Cuando pensamos en la edad y el tamaño del universo lo hacemos generalmente utilizando medidas de tiempo y espacio como años, kilómetros o años-luz. Como ya hemos visto, estas medidas son extraordinariamente antropomórficas. ¿Por qué medir la edad del universo con un “reloj” que hace “tic” cada vez que nuestro planeta completa una órbita alrededor de su estrella madre, el Sol? ¿Por qué medir su densidad en términos de átomos por metro cúbico? Las respuestas a estas preguntas son por supuesto la misma: porque es conveniente y siempre lo hemos hecho así.

 A medida que examinamos volúmenes cada vez mayores del Universo, la densidad de material que encontramos sigue disminuyendo hasta que salimos de las dimensiones de los cúmulos de galaxias. Cuando llegamos a dicha escala, la acumulación de materia empieza a desvanecerse y se parece cada vez más a una minúscula perturbación aleatoria de un mar uniforme de materia, con una densidad de aproximadamente un átomo por cada metro cúbico.

 A medida que buscamos en las mayores dimensiones visibles del Universo, encontramos que las desviaciones de la uniformidad perfecta de la materia y la radiación se quedan en un bajo nivel de sólo una parte en cien mil. Esto nos muestra que el Universo no es lo que se ha llegado a conocerse como un fractal, en donde la acumulación de materia en cada escala parece una imagen ampliada de la escala superior siguiente.

Que el Universo posea una densidad muy baja no es un accidente. La expansión del Universo relaciona su tamaño y su edad con la atracción gravitatoria del material que contiene. Para que el Universo se expanda el tiempo suficiente para permitir que los ladrillos de la vida se formen en los interiores de las estrellas debe tener una edad de miles de millones de años. Esto significa que debe tener una extensión de de miles de millones de años luz y poseer una densidad de materia promedio muy pequeña y una temperatura muy baja.

¡Vaya! No era a esta clase de medidas a las que me refiero abajo que son unidades “naturales” para medir masa, longitud y tiempo.

Ésta es una situación en donde resulta especialmente apropiado utilizar las unidades “naturales”; la masa, longitud y tiempo de Stoney y Planck, las que ellos introdujeron en la ciencia física para ayudarnos a escapar de la camisa de fuerza que suponía la perspectiva centrada e el ser humano.

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

Después de identificar las galaxias en imágenes bidimensionales como la mostrada arriba a la derecha, se mide la distancia para crear el mapa tridimensional. El SDSS actualmente reporta información en tres dimensiones para más de 200 000 galaxias, rivalizando con el conteo de galaxias en 3D del mapa celeste de Campo en Dos Grados.

La edad actual del universo visible ≈ 10⁶⁰ tiempos de Planck

Tamaño actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ longitudes de Planck

La masa actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ masas de Planck

Vemos así que la bajísima densidad de materia en el universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del universo visible ≈10^-120 de la densidad de Planck

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto es, por tanto

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10^-30 de la Planck

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el universo está estructurado en una escala sobrehumana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones, el universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del universo en “tics” de Tiempo de Planck,  hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

         La vida que surgió en el planeta Tierra a partir del polvo de estrellas

¿Por qué nuestro universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme para el tiempo en el universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habrían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

                En lugares como este se forman los elementos de la vida

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre las atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y, a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagar infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen serias amenazas exteriores.

Esta marca oscura y estirada es la última cicatriz de impacto de Júpiter, un penacho de restos creado mientras un pequeño asteroide o un cometa se desintegraba tras zambullirse en el interior de la atmósfera del gigante gaseoso.

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una seria y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra, habiendo tenido efectos catastróficos.  Somos afortunados al tener la protección de la Luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta. La caída en el planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución.

Cuando comento este tema no puedo evitar el recuerdo del meteorito caído en la Tierra que impactó en la península de Yucatán hace 65 millones de años, al final de la Era Mesozoica, cuando según todos los indicios, los dinosaurios se extinguieron. Sin embargo, aquel suceso catastrófico para los grandes lagartos, en realidad supuso que la Tierra fue rescatada de un callejón sin salida evolutivo. Parece que los dinosaurios evolucionaron por una vía que desarrollaba el tamaño físico antes que el tamaño cerebral.

La desaparición de los dinosaurios junto con otras formas de vida sobre la Tierra en aquella época, hizo un hueco para la aparición de los mamíferos. Se desarrolló la diversidad una vez desaparecidos los grandes depredadores. Así que, al menos en este caso concreto, el impacto nos hizo un gran favor, ya que hizo posible que 65 millones de años más tarde pudiéramos llegar nosotros. Los dinosaurios dominaron el planeta durante 150 millones de años; nosotros, en comparación, llevamos tres días y, desde luego, ¡la que hemos formado!

Despues de los Dinosaurios surgieron otras formas de vida que, evolucionadas, llegaron hasta aquí (arriba la muestra).

En nuestro sistema solar la vida se desarrolló por primera vez sorprendentemente pronto tras la formación de un entorno terrestre hospitalario.  Hay algo inusual en esto. El secreto reside en el tiempo biológico necesario para desarrollar la vida y el tiempo necesario para desarrollar estrellas de segunda generación y siguientes que en novas y supernovas cristalicen los materiales complejos necesarios para la vida, tales como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono, etc.

Parece que la similitud en los “tiempos” no es una simple coincidencia.  El argumento, en su forma más simple, lo introdujo Brandon Carter y lo desarrolló John D. Barrow por un lado y por Frank Tipler por otro. Al menos, en el primer sistema solar habitado observado, ¡el nuestro!, parece que sí hay alguna relación entre t(bio) y t(estrella) que son aproximadamente iguales; el t(bio) – tiempo biológico para la aparición de la vida – algo más extenso.

Muchos son los parámetrtos a tener en cuenta para llegar a la formación de nuestra atmósfera planetaria y todo el ecosistema que tenemos y del que podemos disfrutar. Claro que, nadie cae en la cuenta de que, eso lo tenemos y es posible, gracias a unos “seres” infinitesimales,los procariotas que realizan el “milagro”.

La evolución de una atmósfera planetaria que sustente la vida requiere una fase inicial durante la cual el oxígeno es liberado por la fotodisociación de vapor de agua. En la Tierra esto necesitó 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosférico a aproximadamente una milésima de su valor actual.  Cabría esperar que la longitud de esta fase fuera inversamente proporcional a la intensidad de la radiación en el intervalo de longitudes de onda del orden de 1000-2000 ángstroms, donde están los niveles moleculares clave para la absorción de agua.

Este simple modelo indica la ruta que vincula las escalas del tiempo bioquímico de evolución de la vida y la del tiempo astrofísico que determina el tiempo requerido para crear un ambiente sustentado por una estrella estable que consume hidrógeno en la secuencia principal y envía luz y calor a los planetas del Sistema Solar que ella misma forma como objeto principal.

A muchos les cuesta trabajo admitir la presencia de vida en el universo como algo natural y corriente, ellos abogan por la inevitabilidad de un universo grande y frío en el que es difícil la aparición de la vida, y en el supuesto de que ésta aparezca, será muy parecida a la nuestra.

