En su Libro Partículas, Gerard ´t Hofft, Premio Nobel de Física, nos cuenta:

“En el mundo de los seres vivos, la escala o tamaño crea importantes diferencias. En muchos aspectos, la anatomía de un ratón es una copia de la de un elefante, pero mientras que un ratón trepar por una pared prácticamente vertical sin mucha dificultad (y se puede caer desde una altura varias veces mayor que su propio tamaño sin hacerse daño), un elefante no sería capaz de realizar tal hazaña. Con bastante generalidad se puede afirmar que los efectos de la gravedad son menos importantes cuanto menores sean los objetos que consideremos (sean vivos o inanimados).

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que ellos no hay distinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del agua es mucho más importante que la fuerza de la gravedad a esa escala.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos de Van der Waals. fuerza tiene un alcance muy corto; para ser precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente 1/r⁷. Esto significa que si se reduce la distancia dos átomos a la mitad de la fuerza de Van der Waals con la que se atraen uno a otro se hace 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza. El conocimiento de esta fuerza se debe a Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) con su tesis sobre la continuidad del líquido y gaseoso que le haría famoso, ya que en esa época (1873), la existencia de las moléculas y los átomos no estaba completamente aceptado.

La tensión superficial del agua, es el efecto físico (energía de atracción entre las moléculas) que “endurece” la capa superficial del agua en reposo y permite a algunos insectos, como el mosquito y otros desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

El famoso físico inglés James Clerk Maxwell, que formuló la teoría del electromagnetismo de Faraday, quedó muy impresionado por este de Van der Waals.

Los tamaños de los seres uniceculares, animales y vegetales, se miden en micrómetros o “micras”, donde 1 micra es 1/1.000 de milímetro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pueden observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios es fascinante, pero no es el objeto de este trabajo, y continuaremos el viaje emprendido las partículas elementales que forman núcleos, átomos, células y materia, así como las fuerzas que intervienen en las interacciones fundamentales del universo y que afecta a todo lo que existe.

 

Hemos hablado del electrón que rodea el núcleo, de su carga eléctrica negativa que complementa la positiva de los protones y hace estable al átomo; una masa de solamente 1/1.836 de la del núcleo más ligero (el del hidrógeno). La importancia del electrón es vital en el universo.

Pero busquemos los “cuantos”. La física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck propuso una posible solución a un problema que había intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menor intensidad, por los objetos más fríos (radiación de cuerpo negro).

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si utilizamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de una radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano y, luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para longitudes mayores como para menores. Esta longitud de onda característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta de objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273º bajo cero). Cuando a 1.000º C un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Radiación de Cuerpo Negro

 

Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su , el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862.

La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de onda, y por tanto, proporcional a la frecuencia de radiación emitida. La fórmula es E = hν, donde E es la energía del paquete, ν es la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una manera mucho más tajante: él sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos del paquete de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Victor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia ν de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilantes de campos de fuerza, esto lo veremos más adelante.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de de Broglie. Poco después, en 1926, Edwin Schrödinger descubrió cómo escribir la teoría ondulatoria de de Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños quedaba exactamente determinado por las recién descubiertas “ecuaciones de ondas cuánticas”.

Está bien comprobado que la mecánica cuántica funciona de maravilla…, pero, sin embargo, surge una pregunta muy formal: ¿qué significan realmente estas ecuaciones?, ¿qué es lo que están describiendo? Isaac Newton, allá en 1867 formuló cómo debían moverse los planetas alrededor del Sol, estaba claro todo el mundo qué significaban sus ecuaciones: que los planetas estaban siempre en una posición bien definida des espacio y que sus posiciones y sus velocidades en un momento concreto determinan inequívocamente cómo evolucionarán las posiciones y las velocidades en el tiempo.

Pero los electrones todo es diferente. Su comportamiento parece estar envuelto en misterio. Es como si pudieran “existir” en diferentes lugares simultáneamente, como si fueran una nube o una onda, y esto no es un efecto pequeño. Si se realizan experimentos con suficiente precisión, se puede determinar que el electrón parece capaz de moverse simultáneamente a lo largo de trayectorias muy separadas unas de otras. ¿Qué puede significar todo esto?

Niels Bohr consiguió responder a esta pregunta de tal que con su explicación se pudo seguir trabajando, y muchos físicos siguen considerando su respuesta satisfactoria. Se conoce como la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica.

