Cuando el epicentro de un terremoto se produce en la costa, las consecuencias también pueden ser devastadoras al crearse un Tsunami que arrasará la ciudad mñás cercana sin importar lo grande que esta pueda ser, y, las victimas mortales y destrozos causados están más que asegurados.,

Sin embargo, en conjunto, los terremotos representan una fracción muy pequeña de la energía liberada por los procesos tectónicos de la Tierra. Desde 1.900, en los mayores terremotos se han liberado anualmente una energía media cercana a los 450 PJ, que no supone más del 0’03 por ciento del flujo total de calor terrestre. La liberación anual de energía sísmica de todos los terremotos que se han medido alcanza unos 300 GW, que sumada a la energía de esfuerzo invertida en deformaciones irreversibles y al calor generado por fricción a lo largo de las fallas, daría un total próximo a 1 TW, lo cual representa solamente un 2’5 por ciento del flujo de calor global

Un día de hace ya cerca de veinte años, allá por el año 1996, el pueblo americano escuchaba con asombro a su presidente, Clinton por aquel entonces, que en Marte podía existir vida. La noticia de que un antiguo meteorito caido en la Tierra y proveniente de dicho planeta, así parecía confirmarlo al contener fósiles de vida microbiana. Como podreis comprender, aquello impactó en la opinión pública de todo el mundo y, la noticia, fue objeto de todas las primeras planas y tambien, de todas las conversaciones en los corrillos en el trabajo, en el café, por las calles y en familia. ¡Vida en otro planeta!

A partir de aquel momento, cualquier señal se asimiló a la presewncia de vida allí

Aunque no lo podamos saber y no estemos al tanto de lo que pasa en el mundo científico (las noticias saltan cuando hay un descubrimiento relevante), lo cierto es que, durante los últimos años los científicos han llevado a cabo una espectacular puesta al día de sus ideas sobre el origen de la vida. Todos hemos podido leer en los libros de texto que, la vida, comenzó temprano en nuestro planeta. Según todos los indicios (los fósiles encontrados en las rocas más antiguas así lo afirman), la vida ha estado presente en la Tierra desde hace ya unos cuatro mil millones de años.

¿Quién está en posesión de asegurar o de negar nada, en relación a la presencia de vida en el pasado o en el presente en el planeta hermano que llamamos Marte? Sabemos mucho de la historia de aquel planeta y, el misterior que lo rodea de cómo pudo perder sus océanos y su atmósfera nos ctrae de cabeza. Sabemos que hace algunos millones de años puedo ser como la Tierra y, si es así (que lo es), a dón de marchó la posible clase de vida que ocupaba las distintas regiuones de aquel mundo.

Según nuestro poco conocimiento, algo nos hace sospechar de que, el único lugar al que pudo emigrar la vida, fue al subsuelo, allí existen innumerables tubos baturales por los que corría la lava igbea de un planeta con abundante actividad volcánica. En esas profundidades, las temperaturas son más altas y el agua, puede correr libremente, y, si hay agua líquida presente… ¡la vida no andará lejos!

   Encuentran microbios a dos kilómetros bajo tierra en un cráter en EEUU

Parece ahora que los primeros organismos terrestres vivían en el subsuelo profundo al calor de la joven Tierra, enterrados en rocas calentadas geotérmicamente en condiciones similares a las que podríamos encontrar en una olla a presión. Sólo posteriormente migraron estos organismos a la superficie. Sirprendentemente, los descendientes de esos microbios primordiales aún están allí, a kilómetros de profundidad bajo nuestros pies.

Hace algunos años nadie podía sospechar que la vida pudiera estar presente en un ambiente tan inhóspito escondidos en las rocas bajo la superficie de la Tierra y…  ¿de Marte?.

                                    Fotografía del meteorito ALH 84001

¿Cómo empezó la vida exactamente? ¿Qué procesos físicos químicos pueden transformar la materia “inerte” en un  organismo viv0? Esta compleja pregunta sigue siendo uno de los más grandes misterios de la naturaleza y quizás, el reto científico también mayor. Ejercitos de químicos y biólogos desde hace años, están abordando el complejo problema y tratan de desvelar el secreto tan celosamente guardado por la Naturaleza. Muchos de ellos, han tenido que concluir diciendo que, las leyes de la Naturaleza están predispuestas a favor de la vida y dicen que la vida se formará y surgirá en todos aquellos lugares que tengan las condiciones idóneas para ello.