                                              Aurora boreal

Formacion de Auroras Boreales y Australes, Cinturones de Van Allen, Ciclo del Agua, Formacion de Nubes, Tipos de Nubes, Cristales de Hielo y Nieve, Niebla, Vientos, Ciclones y Anticlones, Formacion de Tornados, Formacion de Huracanes, Relampagos, Refraccion de la Luz, Corrientes Oceanicas, Capa de Ozono, Patrones de Temperatura, Patrones Precipitacion, Origen de la Atmosfera, Termometro, Termimetro, Barometro, Pluviometro.

Los biólogos, sin embargo, parecen admitir sin problemas la posibilidad de otras formas de vida, pero no están tan seguros de que sea probable que se desarrollen espontáneamente, sin un empujón de formas de vida basadas en el carbono. La mayoría de las estimaciones de la probabilidad de que haya inteligencias extraterrestres en el universo se centran en formas de vida similares a nosotros que habiten en planetas parecidos a la Tierra y que necesiten agua y oxígeno o similar con una atmósfera gaseosa y las demás condiciones de la distancia entre el planeta y su estrella, la radiación recibida, etc. En este punto, parece lógico recordar que antes de 1.957 se descubrió la coincidencia entre los valores de las constantes de la Naturaleza que tienen importantes consecuencias para la posible existencia de carbono y oxígeno, y con ello para la vida en el universo.

Múltiples formas de vida, tanto macro como microscópicas, están presentes en nuestro planeta, y, de la misma manera, lo estarán en otros que, estando en la zona habitable de su estrella, tengan condiciones similares o parecidas a las nuestras.

Hay una coincidencia o curiosidad adicional que existe entre el tiempo de evolución biológico y la astronomía. Puesto que no es sorprendente que las edades de las estrellas típicas sean similares a la edad actual del universo, hay también una aparente coincidencia entre la edad del universo y el tiempo que ha necesitado para desarrollar formas de vida como nosotros.

Si miramos retrospectivamente cuánto tiempo han estado en escena nuestros ancestros inteligentes (Homo Sapiens) vemos que han sido sólo unos doscientos mil años, mucho menos que la edad del universo, trece mil millones de años, o sea, menos de dos centésimos de la Historia del Universo.  Pero si nuestros descendientes se prolongan en el futuro indefinidamente, la situación dará la vuelta y cuando se precise el tiempo que llevamos en el universo, se hablará de miles de millones de años.

Brandon Carter y Richard Gott han argumentado que esto parece hacernos bastante especiales comparados con observadores en el futuro muy lejano.

                            Como decía Peter Kolosimo… “Hay otros mundos pero están en este”

A veces, nuestra imaginación dibuja mundos de ilusión y fantasía pero,  en realidad… ¿serán sólo sueños?, o, por el contrario, pudieran estar en alguna parte del Universo todas esas cosas que imaginamos que pudieran estar presentes en otros mundos lejanos que, como el nuestro…posibilito la llegada de la vida.

Podríamos imaginar fácilmente números diferentes para las constantes de la Naturaleza de forma tal que los mundos también serían distintos al planeta Tierra y la vida no sería posible en ellos. Aumentemos la constante de estructura fina más grande y no podrá haber átomos, hagamos la intensidad de la gravedad mayor y las estrellas agotarán su combustible muy rápidamente, reduzcamos la intensidad de las fuerzas nucleares y no podrá haber bioquímica, y así sucesivamente.

Hay cambios infinitesimales que seguramente podrían ser soportados sin notar cambios perceptibles, como por ejemplo en la vigésima cifra decimal de la constante de estructura fina. Si el cambio se produjera en la segunda cifra decimal, los cambios serían muy importantes. Las propiedades de los átomos se alteran y procesos complicados como el plegamiento de las proteínas o la replicación del ADN pueden verse afectados de manera adversa. Sin embargo, para la complejidad química pueden abrirse nuevas posibilidades. Es difícil evaluar las consecuencias de estos cambios, pero está claro que, si los cambios consiguen cierta importancia, los núcleos dejarían de existir, no se formarían células y la vida se ausentaría del planeta, siendo imposible alguna forma de vida.

Las constantes de la naturaleza ¡son intocables!

Un equipo de astrónomos ha conseguido encontrar una vasta reserva de gas intergaláctico situada a unos 400 millones de años luz de la Tierra en la que podría encontrarse la “materia perdida” del Universo que los científicos llevan años buscando.

          Miles de millones de galaxias formadas a lo largo de miles de millones de años

Ahora sabemos que el universo tiene que tener miles de millones de años para que haya transcurrido el tiempo necesario par que los ladrillos de la vida sean fabricados en las estrellas y la gravitación nos dice que la edad del universo esta directamente ligada con otras propiedades como la densidad, temperatura, y el brillo del cielo.

Puesto que el universo debe expandirse durante miles de millones de años, debe llegar a tener una extensión visible de miles de millones de años luz. Puesto que su temperatura y densidad disminuyen a medida que se expande, necesariamente se hace frío y disperso. Como hemos visto, la densidad del universo es hoy de poco más que 1 átomo por m³ de espacio. Traducida en una medida de las distancias medias entre estrellas o galaxias, esta densidad tan baja muestra por qué no es sorprendente que otros sistemas estelares estén tan alejados y sea difícil el contacto con extraterrestres. Si existen en el universo otras formas de vía avanzada, entonces, como nosotros, habrán evolucionado sin ser perturbadas por otros seres de otros mundos hasta alcanzar una fase tecnológica avanzada.

La expansión del universo es precisamente la que ha hecho posible que el alejamiento entre estrellas, con sus enormes fuentes de radiación, no incidieran en las células orgánicas que más tarde evolucionarían hasta llegar a nosotros. Diez mil millones de años de alejamiento continuado y el enfriamiento que acompaña a dicha expansión permitieron que, con la temperatura ideal y una radiación baja, los seres vivos continuaran su andadura en este planeta minúsculo, situado en la periferia de la galaxia que comparado al conjunto de esta, es sólo una mota de polvo donde unos insignificantes seres laboriosos, curiosos y osados, son conscientes de estar allí y están pretendiendo determinar las leyes, no ya de su mundo o de su galaxia, sino que su osadía ilimitada les lleva a pretender conocer el destino de todo el universo.

El ser humano ha hecho un largo recorrido para ahora sentirse insignificante.

Cuando a solas pienso en todo esto, la verdad es que no me siento nada insignificante y nada humilde ante la inmensidad de los cielos. Las estrellas pueden ser enormes y juntas, formar inmensas galaxias… pero no pueden pensar ni amar; no tienen curiosidad, ni en ellas está el poder de ahondar en el porqué de las cosas. Nosotros sí podemos hacer todo eso y más.

La estructura de los átomos y las moléculas está controlada casi por completo por dos números: la razón entre las masas del electrón y el protón, b, que es aproximadamente igual a 1/1.836, y la constante de estructura fina, a, que es aproximadamente 1/137. Supongamos que permitimos que estas dos constantes cambien su valor de forma independiente y supongamos también (para hacerlo sencillo) que ninguna otra constante de la Naturaleza cambie. ¿Qué le sucede al mundo si las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas?

Si deducimos las consecuencias pronto encontramos que no hay muchos espacios para maniobrar. Incrementemos  β demasiado y no puede haber estructuras moleculares ordenadas porque es el pequeño valor de beta el que asegura que los electrones ocupen posiciones bien definidas alrededor de un núcleo atómico y las cargas negativas de los electrones igualan las cargas positivas de los protones haciendo estable el núcleo y el átomo.

Si en lugar de a versión b, jugamos a cambiar la intensidad de la fuerza nuclear fuerte a_F, junto con la de a, entonces, a menos que  a_F > 0,3 a^½, los elementos como el carbono no existirían.