Si la mecánica cuántica tiene cosas extrañas y el espín es una de ellas. Y si uno piensa que la intuición le ayudará a comprender todo esto, pues no lo hará, o es poco probable que lo haga. Las partículas tienen un espín fundamental. Al igual que la carga eléctrica o la masa, el espín ayuda a definir que de partícula es cada una.

Las leyes de la mecánica cuántica han sido establecidas con mucha precisión; permite cómo calcular cualquier cosa que queramos saber. Pero si queremos “interpretar” el resultado, nos encontramos con una curiosa incertidumbre fundamental: que varias propiedades de las partículas pequeñas no pueden estar bien definidas de manera simultánea. Por ejemplo, podemos determinar la velocidad de una partícula con mucha precisión, pero entonces no sabremos exactamente dónde se encuentra; o a la inversa, podemos determinar la posición con precisión, pero entonces su velocidad queda mal definida. Si una partícula tiene espín (rotación alrededor de su eje), la dirección alrededor de la cual está rotando (la orientación del eje) no puede ser definida con gran precisión.

La posición y el momento de una partícula nunca lo podremos saber con precisión ilimitada.

No es fácil explicar de forma sencilla de dónde viene esta incertidumbre, pero existen ejemplos en la vida cotidiana que tienen algo parecido. La altura de un tono y la duración en el tiempo durante el cual oímos el tono tienen una incertidumbre mutua similar. Para afinar un instrumento se debe escuchar una nota durante un cierto intervalo de tiempo y compararla, por ejemplo, con un diapasón que debe vibrar también durante un tiempo. Notas muy breves no tienen bien definido el tono.

Para que las reglas de la mecánica cuántica funcionen, es necesario que todos los fenómenos naturales en el mundo de las cosas pequeñas estén regidos por las mismas reglas. Esto incluye a los virus, bacterias e incluso a las personas. Sin embargo, cuando más grande y más pesado es un objeto, más difícil es observar las desviaciones de las leyes del movimiento “clásicas” debidas a la mecánica cuántica. Me gustaría referirme a exigencia tan importante y tan peculiar de la teoría con la palabra “holismo”. Esto no es exactamente lo mismo que entienden algunos filósofos por holismo, y que podría definir como “el todo es más que la suma de sus partes”. Si la física nos ha enseñado algo es justo lo contrario. Un objeto compuesto de un gran de partículas puede ser entendido exactamente si se conocen las propiedades de sus partes (partículas); basta que sepamos sumar correctamente (¡y esto no es nada fácil en mecánica cuántica!). Lo que entiendo por holismo es que, efectivamente, el todo es la suma de las partes, pero sólo se puede hacer la suma si todas las partes obedecen a las mismas leyes. Por ejemplo, la constante de Planck, h, que es igual a 6’626075… × 10^-34 Julios segundo, debe ser exactamente la misma para cualquier objeto en cualquier sitio, es decir, debe ser una constante universal.

La mecánica cuántica es muy extraña a nuestro “sentido común”, sabemos que se desenvuelve en ese “universo” de lo muy pequeño, alejado de nuestra vida cotidiana en el macrocosmos tetradimensional que, no siempre coincide con lo que, en aquel otro ininitesimal acontece.

Las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que refutarlas resulta realmente difícil. Los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisemberg, Paul Dirac y muchos otros mejoraron y completaron las reglas generales. Pero Einstein y otros pioneros como Erwin Schrödinger siempre presentaron serias objeciones a interpretación. Quizá funcione bien, pero ¿dónde está exactamente el electrón?, ¿en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿dónde está en realidad?, y ¿cuál es la realidad que hay detrás de nuestras fórmulas? Si tenemos que creer a Bohr, no tiene sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores son las únicas realidades de las que podemos hablar.

Es cierto que, existe otro universo dentro de nuestro del que, aún, nos queda mucho por aprender.

La mecánica cuántica puede ser definida o resumida así: en principio, con las leyes de la naturaleza que conocemos se puede predecir el resultado de cualquier experimento, en el sentido que la predicción consiste en dos factores: el primer factor es un cálculo definido con exactitud del efecto de las fuerzas y estructuras, tan riguroso como las leyes de Isaac Newton para el movimiento de los planetas en el Sistema Solar; el segundo factor es una arbitrariedad estadística e incontrolable definida matemáticamente de estricta. Las partículas seguirán una distribución de probabilidades dadas, primero de una forma y luego de otra. Las probabilidades se pueden calcular utilizando la ecuación de Schrödinger de función de onda (Ψ) que, con muchas probabilidades nos indicará el lugar probable donde se encuentra una partícula en un dado.