             Vista  microscópica de la estructura interna del ALH 84001

Así que, no sólo en la Tierra o Marte, también la vida podría estar presente en cualquier luna o planeta que, situado en la zona habitable de la estrella que los acoge, con atmósfera y elementos químicos y los demás ingredientes necesarios (Carbono, Hidrógeno,Oxígeno, Nitrógeno…) además de la presencia también de alguna clase de actividad tectónica-volcánica, una capa de ozono, la presencia de gases con efecto invernadero, agua líquida, ¿un planeta gigante?, existencia de un campo magnético…

La tectónica de placas y el vulcanismo activo de nuestro planeta habrían tenido un importante papel para mantener el clima estable. Estos procesos actúan como un gigantesco termostato natural que regula la cantidad de dióxido de carbono de la atmósfera, y manteniendo el efecto invernadero a raya.

Los gases de efecto invernadero tan satanizados hoy en día, son absolutamente imprescindibles para la vida. Los más importantes son el dióxido de carbono, vapor de agua y el metano que atrapan el calor del Sol que de otra forma escaparía al espacio. Sin estos gases en la atmósfera, el planeta entero sería un gigantesco congelador.

La capa de ozono es crítica para las plantas y animales bloqueando la mayor parte de estos nocivos rayos de alta energía procedentes del Sol.

El agua líquida es absolutamente imprescindible para la vida como la conocemos. Los océanos proporcionan el ambiente líquido perfecto para que proliferen los orgamisnos vivos. A pesar de todo, existen algunos organismos vivos exóticos capaces de sobrevivir en ambientes mucho más secos. El agua se filtra a gran profundidad en las rocas actuando además como lubricante natural en los movimientos de las placas tectónicas.

Este es uno de los aspectos más importantes para que la vida pueda desarrollarse. La zona habitable de un sistema estelar se suele definir como aquella región del sistema en la que el agua puede existir en forma líquida. Distancias menores a la estrellas provocarían que los océanos hirviesen y se secasen, distancias mayores causarían que los océanos se congelasen.

Algunos científicos opinan que la existencia de un planeta masivo como Júpiter en nuestro Sistema solar solar protege a la Tierra de impactos de asteroides y cometas. Júpiter actuaría como un escudo, absorbiendo la mayoría de impactos de asteroides y cometas, capaces de provocar una enorme destrucción en la biosfera.

Un planeta habitable necesitaría un campo magnético capaz de protegerlo de la embestida de partículas cargadas del viento estelar desviando la corriente. Sin la presencia de un campo magnético, el viento solar o estelar podría arrancar la atmósfera del planeta que escaparía al espacio. Un campo magnético también protege de la radiación cósmica…

La creencia en que la vida está inscrita en las leyes de la Naturaleza trae un débil eco de una era religiosa pasada, de un universo concebido para ser habitado por criaturas vivas. Muchos científicos menosprecian tales ideas, e insisten en que el origen de la vida  fue un accidente anómalo de la química que sólo se dio en la Tierra; y que la posterior emergencia de organismos complejos, incluyendo los seres conscientes, es así mismo un resultado puramente fortuito de una gigantesca lotería cósmica. En este debate está en juego el lugar mismo de la Humanidad en el Cosmos: ¿Quiénes somos y dónde encajamos dentro del gran esquema?

Bueno, ahora estamos vigilantes y queremos desvelar ese misterio. En cuanto a que todo esto es el resultado de una gran loteria cósmica… me parece que no. En una loteria sale un número y, sin embargo, en lo relativo a la vida, sabemos que actualmente sólo viven en nuestro planeta aproximadamente un uno por ciento de todas las especies que lo han poblado a lo largo de su existencia. Y, si es así (que lo es), ¿cómo es posible esa diversidad de criaturas en un caso fortuito? ¿No será más lógico pensar que, la vida, es consustancial de la dinámica del Universo?

Hemos conformado un modelo del universo y de él partimos para poder explicar su Historia. Hemos inventado un Big Bang que, en parte, nos explica el suceso de la presencia del universo y de cómo pudo surgir. Su nacimiento explosivo estuvo acompañado por un inmenso destello de calor intenso. Durante la primera fracción se segundo emergieron las fuerzas físicas básicas y las partículas fundamentales de la materia. Al cabo de este primer segundo, los materiales esenciales del Cosmos ya estaban formados. El espacio está repleto por todas partes de una sopa de partículas subatómicas -protones, neutrones y electrones– bañadas en radiación a una temperatura de dies mil millones de grados.

Bueno, lo que en realidad estamos llamando el principio aquí es el universo cuando la temperatura rondaba los 100,000,000,000 K. El universo ya había existido al menos por una pequeña fracción de segundo y estaba dominado por radiación con unas pequeñas trazas de materia. La radiación estaba en forma de fotones, neutrinos y antineutrinos. La materia estaba en forma de electrones, positrones y una pequeña concentración de protones y neutrones (denominados nucleones) – aproximadamente un nucleón por cada 1,000 millones de partículas -.