No podrían existir químicos orgánicos, no podrían mantenerse unidos. Si aumentamos a_F en solo un 4 por 100, aparece un desastre potencial porque ahora puede existir un nuevo núcleo de helio, el helio-2, hecho de 2 protones y ningún neutrón, que permite reacciones nucleares directas y más rápidas que de protón + protón →  helio-2.

Las estrellas agotarían rápidamente su combustible y se hundirían en estados degenerados o en agujeros negros. Por el contrario, si a_F decreciera en un 10 por 100, el núcleo de deuterio dejaría de estar ligado y se bloquearía el camino a los caminos astrofísicos nucleares hacia los elementos bioquímicos necesarios para la vida.

¡Es todo tan complejo!

emilio silvera

[?]

Hasta el momento parecía que ninguno de los más de 1000 planetas extrasolares descubiertos  reunían las excepcionales condiciones que se dan en Gliese 581g, un mundo que tiene tres veces la masa de la Tierra (suficiente para sustentar una atmósfera) y que se encuentra justo en el centro de la zona de habitabilidad de su estrella,  es decir, dentro de la estrecha franja orbital que permite la existencia de agua en estado líquido.

Muchos son los que, como yo, al contemplar los brillantes astros del cielo, se hicieran esas mismas preguntas. Desde los teóricos y los filósofos de la Antigüedad hasta los científicos y los escritores, no ya de ciencia ficción, sino de otras ramas de la literatura incluida la científica, se la hicieron en un momento dado de sus vidas. Ahora, en pleno siglo XXI, la pregunta, al tener más datos disponibles, nos la hacemos con más fuerza cada vez. Sabemos que el Universo es el mismo en todas partes y que en todas las regiones (por muy alejadas que estén) rigen las mismas leyes y constantes universales y, si eso es así (que lo es), no tenemos base científica para negar la existencia de vida inteligente en otros mundos repartidos por las innumerables galaxias y, tal posibilidad, se ha llegado a convertir en una auténtica aventura que, en primer lugar nos ha llevado a buscar mundos similares a nuestra Tierra, y, una vez que estos aparezcan, trataremos de ver, quiénes los pueblan.

Claro que la idea, no es nada nuevo. Hace ya más de 2000 años, Lucrecio, el poeta filósofo romano, razonaba que el nuestro no puede ser el único mundo habitado. “Debo confesaros”, escribió en su De Rerum Natura, “que existen otros mundos en otras regiones del cielo, y diferentes tribus de hombres y tipos de bestias salvajes”. Por estar de acuerdo con Lucrecio, el padre dominico Giordano Bruno pagó con su vida en 1600, pues fue quemado en la hoguera en una piazza romana por orden de la Inquisición.

 A éstos les sentó mal el exceso de ultravioletas

Las Civilizaciones extraterrestres hicieron una espectacular entrada en la Ciencia en 1877 cuando el astrónomo italiano Giovanni Schiaparelli le habló al mundo de los Canales de Marte (que había descubierto su colega Ángelo Secchi) diciéndoles que eran artificiales, es decir, hechos por la mano de seres inteligentes. Aquello pico la curiosidad de un adinerado astrónomo americano, Percival Lowell que, construyó un Observatorio especial en Flagstaff, Arizona, con el único propósito de estudiar Marte. Cartografío muchos de los supuestos canales y conjeturó de qué manera los marcianos los habían excavado para irrigar la superficie del desierto planeta con agua extraída de los polos. Esta idea, a su vez, atrajo la imaginación del escritor inglés Herbert George Well, que hizo que los marcianos invadieran la Tierra con War os the Words (1898) con el resultado conocido por todos  en la emisión radiofónica que, cuarenta años después, habiendo sido adaptada para la radio por el director americano Orson Welles, causó el pánico generalizado cuando se emitió el programa por primera vez, el 30 de Octubre de 1938.

                         Hoy sabemos mucho mejor lo que son los Canales de Marte

Marte sigue siendo noticia desde entonces y, cuando no es el agua líquida avistada y que emerge desde su interior, es el misterioso metano detectado en cierta región del planeta y que bien podría ser un signo de la presencia de vida. Curiosity como otras antes que ella, no deja de buscar signos de vida en el rojo planeta hermano.

Exactamente veintitrés años después del pánico de 1938, la víspera de Todos los Santos de 1961, un pequeño grupo distinguido de científicos, entre ellos el Químico Americano Melvin Calvin, que acababa de recibir el premio Nobel de Química por su trabajo sobre la fotosíntesis, y el carismático científico americano y personaje de la televisión Carl Sagan se reunieron en el Laboratorio Nacional de Radioastronomía, en Green Bank, Virginia occidental, invitados por un joven astrónomo americano, Frank Drake. El tema a tratar era el de ver la manera de poder detectar señales de radio que pudieran haber emitido algunas Civilizaciones extraterrestres. Aquello desembocó en el considerable proyecto que se conoce por SETI que, habiendo pasado por mil vicisitudes, dejó de ser financiado por la NASA pero, continúa con el apoyo de Instituciones privadas. Todo aquello generó expectativas y creó un ambiente positivo que generó la creación de nuevas disciplinas como la exobiología, bioastronomía o astrobiología, con sus propios institutos, reuniones y publicaciones.

El sumun de todo este largo historial, vino a plasmarse cuando el 7 de agosto de 1996, se alcanzó su punto culminante. El Administrador de la NASA Daniel Goldin convocó en Washington una conferencia de prensa especial, televisada, presentada por el propio Presidente Clinton, para anunciar al mundo que un grupo de investigadores americanos, dirigidos por el geólogo de la NASA David Mackay, había detectado pruebas de vida pasada en Marte. Ya sabéis, el famoso proyectil fortuito –fragmento de roca- de 1,8 kg que fue descubierto en la Antártida y se pudo saber que, lo más probable, el meteorito, tenía su origen en Marte y su edad era de dieciséis millones de años. Clasificado como ALH 84001, dio tanto que hablar que, aún hoy, de vez en cuando surge alguna noticia sobre tan misterioso visitante.

Claro que, la presencia de vida fosilizada en aquel pedrusco, no convenció a muchos expertos y la cosa se quedó en la incógnita de que podría ser… Claro que, el entusiasmo de la vida en Marte y en otros lugares del Universo, sigue intacta. Si se hiciera una encuesta entre 200 científicos sobre la existencia de vida en otros planetas, el resultado a favor…sería sorprendente.

Esto de arriba es sólo un pedacito del inmenso Universo en el que mile sd estrellas y mundos pululan por el espacio interestelar conformando sistemas planetarios y cúmulos estelares. Las cuatro fuerzas fundamentales hacen su trabajo ahí en ese lugar de la misma manera que lo hace aquí, en el nuestro. Cuando en un sitio ocurre lo mismo que en otro, por lo general, siempre se dan los mismos resultados y, según creo, el resultado final de los procesos que se ven y observan en el Universo es que la vida… ¡No hay quien la pare! A la mínima oportunidad… Ahí aparece. Pero ¿cómo será?