Muchos estiman que esta teoría de las probabilidades desaparecerá cuando se consiga la teoría que explique, de forma completa, todas las fuerzas; la buscada teoría del todo, lo que implica que nuestra descripción actual incluye variables y fuerzas que (aún) no conocemos o no entendemos. Esta interpretación se conoce como hipótesis de las variables ocultas.”

emilio silvera

La sonda Mars Express de la Agencia Espacial Europea captó en Marte las imágenes del cañón más grande del sistema solar, conocido como Valles Marineris, un accidente geográfico de cuatro mil kilómetros de longitud, 200 de ancho y 10 de profundidad.

           Verdaderamente, el Cañón de Marte es, además del más grande el S.S., una maravilla natural

Todos hemos visto, en más de una ocasión, imágenes del planeta Marte de regiones dispares y de variado contenido. Marte, el cuarto planeta desde el Sol, aparece marcadamente rojizo cuando se observa a simple vista. Tiene una delgada atmósfera compuesta (en volumen) por alrededor del 95% de dióxido de carbono, 2,7% de Nitrógeno, 1,6% de Argón, 0,1% de Oxígeno, 0,1% de monóxido de carbono y pequeñas trazas variables de vapor de agua. La presión atmosférica en la superficie es de unos 6 mbar. Las temperaturas superficiales pueden variar entre 0 y -125ºC, siendo la media de -50ºC. Es relativamente común la presencia de nubes blancas de vapor de agua condensada o de dióxido de carbono, particularmente cerca del terminador  y en latitudes polares.

Existen dos casquetes  de hielo de agua permanentes en los polos, que nunca se funden. En invierno éstos aumentan de tamaño al convertirse en casquetes de dióxido de carbono congelado hasta alcanzar los 60º de longitud. Ocurren esporádicamente tormentas de polvo que llegan a cubrir la totalidad del planeta con una neblina amarilla, oscureciendo los accidentes superficiales más familiares.

Recientes imágenes de la NASA muestran “sombras de árboles” sobre la superficie de las dunas en Marte, que en realidad son caminos de arena, según publicaron numerosos periódicos británicos. Un vídeo circulante en Internet muestra imágenes de supuesta vida en Marte tras un retoque digital. Ver para creer.

La superficie de Marte es basalto volcánico con un alto contenido en hierro y, su oxidación, es la responsable de su color característico rojo oxido. El accidente oscuro más prominente, Syrtis Major, dirigida hacia el Este con una inclinación menor que 1º. Existen muchas áreas de dunas de arena rodeando las más grandes los casquetes polares y constituyendo los mayores campos de dunas del Sistema Solar.

                                                                                 Esta es una imagen de Marte (Cortesía de la NASA/JPL)

En el pasado existió una intensa actividad volcánica en Marte. Tharsis Montes es la mayor región volcánica, estando Olympus Mons situado en el Noroeste, y la vasta estructura colapsada Alba Patera, en el Norte. Juntas, estas áreas volcánicas constituyen casi el 10% de la superficie del planeta. Hoy no hay volcanes activos en Marte, aunque en el pasado produjeron llanuras de lava que se extendieron cientos de kilómetros.

Hay distribuidos cráteres de impacto a lo largo de todo Marte, aunque existe una altiplanicie casi completamente cubierta de cráteres, similar a las altiplanicies de la Luna, que cubre casi la mitad de la superficie del planeta, principalmente en el hemisferio Sur. Muchos de los cráteres de impacto más recientes, conocidos como cráteres de terraplén, tienen grandes pendientes en los bordes de su mantos de proyecciones, sugiriendo que la superficie estaba húmeda o llena de barro cuando se produjo el impacto.

Las cuencas de impacto más grandes mejor conservadas son Argyre y Hellas.

Esta es una imagen de la parte de Marte con el Sino Sabaus y de Regio Deucalionis. El cráter a la derecha inferior es Flaugergues, y el doble cráter en la parte inferior izquierda es Wislicenus. Esta imagen fue tomada por el Mariner 6 en 1969. En esta imagen pueden encontrarse muchas características que sugieren ríos Marcianos, e incluso la salida de una llanura central. Se recomienda ver esta imagen en alta resolución. (Cortesía de la NASA/JPL)
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Internamente,  Marte probablemente tiene una litosfera de cientos de kilómetros de grosor, una astenosfera rocosa y un núcleo metálico de aproximadamente la mitad del diámetro del planeta. Marte no posee un campo magnético importante. Tiene dos pequeños satélites, Phobos y Deimos. Su diámetro ecuatorial es de 6 794 Km, su período de rotación axial (sidéreo) es de 24,623 horas, su densidad media es de 3,94 g/cm³, y, si consideramos que la masa de la Tierra = 1, la de Marte es de 0,11, el volumen de Tierra = 1, el de Marte = 0,15. La velocidad de escape es de 5,02 Km/s. Su distancia al Sol es de 1,524 UA.