A estas temperaturas y densidades tan extremas (la densidad equivalía a unos 3.800 millones de veces la densidad del agua), todas estas entidades se comportan como partículas. Eso significa que están todo el tiempo colisionando entre ellas, casi como lo harían un montón de canicas que estuvieran bien empaquetadas en un container. En el universo primitivo no existían “paredes” físicas que contuvieran a esas partículas, sino que el elevado número de colisiones y la rapidez de éstas jugaban perfectamente el papel de “paredes del universo”. Sin embargo, esas “paredes” no eran estáticas, sino que a medida que se producían las colisiones el universo aumentaba de tamaño. La expansión del universo producía una disminución de la densidad de energía que tenía que distribuirse en un volumen cada vez mayor. Este proceso implicaba a su vez una disminución de la temperatura del universo, proceso que continúa ocurriendo hoy en día.

 Las colisiones entre partículas tenían tres importantes consecuencias. La primera es que el universo estaba en equilibrio térmico. Para dar al lector una idea de lo que esto significa, vamos a fijarnos en un vaso de agua a 40 grados. La temperatura de un objeto es una medida de la energía media del movimiento (energía cinética) de sus moléculas. Pero no todas las moléculas la misma energía cinética correspondiente a una temperatura de 40 grados, sino que existen moléculas con menos energía y moléculas con más energía.

PRIMER CAMINO

Los núcleos de deuterio colisionan con un protón formando ³He, y seguidamente con un neutrón formando ⁴He

SEGUNDO CAMINO

El deuterio colisiona primero con un neutrón formando ³H (habitualmente conocido como tritio), y posteriormente con un protón para formar de nuevo ⁴He

Este núcleo fue el más pesado que se formó en el universo primitivo, debido a que en el momento en que esto fue posible, la densidad de energía ya era demasiado baja para permitir que los núcleos colisonarán con suficiente energía para fundirse. En el momento en que comenzó la nucleosíntesis, la abundancia relativa de protones y neutrones era: 13% de neutrones y 87% de protones. Todos los neutrones fueron utilizados para formar los núcleos de Helio. Los protones quedarían de esa manera como núcleos de hidrógeno. Por lo tanto, tenemos que en el momento en que se completó la nucleosíntesis primigenia, el universo consistía en prácticamente un 25% de He y un 75% H (en peso) con ligeras trazas de otros elementos ligeros.

El paso final en la formación de los elementos fue la captura de los electrones libres por parte de los núcleos para formar los átomos neutros (proceso conocido curiosamente como recombinación a pesar de que es la primera vez que se ligaban electrones y núcleos).

Pero los electrones tenían aún suficiente energía para y el proceso de recombinación no ocurriría de forma masiva hasta que transcurrieran unos 700,000 años. La captura de los electrones para formar los átomos tuvo una consecuencia importantísima: sin electrones libres, la radiación electromagnética (los fotones) ya no tenían con quién interactuar y el universo se volvería transparente al paso de ésta. Esto significó que los fotones serían capaces de expandirse junto con el universo. Esos fotones que acabaron por ser libres tenían energías altísimas que se traducía en longitudes de onda muy cortas. Pero la expansión del universo causó el alargamiento de esta longitud de onda. Esos fotones de longitud de onda alargada debida a la expansión son a los que nos referimos cuando hablamos del fondo de microondas. Éste es un remanente del Big Bang. Hemos sido capaces de medir la intensidad de este fondo de radiación que se ajusta casi perfectamente a lo que predicen los cálculos teóricos. Ésta ha sido una de las evidencias más rotundas a favor de la imagen del universo que proporciona el modelo del Big Bang.

Unos doscientos millones de años más tarde de todos aquellos sucesos, el universo estaba más frío y los átomos se unieron para formar las primeras estrellas que comenzaron a brillar en el espacio interestelar del jóven universo. Así, durante diez mil millones de años, se fueron transmutando nuevos materiales en los nucleares, las estrellas masivas habían explosionado y dejado el rastro de nubes moleculares gigantescas, nacieron nuevas estrellas de II generación situadas en Sistemas solares que posibilitaron, presididos por una estrella mediana, amarilla de la clase G2V, que en un planeta situado a la distancia adecuada y con todos los ingredientes y parámetros necesarios, surgieran seres vivios a partir de la materia “inerte” evolucionada y, en alguna de aquellas especies, cuatro mil años más tarde, se llegó a adquirir la conciencia.