Claro que, hablamos y hablamos de “vida” en otros mundos y, la mayoría de las veces, lo que tenemos en la mente, es la vida tal como aquí, en la Tierra, la conocemos. Sin embargo, no es ese el camino y, debemos de partir de la base de que, cualquier forma de vida que podamos pensar, por muy extraña que esta nos pudiera parecer, ahí fuera podría estar y, desde luego, tampoco se puede descartar la vida que, como la nuestra o muy parecida, esté en planetas similares al nuestro. Antes de seguir, podríamos hacer una simple reflexión sobre esos procesos que nos llevan a la vida.

Durante el proceso de evolución de nuestro planeta, en las aguas del Océano más primitivo, surgieron sustancias orgánicas complejas y de gran variedad, similares a las integradoras de los actuales organismos vivos. Pero entre estos últimos y la simple solución acuosa de sustancias orgánicas se produce un salto abismal.

La base de los organismos vegetales o animales, o sea, el fundamento de los cuerpos de hongos, bacterias, amibas, virus  y otros organismos simples, es el protoplasma, el sustrato material en donde se desarrollan los fenómenos vitales. En su aspecto más externo, el protoplasma se presenta como una masa viscosa semilíquida de color grisáceo, en cuya composición, además del agua, se hallan, un gran número, proteínas y otras sustancias orgánicas y sales inorgánicas. Pero existen en esa mezcla más sustancias, ya que debemos recordar que el protoplasma tiene una organización muy compleja, rasgo que demuestra, en primer lugar, por su estructura concreta, en una determinada distribución especial recíproca de las partículas que forman las distintas sustancias del protoplasma y, en segundo lugar, en una armonía determinada, con un orden especial y con una regularidad concreta de aquellos procesos físicos y químicos que en él se producen.

Así que, la materia viva, la encontramos representada hoy día, por organismos, por sistemas individuales que tienen una forma concreta y una organización precisa y armónica. Nada de esto, como cabe esperar, ocurrió en aquellas primitivas aguas del océano así porque sí. Los procesos de la vida son en realidad desconocidos y los científicos no dejan de buscar, los orígenes que nos trajeron aquí.

Al estudiar diferentes soluciones, entre ellas las de sustancias orgánicas, se demuestras que en éstas las distintas partículas están repartidas de forma más o menos regular por todo el volumen del disolvente, en un estado constante de movimiento y desorden. Por tanto, las sustancias a tratar se encuentra aquí indisolublemente fundida con su medio y, además, no tiene una estructura concreta, con base en la disposición regular de unas partículas con respecto de otras. Sin embargo, no podemos llegar a imaginarnos un organismo que no tenga una estructura y se encuentre disuelto en el medio que le rodea. Por esta razón, en el camino que nos lleva desde las sustancias orgánicas hasta los seres vivos debieron crearse con total seguridad unas formas individuales, unos sistemas separados de su medio y con un orden interior de las partículas de la materia.

Puede obtenerse cristalizada en forma específica para cada especie. La hemoglobina es un cromoproteido formado por una protoporfirina ferrosa llamada hem (4 %) unida como ácido y base a una fracción proteica sulfurada llamada globina (96 %). El hem está formado por 4 núcleos pirrólicos, cada uno constituido por un N unido en el vértice de un anillo de 4 C. Ese núcleo se reúne a los distintos metales (Fe, Cu, Co, Mg) y forma las metalporfirinas. Si el Fe es ferroso toma el nombre de hem y si férrico el de hematina.

Las sustancias orgánicas de bajo peso molecular, como alcoholes o azúcares, si se disuelven en el agua quedan fuertemente desmenuzadas y se distribuyen de forma homogénea, por toda la solución, en forma de moléculas sueltas que quedan más o menos independientes las unas de las otras. Por esta razón sus propiedades dependerán sobre todo, de la estructura de las mismas moléculas y del orden de los átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y otros en el interior de las mismas.

Pero en cuanto aumenta el tamaño de las moléculas, se añaden a estas leyes sencillas de la química orgánica, otras nuevas, y más complejas, cuyo estudio es materia de la química de los coloides. Las soluciones más o menos diluidas de sustancias de peso molecular ligero, son sistemas muy estables en los que el grado de fraccionamiento de la sustancia y la uniformidad en el momento de distribuirse en el espacio no cambian por ellos mismos. En cambio, las partículas de los cuerpos de un peso molecular elevado dan soluciones coloides, características por su inestabilidad. Bajo la influencia de varios factores, estas partículas tienden a dar combinaciones entre ellas mismas, creando así, auténticos enjambres, llamados agregados o complejos. Sin embargo, ocurre con mucha frecuencia que esta unión entre las partículas es tan intensa que la sustancia coloidal se distancia de la solución dejando sedimento. Coagulación es el nombre que recibe este proceso.

Estas sustancias orgánicas disueltas quedan concentradas en puntos concretos, formando unos coágulos en donde las diferentes moléculas o partículas se encuentran ligadas entre ellas de una forma determinada, por lo que se crean relaciones nuevas y más complejas, por la disposición de los átomos en las moléculas, pero también por el orden que adoptan las moléculas entre ellas.

Sustancias Minerales del Plasma

Cloro. En cantidad de 1.80 gramos %o para el Cl globular y 3.60 gramos % para el plasmático, con un índice clorémico de 0,50. Está casi todo ionizado representando los dos tercios del anión del plasma. Dada la facilidad con que atraviesa la membrana del glóbulo rojo, interviene en la regulación del equilibrio iónico sanguíneo.

Fósforo. En cantidad de 4 a 5 miligramos por ciento se encuentra bajo forma de fósforo inorgánico mono y bibásico y orgánico combinado a los prótidos, glúcidos y lípidos.

Azufre. Se encuentra bajo forma inorgánica formando sulfatos y materia orgánica particularmente en las proteínas sulfuradas.

Iodo, bromo y flúor, Se encuentran en pequeñas cantidades.

Sodio. En cantidad de 340 mlg % es el catión predominante en los líquidos extra-celulares ya que la membrana celular se muestra como impermeable para él.

Potasio. Inversamente el potasio se encuentra en mucha mayor cantidad en el interior del glóbulo rojo. Se encuentra en equilibrio con el Na y ambos cationes no se desplazan mutuamente, siendo el predominio de uno de ellos nocivo para el organismo. El plasma contiene 20 mlg %.

Calcio. En cantidad de 10 miligramos por ciento se encuentra, la mitad bajo forma inorgánica y la mitad bajo forma orgánica, unido a las proteínas. Existe una relación entre Ca y P que es igual a 2 y por otra parte el producto de sus concentraciones debe ser mayor de 40.

Otros cationes como el Mg, Cu, Zn, Co, Mn, Ai, etc., se encuentran en pequeñas cantidades y su significación fisiológica es todavía discutida.

Así, mediante estas transiciones y transmutaciones, se llega a lo que se conoce como las sustancias vitales para la vida, y, en nuestro mundo, sabemos los caminos que se han recorrido hasta llegar a nosotros (más o menos), lo cual, es una buena base para pensar en esos posibles “seres extraterrestres” que podrían estar en esos mundos lejanos y que, también se puede pensar que, pudieran estar constituidos a partir de otro elemento distinto del Carbono, la base de la vida en la Tierra. Por mi parte, creo que, “esos seres”, al igual que todos los que existen en la Tierra, estarán constituidos de la misma manera en lo esencial, es decir, estarán basados en los mismos elementos que los seres de la Tierra y, sus morfologías, serán variadas e incluso extrañas, ya que, dependiendo del planeta que los acoja, de los soles que lo calienten, de la Gravedad, de su exposición a las radiaciones, de los océanos, volcanes y las placas tectónicas que muevan aquellos mundos y…de otros muchos factores, dependerá la forma de vida que “allí” nos podamos encontrar pero, eso sí, el Carbono será la base de esas vidas que, como la nuestra, habrán evolucionado hasta…¿quién sabe dónde?