Pero veamos otros aspectos del planeta Marte que, durante décadas impactó en la imaginación de hombres como Giovanni Virginio Schiaparelli, Percival Lowell y Willian Henry Pickering que, a finales del siglo XIX y principio del XX, insistían en despejar las dudas sobre si existían realmente los Canales que hiucieron famosos estos personajes de leyenda. Más tarde, hace veinticinco años algo curioso sucedió en las cercanías del planeta Marte. La nave Vikingo 1 de NASA se encontraba volando alrededor del planeta, tomando fotografías de posibles lugares para el aterrizaje de la nave hermana Vikingo 2, cuando descubrió, sobre la superficie, una figura en sombras muy semejante a una cara humana. Una cabeza enorme de unos tres kilómetros de extremo a extremo parecía estar devolviendo la mirada a la cámara desde una región del Planeta Rojo conocida como Cidonia.

Imagínense la sorpresa de los controladores de la misión en el Laboratorio de Propulsión a Chorro, cuando la cara apareció en sus consolas. Sin embargo, la sorpresa duró poco tiempo. Los científicos fácilmente concluyeron que ésta era solo otra meseta Marciana, muy común en los alrededores de Cidonia, solo que esta tenía sombras extrañas que la hacían aparecer como un Faraón Egipcio.

Pero, amigos míos, la nave Mars  Global Surveyor le ha abierto a la ciencia un nuevo horizonte en Marte. De alguna forma, el hombre, debe abordar de nuevo desde el principio la búsqueda de la vida en aquel planeta, lleno de secretos que sólo ahora empiezan a desvelarse después de más de un siglo de trepidantes debates entre astrónomos y aficionados.

La nave encontró inequívocos signos de la presencia de agua líquida en el planeta, algo que los científicos llevaban décadas tratando de confirmar. Es conocido que el agua líquida es el principal requisito para la vida tal como la conocemos nosotros, y si en el planeta rojo existe ese preciado elixir, como se ha podido comprobar mediante las investigaciones de la NASA, las posibilidades de que Marte sea un mundo vivo siguen plenamente vigentes.

Nombrar aquí a todos los personajes que, de una u otra manera han intervenido en la esperanza de encontrar vida en el planeta hermano, sería algo tedioso, pero no puedo dejar atrás al astrónomo más destacado de la historia reciente, Carl Sagan fue quien mantuvo siempre la esperanza en un Marte vivo, aunque su muerte ni siquiera le concedió la oportunidad de asistir a las siguientes misiones de la NASA en el planeta rojo, que en contraposición al balance de las Viking han permitido reabrir claramente las esperanzas de hallar vida allí, si no en el presente, tal vez si en el pasado.

El examen de las rocas marcianas realizado por la Mars Pathfinder y su juguetón vehículo todoterreno Sojourner confirmó lo que ya tenían claro muchos expertos: el agua había pasado por allí, probablemente hace muchos millones de años, tal como revelan las huellas dejadas por gigantescas corrientes en las zonas de aterrizaje.

Estudiando el terreno en muchas de las regiones del planeta, de manera clara y precisa, se puede comprobar la presencia de agua que, al parecer, brota desde el subsuelo. Es preciso no perder de vista el carácter altamente volcánico de Marte que, hace mucho tiempo tuvo una gran actividad de importantes erupciones y, la enorme cantidad de lava que corría por inmensas zonas del planeta, entre otras cosas, debieron oradar el terreno abriendo enormes galerias subterráneas que, en la actualidad, al estar situadas en las profundidades del planeta, deben tener una temperatura mayor que en la superficie, están resguardadas de la radiación, y, si el agua corre por allí, no sería nada extraña que, colonias de bacterias, hongos y líquenes estuvieran bien asentadas a ese nivel interior.

Tenemos que convenir que Marte, sigue siendo uno de los planetas más misteriosos del Sistema Solar, y, desde luego, es un buen aspirante para encontrar signos de vida presente, o, en último caso, del pasado. Nada puede negar la posibilidad de la existencia de agua líquida que pueda subsistir de forma permanente bajo la protección del suelo marciano, y si existen oasis en el subsuelo no puede descartarse en absoluto que Marte albergue sus propios  ecosistemas  subterráneos, lejos de la mortífera radiación ultravioleta que lelgan desde el Sol y de la que los seres vivos no pueden protegerse en la superficie al no haber una atmósfera lo suficientemente densa.