Personajes como Fred Hoyle, Brandon Carter, Eugene Wigner, Erwin Schrödinger, Martin Rees, Bernard Carr, Freeman Dyson y Tommy Gold, Lewis Wolpert y Sydney Brenner, Jhon Coway y Manfred Eigen y Grahan Cairns-Smith. Todos ellos grtandes especialistas en sus campos que abarcaban desde la biología, las matemáticas, la genética hasta la astronomía y la astrofísica…Todos ellos y más tarde otros,  como Casrl Sagan, creyeron ciegamente en la existencia de la vida por todo el universo. Para ellos (y para mí también), era una regla inamovible y consustancial con la dinámica y el ritmo que marca el Universo para que la Vida, esté en él presente.

La historia científica de la vida es una narración apasionante que, correctamente explicada, nos ayuda a comprender no sólo nuestro pasado biológico sino también la Tierra y toda la vida que nos rodea en la actualidad. Esa diversidad biológica es el producto de casi cuatro mil millones de años de evolución. Somos parte de ese legado; al intentar comprender la historia evolutiva de la vida, comenzamos a entender nuestro propio lugar en el mundo y nuestra responsabilidad como administradores de un planeta que nos dio cobijo y al que nos tuvimos que adaptar lo mismo que él, el planeta, se adaptó a la presencia de la vida que, de alguna manera cambió su entorno climático, precisamente debido, a esa presencia viviente que generó las precisas condiciones para poder estar aquí.

La historia de la vida tiende a relatarse (no pocas veces) al estilo de la genealogía de Abraham: las bacterias engendraron a los protozoos, los protozoos engendraron a los invertebrados, los invertebrados engendraron a los peces, y así sucesivamente. Tales listas de conocimientos adquiridos pueden memorizarse, pero no dejan mucho espacio para pensar. La cuestión no es tan sencilla y los descubrimientos de la paleontología, la más tradicional de las empresas científicas, se entrelazan con nuevas ideas nacidas de la biología molecular y la geoquímica.

Los huesos de los Dinosaurios son grandes y espectaculares y hacen que los que los contemplan (niños y mayores), abran los ojos como platos, asombrados de tal maravilla. Pero, aparte del tamaño de sus habitantes, el mundo de los dinosaurios se parecía mucho al nuestro. Contrasta con él la historia profunda de la Tierra, que nos cuentan fósiles microscópicos y sutiles señales químicas y que es, pese a ello, un relato dramático, una sucesión de mundos desaparecidos que, por medio de la transformación de la atmósfera y una evolución biológica, nos llevan hacia el mundo que conocemos hoy.

Pero, ¿cómo podemos llegar a comprender acontecimientos que se produjeron hace mil millones de años o más? Una cosa es aprender que en las llanuras mareales de hace mil quinientos millones de años vivían bacterias fotosintéticas, y otra muy distinta cómo se infiere que unos fósiles microscópicos pertenecen a bacterias fotosintéticas, cómo se averigua que las rocas que los rodean se formaron en antiguas llanuras mareales y cómo se estima su edad en mil quinientos millones de años.

En el centro del átomo se encuentra un pequeño grano compacto aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el propio átomo: el núcleo atómico. Su masa, e incluso más aún su carga eléctrica, determinan las propiedades del átomo del cual forma parte. Debido a la solidez del núcleo parece que los átomos, que dan forma a nuestro mundo cotidiano, son intercambiables entre sí, e incluso cuando interaccionan entre ellos para formar sustancias químicas (los elementos). Pero el núcleo, a pesar de ser tan sólido, puede partirse. Si dos átomos chocan uno contra el otro con gran velocidad podría suceder que los núcleos llegaran a chocar entre sí y entonces, o bien se rompen en trozos, o se funden liberando en el proceso partículas subnucleares. La nueva física de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por los nuevos acertijos que estas partículas planteaban.

Pero tenemos la mecánica cuántica; ¿es que no es aplicable siempre?, ¿cuál es la dificultad? Desde luego, la mecánica cuántica es válida para las partículas subatómicas, pero hay más que eso. Las fuerzas con que estas partículas interaccionan y que mantienen el núcleo atómico unido son tan fuertes que las velocidades a las que tienen que moverse dentro y fuera del núcleo están cerca de la velocidad de la luz, c, que es de 299.792’458 Km/s. Cuando tratamos con velocidades tan altas se necesita una segunda modificación a las leyes de la física del siglo XIX; tenemos que contar con la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Esta teoría también fue el resultado de una publicación de Einstein de 1905. en esta teoría quedaron sentadas las bases de que el movimiento y el reposo son conceptos relativos, no son absolutos, como tampoco habrá un sistema de referencia absoluto con respecto al cual uno pueda medir la velocidad de la luz.

