hierro magnetizado, no se comporta de la misma forma que lo haría si el hierro no estuviese magnetizado. El magnetismo del neutrón sigue siendo un misterio; los físicos sospechan que contiene cargas positivas y negativas equivalente a cero, aunque por alguna razón desconocida, logran crear un campo magnético cuando gira la partícula.

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¿Sabremos algún día, como son las cosas?

Lo que sucede primero, no es necesariamente el principio. Antes del “principio”, de ese principio que nosotros llamamos Big Bang, tuvieron que suceder muchas cosas que, de momento, no hemos podido llegar a conocer, nos topamos con la oscuridad del Tiempo de Planck, esa infinitesimal fracción en la que, según parece, debieron ocurrir muchas cosas que desconocemos y que, pudiera ser, el verdadero principio de todo.

Siguiendo la estela que dejan las invariancias gauge, gracias a la importante aportación iniciada en 1954 por los trabajos de Yang y Mills, ya se ha conseguido la primera gran unificación, la de la fuerza electrodébil ( electromagnética + débil) que mereció en 1979 el Premio Nobel de Física para sus autores, Glashow, Salam y Eeinberg. Aunque el camino no se encuentra, ni mucho menos, libre de formidables obstáculos, sabemos que las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza están regidas por este tipo de invariancias.que relacionan las fuerzas con la propia geometría de la materia-espacio-tiempo, tal como aspiraba Hermann Weyl . En su libro : “Tiempo, espacio,materia” ( 1922), comentaba con emoción: “… Han llegado a nuestro oído algunos acordes vigorosos de aquella armonía de las esferas con que soñaban Pitágoras y Kepler.” Hay cosas que no cambian nunca, si nos detenemos a recordarlas te puede apetecer hablar de ellas. Hace tiempo, los sucesos que constituían historias eran las irregularidades de la experiencia: lo inesperado, lo catastrófico y lo ominoso.

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Hablaremos ahora del Big Bang, esa teoría aceptada por todos y que nos dice cómo se formó nuestro universo y comenzó su evolución hasta ser como ahora lo conocemos. De acuerdo a esta teoría, el universo se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y desde entonces ha estado siempre expandiéndose. La teoría de la relatividad general predice la existencia de una singularidad en el comienzo, cuando la temperatura y la densidad eran infinitas.

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