Cualquiera, hasta un profano, que observe algunas de las fotografías obtenidas en la sima Candor o de Ophir Chasma, ambas en Valles Marineris, tendrá ante sus ojos la prueba de que la historia de Marte no nos habla de un planeta estéril. Valles Marineris es, de hecho, el más completo entramado de cañones fluviales de todo el Sistema Solar, ya que tiene una longitud de 4.100 Km, una anchura aproximada a los 500 y puntos en los que la profundidad, alcanzan los 4 km. Aunque en sus agrestes formas parecen haber intervenido los movimientos internos de la corteza marciana, se da por hecho que fue el agua el principal agente que modeló lo que podríamos considerar como uno de los más bellos y extensos “parques naturales” de todo el  Sistema Solar.

A mí, todos estos escenarios me hacen imaginar…¡tantas cosas!

Está claro que, hoy en día sabemos de los océanos y mares que, hace millones de años adornaban el planeta Marte, y, sus Imágenes de hoy, claramente nos hablan de las correntías de cantarinos torrentes fluviales que, corriente abajo, oradaban las superficie del planeta dejando la huella de su presencia allí.

Valles Marineris y otros lugares del planeta tienen las pruebas de lo que Marte, en epasado fue. Puede ser que Lowell se equivocara sobre la existencia de unos canales construídos por la mano de seres inteligentes en aquel planeta. Él concibió “los canales” como obras de ingenieria de una civilización inteligente para transportar el agua, pero quizá no lo estuviera en lo más importante, es decir, en su convicción sobre la existencia de vida en Marte. Es algo que no sabemos aún pero que, probablemente, no tardaremos mucho en saber.

Una fotografía de la sonda Explorer Spirit, misión de la Nasa que está en Marte, reveló una extraña figura humanoide en medio del terreno rojizo del planeta, que los científicos intentan explicar. Una foto sorprendente de la Nasa, perteneciente a su misión de la Mars Explorer Spirit, causó conmoción al revelar una figura inequívocamente humanoide caminando cerca de una formación rocosa del planeta. Según los escépticos, se trata de una caprichosa formación de las rocas, pero de todos modos la fotografía no deja de asustar y, de camino, despierta la imaginación de lo que podría ser.

De Marte, el planeta misterioso que tantos sueños y pensamientos pudo en nuestras jóvenes mentes, es el enigma que todos queremos desvelar. Si cerramos los ojos y nos imaginamos aquel planeta con océanos, mares, ríos y lagos que, con sus altos volcanes (uno de ellos tiene la friolera de más de 20 Km de altura) y sus bellos paisajes, con una atmósfera como la de la Tierra, en verdad, sería un planeta digno de ser visitado, o, ¿por qué no? para asentar allí la residencia.

¿Qué,  el viaje a Marte os haya gustado?

emilio silvera

 « Nuestra vecindad galáctica más cercana

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

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

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

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

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

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

Bosones: Partículas de “cambio”, partículas “soporte”, partículas “mensajeras” o partículas “indicadoras”. Contienen o son intermediarias de las cuatro fuerzas: electromagnetismo (conducido por el fotón), la fuerza débil (conducida por los vectores bosones intermedios), la gran fuerza nuclear (por los gluones) y la gravedad (por el gravitón aún no detectado). A finales de lños años setenta, las fuerzas elecdtromagnética y débil se unificaron en lo que llamamos la fuerza electrodébil. La teoría electrodébil predice un bosón masivo denominado partícula de Higgs que, también estamos tratando de “cazar”.

            Representación de los tres bosones intermediarios en la fuerza electrodébil

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Los fullerenos podrían ser los responsables de haber llevado a la Tierra sustancias capaces de impulsar el inicio de la vida. Los científicos han podido encontrar moléculas de fullerenos en las nubes espaciales que podrían ser, las precursorasa de la vida.

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

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

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

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

                 ¿Quién puede creer en esto a estas alturas?