Pero había más cosas que tenían que ser relativas. En este teoría, la masa y la energía también dependen de la velocidad, como lo hacen la intensidad del campo eléctrico y del magnético. Einstein descubrió que la masa de una partícula es siempre proporcional a la energía que contienen, supuesto que se haya tenido en cuenta una gran cantidad de energía en reposo de una partícula cualquiera, como se denota a continuación:

E = mc²

Como la velocidad de la luz es muy grande, esta ecuación sugiere que cada partícula debe almacenar una cantidad enorme de energía, y en parte esta predicción fue la que hizo que la teoría de la relatividad tuviese tanta importancia para la física (¡y para todo el mundo!). Para que la teoría de la relatividad también sea autoconsistente tiene que ser holista, esto es, que todas las cosas y todo el mundo obedezcan a las leyes de la relatividad. No son sólo los relojes los que se atrasan a grandes velocidades, sino que todos los procesos animados se comportan de la forma tan inusual que describe esta teoría cuando nos acercamos a la velocidad de la luz. El corazón humano es simplemente un reloj biológico y latirá a una velocidad menor cuando viaje en un vehículo espacial a velocidades cercanas a la de la luz. Este extraño fenómeno conduce a lo que se conoce como la “paradoja de los gemelos”, sugerida por Einstein, en la que dos gemelos idénticos tienen diferente edad cuando se reencuentran después de que uno haya permanecido en la Tierra mientras que el otro ha viajado a velocidades relativistas.

Einstein comprendió rápidamente que las leyes de la gravedad también tendrían que ser modificadas para que cumplieran el principio relativista.

Para poder aplicar el principio de la relatividad a la fuerza gravitatoria, el principio tuvo que ser extendido de la siguiente manera: no sólo debe ser imposible determinar la velocidad absoluta del laboratorio, sino que también es imposible distinguir los cambios de velocidad de los efectos de una fuerza gravitatoria.

Einstein comprendió que la consecuencia de esto era que la gravedad hace al espacio-tiempo lo que la humedad a una hoja de papel: deformar la superficie con desigualdades que no se pueden eliminar. Hoy en día se conocen muy bien las matemáticas de los espacios curvos, pero en el época de Einstein el uso de estas nociones matemáticas tan abstractas para formular leyes físicas era algo completamente nuevo, y le llevó varios años encontrar la herramienta matemática adecuada para formular su teoría general de la relatividad que describe cómo se curva el espacio en presencia de grandes masas como planetas y estrellas.

Einstein tenía la idea en su mente desde 1907 (la relatividad especial la formuló en 1905), y se pasó 8 años buscando las matemáticas adecuadas para su formulación.

El tensor de Riemann contiene toda la información necesaria para poder describir un espacio curvo en N-dimensiones. Se necesita dieciséis números para …

Leyendo el material enviado por un amigo al que pidió ayuda, Einstein quedó paralizado. Ante él, en la primera página de una conferencia dada ante el Sindicato de Carpinteros, 60 años antes por un tal Riemann, tenía la solución a sus desvelos: el tensor métrico de Riemann, que le permitiría utilizar una geometría espacial de los espacios curvos que explicaba su relatividad general.

No está mal que en este punto recordemos la fuerza magnética y gravitatoria que nos puede ayudar a comprender mejor el comportamiento de las partículas subatómicas.

El electromagnetismo, decíamos al principio, es la fuerza con la cual dos partículas cargadas eléctricamente se repelen (si sus cargas son iguales) o se atraen (si tienen cargas de signo opuesto).

La interacción magnética es la fuerza que experimenta una partícula eléctricamente cargada que se mueve a través de un campo magnético. Las partículas cargadas en movimiento generan un campo magnético como, por ejemplo, los electrones que fluyen a través de las espiras de una bobina.

Esta teoría del electromagnetismo de Maxwell tenía la particularidad de que requería que la velocidad de la luz tuviera un valor fijo y definido, que normalmente se conoce como c, y que un unidades ordinarias es aproximadamente 3 × 10⁸ metros por segundo.

Las fuerzas magnéticas y eléctricas están entrelazadas. En 1873, James Clerk Maxwell consiguió formular las ecuaciones completas que rigen las fuerzas eléctricas y magnéticas, descubiertas experimentalmente por Michael Faraday. Se consiguió la teoría unificada del electromagnetismo que nos vino a decir que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una misma cosa.

La interacción es universal, de muy largo alcance (se extiende entre las estrellas), es bastante débil. Su intensidad depende del cociente entre el cuadrado de la carga del electrón y 2hc (dos veces la constante de Planck por la velocidad de la luz). Esta fracción es aproximadamente igual a 1/137’036…, o lo que llamamos α y se conoce como constante de estructura fina.

En general, el alcance de una interacción electromagnética es inversamente proporcional a la masa de la partícula mediadora, en este caso, el fotón, sin masa.