La Química, las limitaciones celulares, los azúcares, el protoplasma, los mecanismos vitales, los ingredientes necesarios que, como el agua, se hacen imprescindibles para llegar a cierto punto desde el que se produce el salto hasta el nivel vital…¿Serán los mismos en todas partes?

                                      Todo lo que podamos imaginar…, será posible y, mucho más

Muchas veces hemos podido leer que sobre la existencia de formas de vida constituidas con componentes moleculares distintos de las proteínas, los ácidos nucleicos y otros constituyentes biológicos típicos, o incluso constituida de otros átomos distintos, como, por ejemplo, con el carbono sustituido por el silicio, su pariente más cercano en la tabla periódica de elementos. Claro que, base válida para tales especulaciones…No la hay, ya que, lo que es capaz de hacer el Carbono, no lo puede hacer el Silicio y, sin embargo, tal verdad, no debería condicionarnos para negar la posibilidad de otras formas de vida que, siendo diferentes a las nuestras, también estén basadas en otros elementos diferentes.

Si nos fijamos en dos vecinos cercanos: Venus y Marte, podemos ver que, el primero se halla más cerca del Sol que la Tierra, y Marte, que se halla más lejos de aquel, ocupan los limites externos de lo que a veces se denomina la zona habitable. De los dos, Venus, con una temperatura superficial cercana a los 500ºC, parece demasiado caliente para albergar la vida (sólo lo parece).

                                     El  planeta Marte en los cielos nocturnos.

Marte, por el contrario, con una baja temperatura superficial que se ha comprobado es,  de -53ºC, parece demasiado frío para albergar vida (sólo lo parece), al menos en la superficie. Su atmósfera es tenue, constituida principalmente por dióxido de carbono, parte de la cual se hiela cada invierno para cubrir los polos con un casquete blanco, que primero se creyó que estaba constituido por hielo de agua pero que ahora se ha identificado como lo que denominamos hielo seco, la sustancias expulsada de los extintores de incendio. Sin embargo, hay agua abundante en Marte ; existe en forma de hielo permanente bajo el casquete polar Norte de Hielo Seco en el suelo en la forma de permafrost, como el que se encuentra en alguna parte de Siberia, por ejemplo.

Claro que, las sondas y naves que allí hemos enviado (Mars Phoenix y otras), nos han confirmado que, el agua en Marte está presente y, en algunos lugares emerge desde el subsuelo. Si hubiera hidrógeno molecular disponible, posiblemente podrían existir allí Bacterias similares a algunas formas presentes en las rocas de la Tierra. No sabemos a qué profundidad habría que excavar para encontrarlas.

Bueno, las pruebas que tenemos del pasado de Marte, dejan poco espacio para dudar de que, en el tiempo pasado, el planeta disfrutó de ser un mundo diferente, con un clima más suave, una atmósfera distinta, mares y océanos y, correntías de agua líquida que horadó la superficie, dejando las señales que nuestras sondas nos han podido mostrar de aquel mundo que fue, y, según las actuales circunstancias, todo parece apuntar que, de haber alguna clase de vida en aquel planeta, ésta debe encontrarse bajo la superficie, en las profundas grietas y grutas que, su antigua actividad volcánica dejó y en la que, posiblemente, al existir una temperatura más cálida, el agua pueda correr libremente haciendo posible la existencia de bacterias, líquenes y hongos…(¿quién sabe qué cosas más?) que en la superficie no tienen la posibilidad de subsistir. Acordaos de esas emisiones de metano detectadas por la NASA, nadie conoce su fuente y, las especulaciones están servidas.

¿Quién sabe lo que habr´sa ahí fuera? Sólo en nuestra Galaxia podrían existir unas 10.000 Civilizaciones. Bueno, eso es lo que nos dicen al menos, los cálculos de probabilidades. Sin embargo… ¡Las distancias que nos eparan! Al menos de momento, son insalvables.

Cuando pensamos en esos otros mundos, la imaginaciópn nos lleva a pensar que pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el universo tal como lo conocemos, pero, también podrían estar caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales (no creo). Estos cambios numéricos alterarían 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. ¡Qué imaginación, si existieran esos mundos con leyes distintas…No sería en nuestro Universo.

Claro que, a todo esto, todavía no hemos dejado de preguntarnos: ¿De dónde viene la vida? Y, la hipótesis extraterrestre, es, al menos, tan buena como otro cualquiera. En la actualidad, cientos o miles de investigadores dedican su tiempo y esfuerzo a investigar el origen de la vida y, no puedo decir con certeza que, algún día, podamos responder a esa pregunta.

      La Tierra no siempre fue como ahora la podemos ver

Ya nos resulta asombro saber que, la Vida, apareció en la Tierra hace ahora unos 4.000 millones de años, unos 500 millones de años después de que el planeta se condensara, con los otros planetas del Sistema solar, en un disco de gas y polvo que, giraba alrededor de una joven estrella que iba a convertirse en nuestro Sol. Fenómenos de violencia extrema, incompatible con el mantenimiento de ninguna clase de vida, rodearon este nacimiento. Todo tipo de cuerpos y objetos venidos del exterior golpearon, en aquellos primeros momentos, al recién nacido planeta: Cometas, Asteroides y otros golpearon con saña su incandescente superficie. Pasados aquellos “primeros momentos” la Tierra era poseedora de la materia primigenia que, tratada en la forma adecuada por la Naturaleza, hizo posible el surgir de la vida primaria que, ha podido evolucionar hasta llegar a los pensamientos.

¡Nos quedan tantas sorpresas sobre la Vida! No sólo la que podamos descubrir en el exterior, sino que, también la que está presente en nuestro planeta nos tiene muchas sorpresas reservadas y, para que éstas lleguen, necesitamos saber.

emilio silvera

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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 feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

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 “renormalizándolo”, 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 intrinseca 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 laque los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

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No siempre podemos dar una explicación cierta de lo que podemos captar con nuestros modernos aparatos tecnológicos que nos traen los más dispares y exóticos objetos y sucesos del espacio “infinito”. Lo cierto es que hemos avanzado y podemos dar alguna que otra explicación (muchas veces aproximada) de lo que ocurre ahí fuera. Sin embargo, hay muchas cosas que se nos escapan y de las que no podemos dar explicación alguna. Las preguntas son más abundantes que las respuestas.

Tratándo de saber, nos sumergimos en los complejos laberintos de las matemáticas, esas estructuras numéricas que el hombre ha sabido inventar para buscar respuestas de lo que no sabe y, partiendo de lineas finitas de puntos relacionados por reglas, pasando por las geometrías, sistemas de recuento como la aritmética de los números enteros, más tarde fracciones, luego decimales y otras estructuras más complejas y grupos y así, sucesivamente y avanzando y subiendo indefinidamente, en una escala asecendente de complejidad que nos ha llevado a matemáticas topológicas cuya inmensa complejidad ponen de punta los pelos de las cejas de los físicos y, todo ello, para buscar una respuesta que no logramos alcanzar.