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

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

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

        Aquí, unidad es una molécula de Dióxido de Carbono.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

emilio silvera

 

 Eninstein recibió una carta de un matemático deconocido llamado Kaluza que, elevando la teoría a la quinta dimensión, conseguía unificar la Relatividad con el electromagnetismo de Maxwll. Cuando leyó la carta y comprendió la interessante idea de Kaluza se entusiasmó con ella,  pero pronto comprendió que con esa teoría no se podía predecir nada y la abandonó. La característica esencial de este diagrama de abajo es que la materia, junto con las ecuaciones de Yang-Mills y de Einstein, está incluida en el mismo campo de supergravedad de 11 dimensiones. Veámosloas.

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la no ha sido detectado.

Los expertos en supergravedad redescubrieron idea de Kaluza y Klein.Una vez que hemos empezado a considerar muchas dimensiones extra, entramos en una especie de Valhalla de las matemáticas donde podemos enrollar las cosas de muchas maneras diferentes. Las componentes de los campos de fuerza gravitatorias en las direcciones enrolladas actúan como diferentes campos gauge. Obtenemos así, prácticamente por nada, no sólo electromagnetismo sino también otras fuerzas gauge. El mágico de dimensiones es 11, tres de las cuales forman el espacio ordinario, una el tiempo y las siete restantes están enrolladas. Haciendo ciertos trucos con los números, este sistema resulta tener una simetría mayor que nuestro viejo sistema espacio-temporal de cuatro dimensiones. Los campos y las partículas observadas ahora pueden ser fácilmente acomodados, ya que una simetría mayor significa que los indeseados infinitos se cancelan unos a otros con mayor perfección que antes.

Ciertamente esta idea, esta idea parece ser la contraria a la noción de que el espacio y el tiempo sean nada más que puntos aislados, ya que entonces la noción de “dimensión” deja de tener sentido. Pero los matemáticos no se sienten amenazados por tales contracciones aparentes. De acuerdo con ellos,  hay todo de relaciones entre los espacios enrollados y la matemática de los números enteros, “sueltos” (uno podría indicar los puntos aislados del espaciotiempo con enteros). ¿Podría ser que exitieran diferentes formas de describir nuestro espacio y el tiempo que todas fueran matemáticamente equivalentes? Simplemente no lo sabemos.

Lo que sospecho es que la Supergravedad de dimensión once que sólo sea, en el mejor de los casos, la punta de un amravilloso Iceberg, p que sea simplemente errónea.

                                          Se intenta y se utilizan energías inmensas pero, no siempre podemos ver todo lo que hay

No deberíamos olvidar en este  que estamos tratando de suposiciones y que los argumentos teóricos que la sustentan son aún, extremadamente débiles. ¿Por qué supersimetría? ¿Por qué Once Dimensiones? ¿Por qué en este mundo todo debería ser maravillosamente simétrico? Y, sobre todo, ¿por qué un continuo, si ya sabemos que el espacio y el tiempo han perdido su significado habitual a distancias ultracortas? Además está la dificultad persistente en clase de teorías de que las interacciones entre partículas son siempre tratadas como perturbaciones que afectan a sus trayectorias las cuales, de otra manera, serían perfectamente rectilineas.

Pero entonces habrá nuevas (y diferentes) perturbaciones sobre esas trayectorias perturbadas, y perturbaciones sobre ellas, y así sucesivamente. esta serie de perturbaciones no acaba nunca y este es un problema que se impone en cualquier proceso de formulación exacta.

Es cierto que este problema también afecta al viejo “modelo estándar”, pero al menos allí se podría argüir que, donde realmente importaba, las fuerzas podrían mantenerse pequeñas  y que la serie de perturbaciones convergía rápidamente. Esto no se mantener así en nuestra teoría de la (super)  Gravedad, ya que a distancias pequeñas las interacciones se hacen fuertes.

Los Quarks permacen confinados dentro del núcleo formando protones y neutrones y, tratan de separase, la fuerza nuclear fuerte aumenta, en cambio, cuando los Quarks están juntos, se mueven con facilidad y la fuerza disminuye: Libertad asintótica de los Quarkas.

Es cierto que fue un alivio aquellas primeras dificultades serias en esta teoría, u resultó que no era posible tener infinitos que se cancelasen en diagramas con más de siete lazos cerrados. La teoría, o mejor dicho, la especulación de que esto fuese una “teoría de todo” se abandonó (como otras veces ocurrió) porque algo mñás interesante apareció en el horizonte de la Física. ¡Las Supercuerdas!

Aunque hemos hablado mucho de ellas, creo que debemos profundizar algo más en prometedora teoría y, aunque de momento es sólo una especulación avanzada…¿quién sabe? lo que nos podría traer. Hablaremos de ella en próximos trabajos.

emilio silvera