También antes hemos comentado sobre la interacción gravitatoria de la que Einstein descubrió su compleja estructura y la expuso al mundo en 1915 con el nombre de teoría general de la relatividad, y la relacionó con la curvatura del espacio y el tiempo. Sin embargo, aún no sabemos cómo se podrían reconciliar las leyes de la gravedad y las leyes de la mecánica cuántica (excepto cuando la acción gravitatoria es suficientemente débil).

La teoría de Einstein nos habla de los planetas y las estrellas del cosmos. La teoría de Planck, Heisemberg, Schrödinger, Dirac, Feynman y tantos otros, nos habla del comportamiento del átomo, del núcleo, de las partículas elementales en relación a estas interacciones fundamentales. La primera se ocupa de los cuerpos muy grandes y de los efectos que causan en el espacio y en el tiempo; la segunda de los cuerpos muy pequeños y de su importancia en el universo atómico. Cuando hemos tratado de unir ambos mundos se produce una gran explosión de rechazo. Ambas teorías son (al menos de momento) irreconciliables.

La presencia de masas determina la geometría del espacio

• La interacción gravitatoria actúa exclusivamente sobre la masa de una partícula.
• La gravedad es de largo alcance y llega a los más lejanos confines del universo conocido.
• Es tan débil que, probablemente, nunca podremos detectar esta fuerza de atracción gravitatoria entre dos partículas elementales. La única razón por la que podemos medirla es debido a que es colectiva: todas las partículas (de la Tierra) atraen a todas las partículas (de nuestro cuerpo) en la misma dirección.

La partícula mediadora es el hipotético gravitón. Aunque aún no se ha descubierto experimentalmente, sabemos lo que predice la mecánica cuántica: que tiene masa nula y espín 2.

La ley general para las interacciones es que, si la partícula mediadora tiene el espín par, la fuerza entre cargas iguales es atractiva y entre cargas opuestas repulsiva. Si el espín es impar (como en el electromagnetismo) se cumple a la inversa.

Pero antes de seguir profundizando en estas cuestiones hablemos de las propias partículas subatómicas, para lo cual la teoría de la relatividad especial, que es la teoría de la relatividad sin fuerza gravitatoria, es suficiente.

            Viajar al “mundo” de lo muy pequeño resulta fascinante

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones, que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrón recuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 10⁶ electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 10⁶ (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementales.

La mayoría de los núcleos atómicos contienen más neutrones que protones. Los protones se encuentran tan juntos en el interior de un núcleo tan pequeño que se deberían repeles entre sí fuertemente, debido a que tienen cargas eléctricas del mismo signo. Sin embargo, hay una fuerza que los mantiene unidos estrechamente y que es mucho más potente e intensa que la fuerza electromagnética: la fuerza o interacción nuclear fuerte, unas 10² veces mayor que la electromagnética, y aparece sólo entre hadrones para mantener a los nucleones confinados dentro del núcleo. Actúa a una distancia tan corta como 10^{-15 metros, o lo que es lo mismo, 0’000000000000001 metros.}

La interacción fuerte está mediada por el intercambio de mesones virtuales, 8 gluones que, como su mismo nombre indica (glue en inglés es pegamento), mantiene a los protones y neutrones bien sujetos en el núcleo, y cuanto más se tratan de separar, más aumenta la fuerza que los retiene, que crece con la distancia, al contrario que ocurre con las otras fuerzas.

La luz es una manifestación del fenómeno electromagnético y está cuantizada en “fotones”, que se comportan generalmente como los mensajeros de todas las interacciones electromagnéticas. Así mismo, como hemos dejado reseñado en el párrafo anterior, la interacción fuerte también tiene sus cuantos (los gluones). El físico japonés Hideki Yukawa (1907 – 1981) predijo la propiedad de las partículas cuánticas asociadas a la interacción fuerte, que más tarde se llamarían piones. Hay una diferencia muy importante entre los piones y los fotones: un pión es un trozo de materia con una cierta cantidad de “masa”. Si esta partícula está en reposo, su masa es siempre la misma, aproximadamente 140 MeV, y si se mueve muy rápidamente, su masa parece aumentar en función E = mc². Por el contrario, se dice que la masa del fotón en reposo es nula. Con esto no decimos que el fotón tenga masa nula, sino que el fotón no puede estar en reposo. Como todas las partículas de masa nula, el fotón se mueve exclusivamente con la velocidad de la luz, 299.792’458 Km/s, una velocidad que el pión nunca puede alcanzar porque requeriría una cantidad infinita de energía cinética. Para el fotón, toda su masa se debe a su energía cinética.