           Y, miesntras tanto, el tiempo transcurre inexorable sin nunca nuestrá búsqueda llegue a su fin

Hemos llegado a poder conocer el significado de inmensas y diminutas estructuras que son creadas en el Universo sin cesar. Unas llegan y otras se van, siempre, acompañadas por un tiempo sin fin. Nosotros que tratamos de comprender todo eso, buscamos el significado más profundo de todas esas estrcutras y, a veces, nos preguntamos cuál de esas estructuras puede describir de una forma completa cómo pudieron surgir los seres conscientes que ahora, tratan de buscar esas respuestas que, tan lejos están para ellos que, en realidad, parecen inalcanzables y, sin embargo…

Hemos podido llegar a tomar axiomas de algunos sistemas lógicos, y luego desarrollamos poco a poco todas las “verdades” que pueden ser deducidas a partir de ellos, utilizando las reglas de deducción prescritas, podemos llegar a vislumbrar una gran madeja de verdades lógicas extendidas ante nosotros. Si esa madeja de verdad nos lleva finalmente a estructuras que puedan describir completamente eso que nosotros llamamos “consciencia”, entonces podríamos decir que “está viva”, en cierto sentido. Claro que, no sabemos en qué sentido lo estaría.

Al no poder llegar a comprender esas estrcuturas de las que hablamos, nuestra imaginación inagotable en la búsqueda de nuevos caminos que nos conduzcan hasta las respuestas, ha ideado algunas formas y maneras de profundizar y, una de ellas, es la de crear modelos y simulaciones por ordenador, por ejemplo, del proceso mediante el que se forman las estrellas y planetas. Esto es algo que los astrónomos se afanan en hacer. La formación de estrellas es demasiado complicada de entender con todo detalle si utilizamos sólo lápiz y papel y el cálculo humano directo. Se necesita una rápida solución por ordenador de las ecuaciones que la gobiernan.

Algunas de esas simulaciones son extraordinariamente precisas. describen cómo se forman las estrellas y generan descripciones de planetas que encajan muy estrechamente con las observaciones que hacemos a través de nuestros sofísticados telescopios. Algunos científicos emtusiastas, sugieren que vayamos más lejos e introduzcamos en el ordenador montones de información sobre bioquímica y geología de modo que podamos seguir las predicciones del ordenador sobre la temprana evolución química de un planeta y su atmósfera. Cuando se hace esto los resultados son muy interesantes.

El ordenador describe la formación de moléculas autoreplicantes que empiezan a competir entre sí y a hacer cosas complicadas sobre la superficie joven del planeta. Aparecen hélices de ADN y empiezan a formar las bases de replicantes genéticos. La selección empiezxa a tener un impacto y los replicantes mejor adaptados se multiplican y mejoran rápidamente, extendiendo sus proyectos por toda la superficie habitable. El programa del ordenador sigue ejecutándose más y más tiempo. Finalmente, parece que algunas estructuras del programa están enviando señales a otras y almacenando información. Han desarrollado un sencillo código y lo que podríamos llamar una aritmética, que se basa en la simetría (octolateral) que poseen los replicantes más grandes. Los programadores están fascinados por este comportamiento, sin haber sospechado nunca que todo eso pudiera surgir de su programa original que ahora, parece haberse transformado, de tal manera que produce la sensación de que “tiene vida propia”.

Esta pequeña fantasía muestra de qué forma es concebible que el comportamiento que podríamos estimar consciente pudiera emerger de una simulación por ordenador. Pero si preguntamos dónde “está” este comportamiento consciente parece que nos vemos empujados a decir que vive en el programa. Es parte del software que se está ejecutando en la máquina. Consiste en una colección de deducciones muy complejas (“teoremas”) que se siguen de las reglas de partida que definen la lógica de la programación. Esta vida “existe” en el formalismo matemático.

En alguna parte he leído que:

“La ilusión de la creación libre de las propiedades de la situación y, por ello, de los fines de la acción, encuentra probablemente una aparente justificación en el círculo, característico de toda simulación condicional que pretende que el habitus sólo puede producir la respuesta objetivamente inscrita en su «fórmula» porque concede a la situación su eficacia de resorte, constituyendola según sus principios, es decir, haciéndola existir como cuestión pertinente por referencia a una manera particular de interrogar la realidad.”

 

Y, si eso es así (que lo es), nos podríamos preguntar: ¿Cómo estaremos seguros de las respuestas que obtenemos de programas que realizan las funciones determinadas por las instrucciones que nosotros mismos le hemos dado? Como nosotros no somos infalibles, es lógico pensar que, todo esto nos lleva a obtener respuestas incompletas pero que, cada vez, se acercan más a la realidad.

Pensando en todo esto, caigo en la cuenta de que hay cosas que no podemos explicar. Por ejemplo: Debido a su falta de voluntad para esforzarse con la misma intensidad en el estudio de los clásicos que en el de la ciencia y las matemáticas, Turing suspendió sus exámenes finales varias veces y tuvo que ingresar en la escuela universitaria que eligió en segundo lugar, King’s College, Universidad de Cambridge, en vez de en la que era su primera elección, Trinity. Recibió las enseñanzas de Godfrey Harold Hardy (¿os acordais, aquel que ayudo a Ramanujan?), un respetado matemático que ocupó la cátedra Sadleirian en Cambridge y que posteriormente fue responsable de un centro de estudios e investigaciones matemáticas de 1931 a 1934.

En 1935 Turing fue nombrado profesor del King’s College. En su memorable estudio “Los números computables, con una aplicación al Entscheidungsproblem” (publicado en 1936), Turing reformuló los resultados obtenidos por Kurt Gödel en 1931 sobre los límites de la demostrabilidad y la computación, sustituyendo al lenguaje formal universal descrito por Gödel por lo que hoy se conoce como Máquina de Turing, unos dispositivos formales y simples.  Demostró que dicha máquina era capaz de implementar cualquier problema matemático que pudiera representarse mediante un algoritmo.

Las máquinas de Turing siguen siendo el objeto central de estudio en la teoría de la computación. Turing trabajó desde 1952 hasta que falleció en 1954 en la biología matemática, concretamente en la morfogénesis. Publicó un trabajo sobre esta materia titulado “Fundamentos Químicos de la Morfogénesis” en 1952. Su principal interés era comprender la filotaxis de Fibonacci, es decir, la existencia de los números de Fibonacci en las estructuras vegetales. Utilizó ecuaciones de reacción-difusión que actualmente son cruciales en el campo de la formación de patrones.

      Controlar los pensamientos y sensaciones…

Parece increíble como a veces, no podemos controlar los pensamientos y, comienzas a realizar un trabajo que toma sus propios derroteros a medida que avanzas y te llegan nuevas ideas que son producto de los temas que tratas de estructurar. Así, nuestras mentes, como la máquina simuladora de la creación de estrellas, o, del comportamiento de las moléculas en esos mundos imaginados, toman unos derroteros que no siempre podemos explicar. ¿Cómo llegue a Turing?