La cámara de niebla, también conocida como cámara de Wilson, es un dispositivo utilizado para detectar partículas de radiación ionizante. En su forma más sencilla, una cámara de niebla es un entorno cerrado que contiene vapor de agua superenfriado y supersaturado. Cuando una partícula cargada de suficiente energía interacciona con el vapor, lo ioniza. Los iones resultantes actúan como núcleos de condensación. alrededor de los cuales se forman gotas de líquido que dan lugar a una niebla. Al paso de las partículas se va produciendo una estela o traza, debido a los numerosos iones producidos a lo largo de su trayectoria.

Los físicos experimentales buscaban partículas elementales en las trazas de los rayos cósmicos que pasaban por aparatos llamados cámaras de niebla. Así encontraron una partícula coincidente con la masa que debería tener la partícula de Yukawa, el pión, y la llamaron mesón (del griego medio), porque su masa estaba comprendida entre la del electrón y la del protón. Pero detectaron una discrepancia que consistía en que esta partícula no era afectada por la interacción fuerte, y por tanto, no podía ser un pión. Actualmente nos referimos a esta partícula con la abreviatura μ y el nombre de muón, ya que en realidad era un leptón, hermano gemelo del electrón, pero con 200 veces su masa.

Antes de seguir veamos las partículas elementales de vida superior a 10^-20 segundos que eran conocidas en el año 1970.

Para cada leptón y cada barión existe la correspondiente antipartícula, con exactamente las mismas propiedades a excepción de la carga que es la contraria. Por ejemplo, el antiprotón se simboliza con  y el electrón con e⁺. Los mesones neutros son su propia antipartícula, y el π⁺ es la antipartícula del π^–, al igual que ocurre con k⁺ y k^–. El símbolo de la partícula es el mismo que el de su antipartícula con una barra encima. Las masas y las vidas medias aquí reflejadas pueden estar corregidas en este momento, pero de todas formas son muy aproximadas.

Los símbolos que se pueden ver algunas veces, como s (extrañeza) e i (isoespín) están referidos a datos cuánticos que afectan a las partículas elementales en sus comportamientos.

Debo admitir que todo esto tiene que sonar algo misterioso. Es difícil explicar estos temas por medio de la simple palabra escrita sin emplear la claridad que transmiten las matemáticas, lo que, por otra parte, es un mundo secreto para el común de los mortales, y ese lenguaje es sólo conocido por algunos privilegiados que, mediante un sistema de ecuaciones pueden ver y entender de forma clara, sencilla y limpia, todas estas complejas cuestiones.

Si hablamos del espín (o, con más precisión, el momento angular, que es aproximadamente la masa por el radio por la velocidad de rotación) se puede medir como un múltiplo de la constante de Planck, h, dividido por 2π. Medido en esta unidad y de acuerdo con la mecánica cuántica, el espín de cualquier objeto tiene que ser o un entero o un entero más un medio. El espín total de cada tipo de partícula – aunque no la dirección del mismo – es fijo.

Espín del Electrón

Los espines “up” y “down”, permiten dos electrones para cada conjunto de números cuánticos espaciales

El espín del electrón s = 1/2 es una propiedad intrínseca de los electrones. Los electrones tienen un momento angular intrínseco caracterizado por el número cuántico 1/2. En el patrón de otros momentos angulares cuantizados, esto da un momento angular total La estructura finaresultante que se observa, corresponde a dos posibilidades para la componente z del momento angular.   Esto provoca una división de la energía debido al momento magnéticodel electrón

El electrón, por ejemplo, tiene espín ½. Esto lo descubrieron dos estudiantes holandeses, Samuel Gondsmit (1902 – 1978) y George Uhlenbeck (1900 – 1988), que escribieron sus tesis conjuntamente sobre este problema en 1972. Fue una idea audaz que partículas tan pequeñas como los electrones pudieran tener espín, y de hecho, bastante grande. Al principio, la idea fue recibida con escepticismo porque la “superficie del electrón” se tendría que mover con una velocidad 137 veces mayor que la de la luz, lo cual va en contra de la teoría de la relatividad general en la que está sentado que nada en el universo va más rápido que la luz, y por otra parte, contradice E=mc², y el electrón pasada la velocidad de la luz tendría una masa infinita.

Hoy día, sencillamente, tal observación es ignorada, toda vez que el electrón carece de superficie.

Las partículas con espín entero se llaman bosones, y las que tienen espín entero más un medio se llaman fermiones. Consultado los valores del espín en la tabla anterior podemos ver que los leptones y los bariones son fermiones, y que los mesones y los fotones son bosones. En muchos aspectos, los fermiones se comportan de manera diferente de los bosones. Los fermiones tienen la propiedad de que cada uno de ellos requiere su propio espacio: dos fermiones del mismo tipo no pueden ocupar o estar en el mismo punto, y su movimiento está regido por ecuaciones tales que se evitan unos a otros. Curiosamente, no se necesita ninguna fuerza para conseguir esto. De hecho, las fuerzas entre los fermiones pueden ser atractivas o repulsivas, según las cargas. El fenómeno por el cual cada fermión tiene que estar en un estado diferente se conoce como el principio de exclusión de Pauli. Cada átomo está rodeado de una nube de electrones, que son fermiones (espín ½). Si dos átomos se aproximan entre sí, los electrones se mueven de tal manera que las dos nubes se evitan una a otra, dando como resultado una fuerza repulsiva. Cuando aplaudimos, nuestras manos no se atraviesan pasando la uno a través de la otra. Esto es debido al principio de exclusión de Pauli para los electrones de nuestras manos que, de hecho, los de la izquierda rechazan a los de la derecha.

Estadística Fermi-Dirac para las Fermiones. La estadística de Fermi-Dirac es la de contar estados de ocupación de forma estadística en un sistema de …

La estadística de Bose-Einstein es un tipo de mecánica estadñistica aplicable a la determinación de las propiedades estadísticas de conjuntos grandes de partículas indistinguibles capaces de coexistir en el mismo estado cuántico (bosones) en equilibrio térmico.  A bajas temperaturas los bosones tienden a tener un comportamiento cuántico similar que puede llegar a ser idéntico a temperaturas cercanas al cero absoluto en un estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein  y producido por primera vez en laboratorio en el año 1995.

En contraste con el característico individualismo de los fermiones, los bosones se comportan colectivamente y les gusta colocarse todos en el mismo lugar. Un láser, por ejemplo, produce un haz de luz en el cual muchísimos fotones llevan la misma longitud de onda y dirección de movimiento. Esto es posible porque los fotones son bosones.

Cuando hemos hablado de las fuerzas fundamentales que, de una u otra forma, interaccionan con la materia, también hemos explicado que la interacción débil es la responsable de que muchas partículas y también muchos núcleos atómicos exóticos sean inestables. La interacción débil puede provocar que una partícula se transforme en otra relacionada, por emisión de un electrón y un neutrino. Enrico Fermi, en 1934, estableció una fórmula general de la interacción débil, que fue mejorada posteriormente por George Sudarshan, Robert Marschak, Murray Gell-Mann, Richard Feynman y otros. La fórmula mejorada funciona muy bien, pero se hizo evidente que no era adecuada en todas las circunstancias.

En 1970, de las siguientes características de la interacción débil sólo se conocían las tres primeras:

                                               Decaimiento Beta

• La interacción actúa de forma universal sobre muchos tipos diferentes de partículas y su intensidad es aproximadamente igual para todas (aunque sus efectos pueden ser muy diferentes en cada caso). A los neutrinos les afecta exclusivamente la interacción débil.
• Comparada con las demás interacciones, ésta tiene un alcance muy corto.
• La interacción es muy débil. Consecuentemente, los choques de partículas en los cuales hay neutrinos involucrados son tan poco frecuentes que se necesitan chorros muy intensos de neutrinos para poder estudiar tales sucesos.
• Los mediadores de la interacción débil, llamados W⁺, W^– y Z⁰, no se detectaron hasta la década de 1980. al igual que el fotón, tienen espín 1, pero están eléctricamente cargados y son muy pesados (esta es la causa por la que el alcance de la interacción es tan corto). El tercer mediador, Z⁰, que es responsable de un tercer tipo de interacción débil que no tiene nada que ver con la desintegración de las partículas llamada “corriente neutra”, permite que los neutrinos puedan colisionar con otras partículas sin cambiar su identidad.

A partir de 1970, quedó clara la relación de la interacción débil y la electromagnética (electrodébil de Weinberg-Salam).

La interacción fuerte (como hemos dicho antes) sólo actúa entre las partículas que clasificamos en la familia llamada de los hadrones, a los que proporciona una estructura interna complicada. Hasta 1972 sólo se conocían las reglas de simetría de la interacción fuerte y no fuimos capaces de formular las leyes de la interacción con precisión.

Como apuntamos, el alcance de esta interacción no va más allá del radio de un núcleo atómico ligero (10^{-13 cm aproximadamente).}

La interacción es fuerte. En realidad, la más fuerte de todas.

Lo dejaré aquí, en verdad, eso que el Modelo Estándar de la Física, es feo, complejo e incompleto y, aunque hasta el momento es una buena herramienta con la que trabajar, la verdad es que, se necesita un nuevo modelo más avanzado y que incluya la Gravedad.

Veremos que nos trae la nueva etapa del LHC cuando comience sus actividades en abril/mayo de 2.016

emilio silvera