¡Sabemos tan poco de nosotros mismos! Y, sin embargo, nada nos arredra y buscamos esas respuestas a preguntas que nadie ha sabido contestar como, por ejemplo: ¿Qué es la consciencia? ¿Qué es el Tiempo? ¿Quiénes somos nosotros? ¿Cómo llegamos aquí? ¿Estamos solos en el inmenso Universo?

emilio silvera

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¡La Mecánica Cuántica! ¡Qué dolor de cabeza! No, no es fácil sumergirse en ese “universo” de los microscópico y llegar a entender del todo. ¡Son tantos los enigmas que están presente! Más de una vez he llegado a pensar sobre el hecho de que, aunque todo esté en el mismo Universo (lo micro y lo macroscópico), algunas veces nos puede dar la sensación de que son, “dos mundos diferentes” tal es la complejidad que encontramos cuando nos queremos acercar a esas distancias subatómicas donde viven e interaccionan las partículas elementales. Ese mundo, es totalmente ajeno a lo que podemos ver en nuestras vidas cotididianas, y, sin embargo, forma parte de este mundo nuestro. De hecho, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

               Imágenes fractales y la belleza matemática que las describen

Algunos buenos físicos, desde siempre, han hablado de la belleza implícita en las matemáticas y, generalmente, se refieren a que con una gran economía de números nos pueden hablar de muchas cosas y además profundas. Como ejemplo de lo que digo, podríamos recordar la fórmula de Einstein de la Relatividad especial que a todos nos es familiar E = mc² y, la que nos describe la más compleja Relatividad general que no llena ni una línea de este comentario y que, sin embargo, nos habla de uno de los pensamientos más profundos que el ser humano haya podido tener. De hecho, a partir de esa ecuación de campo de la R.G., comenzó realmente la historia de lo que hoy conocemos como cosmología, tantos son sus mensajes sobre el Universo.

En la teoría de la Supersimetría, las matemáticas son realmente bellas y lo mismo podríamos decir de la teoría de Yang-Mills. La primera nos habla de una simetría que puede ser aplicada a las partículas elementales con el fin de transformar un Bosón en un fermión y viceversa. En las teorías supersimétricas más simples, cada Bosón tiene un compañero fermiónico y cada fermión tiene un compañero bosónico. Los compañeros bosónicos de los fermiones tienen nombres formados añadiendo “s” al principio del nombre del fermión, por ejemplo, selectrón, squark y sleptón.

                                                                                                                          ¿Supersimetría?

Los compañeros fermiónicos de los Bosones tienen nombres formados reemplazando el “on” del final del nombre del Bosón por “ino” o añadiendo “-ino”, por ejemplo gluino, fotino, wino, y zino.

Los infinitos que causan problemas en las teorías cuánticas de campo relativistas (obligando a la renormalización) son menos severos en las teorías supersimétricas, porque las contribuciones a los infinitos de los Bosones y los fermiones se pueden cancelar unos a otros.

Si la supersimetría es realmente una simetría de la Naturaleza, debe ser una simetría rota, aunque por el momento no hay evidencias concluyentes que muestren a qué energía debe romperse. No hay, de hecho, ninguna evidencia experimental para la teoría, aunque se piensa que puede ser un ingrediente especial en una teoría unificada de las interacciones. Esta no debe ser necesariamente una teoría de campo unificado; la idea de cuerdas con supersimetría es hasta el momento la mejor teoría para unificar a las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza y, en ella, los objetos básicos son unidimensionales (supercuerdas) que tienen una escala de longitud de unos 10 exp. 35 metros y, como distancias muy cortas están asociadas a energías muy altas, tiene una escala de energía del orden de 10 exp. 19 GeV, que está muy por encima de cualquier acelerador que, por ahora, pudiera construirse.

      Experimentos insuficientes para llegar a las cuerdas

Las cuerdas asociadas con los Bosones sólo son consistentes como teorías cuánticas en un espacio-tiempo de 26 dimensiones; aquellas asociadas a los fermiones sólo lo son en un espacio tiempo de 10 dimensiones. Se piensa que las dimensiones microscópicas surgen por el mecanismo de Kaluza-Klein, estando las restantes dimensiones “enrolladas” para ser muy pequeñas. 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. Por tanto, una teoría de supercuerdas automáticamente contiene una teoría cuántica de la gravedad.

Una propiedad general de modelos con dimensiones extra que los hace especialmente atractivos es la localidad en la dimensión extra. Campos cuatridimensionales (los modos de KK) pueden estar localizados en puntos diferentes de la dimensión extra, lo que automáticamente suprime, en ocasiones exponencialmente, los acoplamientos entre ellos. Esto nos permite por ejemplo explicar de forma sencilla la gran diferencia de masas entre unos fermiones y otros o sus patrones de mezcla. La localidd en la dimensión extra, combinada con la fuerte curvatura en el modelo de RS produce un patrón de nueva física extremadamente interesante. En estos modelos, los primeros modos de KK -los más accesibles experimentalmente- están localizados cerca de la brana infrarroja, en la que también se produce la rotura de simetría electro débil y por tanto la masa de los fermiones. Los fermiones ligeros, cuyas propiedades han sido estudiadas experimentalmente con gran detalle sin observar ninguna anomalía, son ligeros porque están localizados lejos de la brana infrarroja y acomplan por tanto débilmente a los primeros modos de KK. Esto explica que sus propiedades no se vean modificadas apreciablemente por las dimensiones extra. El quark top, por contra, es mucho más pesado porque está localizado cerca de la brana infrarroja y por tanto su acomplamiento a los modos de KK es mucho myor. Como resultado, una predicción de estos modelos es que las propiedades del quark top -que aún no han sido medidas con precisión pero que serán objeto de profundo estudio en el LHC- serán modificadas por las dimensiones extra y que los modos de KK asociados a dichas dimensiones se mostrarán fundamentalmente en forma de producción anómala de quarks top.

Todas estas propiedades hacen los modelos con dimensiones extra alabeadas muy atractivos, pero cobran una relevancia aún mayor cuando nos damos cuenta de que la famosa conjetura de Maldacena, aplicada a modelos con dimensiones extra alabeadas implica que estos modelos son duales a teorías cuatri-dimensionales fuertemente acopladas. Esto quiere decir que, incluso si las dimensiones extra no existiesen realmente, modelos tipo RS o sus generalizaciones aún pueden serútiles. En efecto, debido a la dualidad nos permiten hacer cálculos cuantitativos que aplican a toerías cuatri-dimensionales en las que, debido al acoplamiento fuerte, no resulta sencillo calcular de otra forma. Usando esta dualidad se han hecho estudios relevantes tanto para cromodinámica cuántica como para teorías de rotura de la simetría electrodébil mediante acoplamiento fuerte, como para modelos de tecnicolor o de Higgs compuesto, por ejemplo.

Es fácil intuir que, si estos modelos están relacionados con modelos fuertemente acoplados, sus restricciones experimentales serán bastante estrictas. Efectivamente, un estudio cuidadoso muestra que, aun usando ciertas simetrías que protegen los observables más sensibles, los modos de KK de los bosones de gauge (las partículas que median las interacciones) tienen que tener una masa del orden de 3500 GeV o mayor, haciéndolos más dificilmente observables en el LHC de lo que originalmente se pensó. Los modos de KK de los fermiones,  por otro lado, pueden ser mucho más ligeros y fácilmente observables en el LHC.

Se piensa que las supercuerdas 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 no hay una prueba definitiva. Aunque no existan evidencias directas de las supercuerdas, algunas de sus características son compatibles con los hechos experimentales observados en las partículas elementales, como la probabilidad de que las partículas no respeten paridad, lo que en efecto ocurre en las interacciones débiles.

Cuando hablamos de supergravedad lo hacemos de otra teoría aspirante a unificar todas las interacciones fundamentales conocidas que incorpora la supersimetría. La supergravedad se formula de forma más natural como una teoría de Kaluza-Klein en once dimensiones.

La teoría contiene partículas de espín 2, espín 3/2, espín 1, espín ½ y espín 0. Esta teoría, parece que contiene infinitos que no pueden ser renormalizados, es decir, no pueden ser eliminados. Muchos físicos piensan que para obtener una teoría cuántica de la gravitación consistente uno tiene que abandonar las teorías cuánticas de campos, pues se ocupan de objetos puntuales, y pasar a teorías cuyos objetos fundamentales sean extensos, como las supercuerdas y las supermembranas y, en consecuencia, la supergravedad no sería una teoría completa de las interacciones fundamentales.

Todas estas versiones de las teorías que tratan de unificar a las cuatro fuerzas de la Naturaleza han sido unificadas de forma magistral por W. Witten en su Teoría M que, sin embargo, y a pesar de su belleza descriptiva, aún no consigue el objetivo buscado, ya que, las matemáticas necesarias para su desarrollo final aún no son conocidas y las energías que exigen la experimentación no está en este mundo nuestro, estamos hablando de energías que sólo existieron en el momento de la creación.

Muchos han imaginado un agujero negro microscópico que contiene tanto las leyes de la gravedad como las de la mecánica cuántica y, la pregunta sería ¿cómo se debe describir su comportamiento? La pregunta tiene su lógica en que ese hipotético agujero negro se debería comportar como un átomo o molécula que obedecería a las leyes de la mecánica cuántica.

Cuando se hicieron cálculos en esa dirección, la sorpresa fue mayúscula, ya que las matemáticas que surgían eran las de la teoría de cuerdas. La fórmula para la captura y emisión de partículas por un agujero negro es exactamente igual a la fórmula de Veneziano. Lo cual resultaba extraño ya que no era un tema de cuerdas. Todo esto nos dice que la teoría de cuerdas está inacabada y, de manera formal, no podemos decir (aún) que algún día pueda ser compatible con la Gravedad.

Pero en la mecánica cuántica existen otros escenarios muy atractivos para nuestra imaginación. Sabemos que los átomos están formados por pequeños constituyentes, los protones, neutrones y electrones. Luego descubrimos que esos constituyentes, a su vez, tienen una subestructura: están formados de quarks y gluones. ¿Por qué, como probablemente todos hayamos pensado, el proceso no puede continuar así? ¿Quizá esos quarks y gluones, e igualmente los electrones y todas las demás partículas aún llamadas “elementales” en el modelo estándar, están a su vez construidas de unos gránulos de materia aún menores que no hemos sido capaces de observar en nuestros aceleradores de partículas?

Miremos a los quarks de un protón. La mecánica cuántica, la teoría maravillosa que controla todo el micromundo con increíble precisión, exige que el producto de la masa por la velocidad, el llamado “momento”, debe ser inversamente proporcional al tamaño de la “caja” en la cual ponemos nuestro sistema. El protón puede ser considerado como una de tales cajas y es tan pequeño que los quarks en su interior tendrían que moverse con una velocidad cercana a la de la luz. Debido a esto, la masa efectiva de los dos quarks más pequeños, up y dowm, es aproximadamente de 300 MeV, lo que explica porque la masa del protón es de 900 MeV, mucho mayor que la suma de la masa en reposo de los quarks y gluones.

En contraste con el protón, los propios quarks y también los leptones y todas las demás partículas en el modelo estándar parecen ser “puntuales”. Con esto quiero decir que sus propiedades no cambiarían ni siquiera cuando se colocaran en una caja mil veces más pequeñas que un protón. Aquí está nuestra dificultad: supongamos que estas partículas estuvieran compuestas de constituyentes aún más pequeños, estos tendrían que estar empaquetados más estrechamente y, por lo tanto, tendrían mucha más energía cinética (energía debida a sus rápidos movimientos) que habría que añadir a su propia masa. Pero entonces, ¿por qué son los quarks y los electrones tan ligeros?

Esto lo puedo explicar de forma más complicada. Los quarks dentro de los protones tienen tres clases de “masas”. Primero la que llamamos “masa libre”, o la masa que tendría si el objeto estuviera aislado. Pero para aislar un quarks fuera de un protón se necesita una cantidad infinita de energía y, por tanto, la masa libre de un quark es infinita. Esto es un concepto sin sentido y consecuentemente inútil. En segundo lugar, tenemos la masa efectiva de un quark dentro de un protón, que debido a las leyes de la mecánica cuántica está obligado a moverse de un lado para otro con gran velocidad. Ésta se llama “masa constituyente” tiene un valor de 300 MeV que es 1/3 de la masa del protón. La tercera clase de masa es la “masa algebraica”. Ésta es un parámetro que determina las propiedades del objeto llamado “término de masa” en sus ecuaciones. Para otras partículas, este término de masa corresponde a su masa real; para los quarks u y d esta cantidad es sólo de unos 10 MeV. El problema que tenemos es que los hipotéticos nuevos ladrillos constitutivos tendrían una masa constituyente muy grande, que es muchas veces mayor que la masa del objeto que forman. Es como si te pidieran construir una casa ligera como las briznas de algodón pero con sus pilares y estructura hechos de un material tan compacto como el acero macizo.

Claro que (como se suele decir), la esperanza es lo último que podemos perder, la Naturaleza misma nos ha dado un ejemplo de cómo se pueden conseguir cosas como esta. El pión también está formado por quarks y, como no es mucho más grande que el protón sería de esperar que ahí los quarks también tengan masas constituyentes de unos 300 MeV. Sin embargo, el pión, en vez de 600 MeV, solamente pesa 135 MeV. Esto se debe a que la masa del pión está protegida por una simetría: el pión es (aproximadamente) un Bosón de Goldstone.

Esto significa que quizá halla una forma de ver partículas tan ligeras como el electrón y que estén formadas por ladrillos constitutivos “más pesados”. Para ello se deben introducir simetrías, quizá tantas como partículas haya en el modelo estándar y, así, se podría explicar que todas las partículas conocidas son tan ligeras porque sus masas están protegidas por una simetría. Sin embargo, resulta que convertir esta idea en una receta matemática precisa es una tarea difícil.

Pocos son los casos en los que una partícula compuesta, de una manera espontánea, ha roto la simetría: uno sería el viejo modelo sigma de Gell-Mann y Lévy (la partícula Sigma compuesta realmente por quarks) y el otro es la teoría BCS de la superconductividad, donde aparece un fenómeno similar al mecanismo de Higgs debido a un estado ligado de dos electrones (el par de Cooper). Pero en el Modelo estándar se conocen con precisión muchas de las propiedades de las partículas de Higgs porque son responsables de las masas de las partículas conocidas.

Quizá el nuevo acelerador Large Hadrón Collider (LHC), que ya está en marcha, nos pueda desvelar algunos de los fenómenos asociados a tales esquemas, algunos incluso tienen la esperanza de que aparezcan, además del Bosón de Higgs, algunas otras partículas predichas en la teoría supersimétrica  que ellos denominan WIMP y que, según dicen, pueblan los huecos de las galaxias y son, así responsables de la masa perdida que los astrofísicos no dejan de buscar.

Eso sería otra historia y, como el comentario tiene que finalizar, la dejaremos para contarla en otro próximo en el cual hablemos de esa “hipotética” materia y energía oscura que, en realidad, no sabemos con certeza ni que pueda existir y, de momento, parece más un artilugio de los cosmólogos para que las cuentas del Universo cuadren.

emilio silvera

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