« Nanopartículas

Un rumor del pasado »

Cualquier cosa que podamos imaginar… ¡Podría estar en nuestro Universo!

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber.

De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.

Operamos con unidades

El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energía, potencia y fuerza.

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1818 – 1889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1736 – 1819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Almacenamiento de energía
Energía de	Magnitud
Reservas mundiales de carbón	200.000 EJ
Reservas mundiales de masa vegetal	10.000 EJ
Calor latente de un tormenta	5 PJ
Carga de carbón de un camión de 100 t	2 TJ
Barril de petróleo crudo	6 GJ
Botella de vino de mesa blanco	3 MJ
Garbanzo pequeño	5 KJ
Mosca en la mesa de la cocina	9 mJ
Gota de agua de 2 mm en una hoja de árbol	4 μJ

Flujos de energía
Energía de	Magnitud
Radiación solar	5.500.000 EJ
Fotosíntesis mundial neta	2.000 EJ
Producción mundial de combustibles fósiles	300 EJ
Huracán típico en el Caribe	38 EJ
La mayor explosión de bomba H en 1961	240 PJ
Calor latente de un tormenta	5 PJ
Bomba de Hiroshima en 1945	84 TJ
Metabolismo basal de un caballo grande	100 MJ
Ingesta diaria de un adulto	10 MJ
Pulsación de una tecla del ordenador	20 mJ
Salto de una pulga	100 nJ

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

E: representa la energía

m: la masa

c: la velocidad de la luz en el vacío ¡casi 300 000 km/s!

Einstein nos dijo: “la masa y la energía son manifestaciones de una misma cosa”.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c², que en su versión más famosa se escribe como E = mc²; la ecuación más conocida de la física.

El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

La energía química almacenada durante millones de años en los combustibles fósiles se libera por combustión en calderas y máquinas como energía termal (térmica), la cual, a través de muchos procesos se convierte en energía mecánica, química o electromagnética.

La colisión entre las placas terrestres lleva a que las rocas conformantes de la corteza puedan romperse (fallarse) o bien plegarse. Este último proceso ocurre en aquellos estratos rocosos que se ven sometidos a altas presiones y temperaturas, que permiten que las rocas se tornen dúctiles. Las cadenas montañosas o cordilleras se generan por la colisión de las placas tectónicas y, por lo general, se localizan cerca de sus márgenes.

Potencia de fenómenos de corta duración
Flujos de energía	Duración	Potencia
Terremoto de magnitud 8 en la E. Richter	30 s	1’6 PW
Gran erupción volcánica	10 h	100 TW
Energía cinética de una tormenta	20 min	100 GW
Gran bombardeo de la 2ª Guerra Mundial	1 h	20 GW
Tornado medio en EE.UU.	3 min	1’7 GW
Los cuatro motores del Boeing 747	10 h	60 MW
La mayor máquina de vapor de Watt	10 h	100 KW
Carrera de 100 m	10 s	1’3 KW
Lavadora doméstica	20 min	500 W
Audición de un CD	60 min	25 W
Una vela	2 h	5 W
El vuelo de un colibrí	3 min	0’7 W

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

emilio silvera

La idea de que el Universo puede ser en realidad un vasto y complejo holograma, un tipo de representación de un objeto tridimensional en una superficie bidimensional, tal como explicó Stephen Hawking, no es nueva. La polémica teoría de cuerdas, un gran marco teórico que pretende explicar el comportamiento de las partículas y las fuerzas de la Naturaleza, se ha inspirado desde hace décadas en la holografía para tratar de explicar el comportamiento de uno de los fenómenos que más intriga a los científicos: la gravedad. Según esta idea, se puede explicar este fenómeno con una teoría que no incluya este parámetro, lo que implica en definitiva eliminar una dimensión, la de la gravedad, en ese complejo Universo que observamos. Si una imagen bidimensional puede transformarse en una tridimensional en el cine, ¿una imagen más simple y sin gravedad puede explicar el comportamiento del Cosmos, tan influido por la gravedad?

En un artículo publicado en Physical Review Letters este lunes, un equipo de investigadores italianos, británicos y canadienses ha presentado la que dicen es la primera evidencia observacional de que el Universo es un complejo y vasto holograma. Dicho de otra forma, proponen que se puede explicar su comportamiento a partir de teoría cuánticas que no incorporan la dimensión de la gravedad.

«La holografía es un enorme paso adelante para entender la forma como el Universo se formó y adquirió su estructura», ha explicado en un comunicado Kostas Skenderis, investigador en la Universidad de Southampton. «Durante décadas los científicos han tratado de combinar la teoría de Einstein de la gravedad (explica el funcionamiento del Universo a gran escala) con la teoría cuántica (explica el funcionamiento de las pequeñas partículas que componen la materia). Algunos creen que el concepto de un Universo holográfico podría reconciliar ambas. Espero que nuestra investigación sea un paso adelante en esa dirección».

La teoría general de la Relatividad de Einstein explica el Universo a gran escala, pero no puede sumergirse en el misterioso mundo cuántico, habitado por partículas de extraño comportamiento. Y ese es el motivo por el que algunos proponen eliminar el escollo de la gravedad para tratar de unificar la física de lo extremadamente pequeño con la de lo extremadamente grande.

Ecos de la creación

En esta ocasión, los astrofísicos encontraron pruebas que, según ellos, apoyan la interpretación del Universo holográfico, o sea, que se puede explicar sin la dimensión de la gravedad. Descubrieron estas evidencias en algunas irregularidades de la radiación de fondo de microondas, ese eco de calor que queda hoy en día después del Big Bang.

«Imagina que todo lo que ves, sientes y oyes en tres dimensiones, (junto a tu percepción del tiempo), en realidad surge de un campo plano de dos dimensiones. Esta idea es similar a los hologramas típicos donde una imagen tridimensional se forma a partir de una superficie bidimensional, como en el holograma de una tarjeta de crédito. Pero en este caso, este holograma codifica al Universo entero».

¿Explica lo cuántico el Cosmos?

Gracias a los cada vez más sensibles telescopios y sensores, en las últimas décadas los investigadores han ido accediendo poco a poco a nuevas capas de información hallada en la radiación de fondo de microondas. En esta ocasión, estos científicos pudieron hacer complejas comparaciones entre esta red y lo predicho por la teoría de campos cuánticos. Así, concluyeron que algunas de las teorías cuánticas de campos podrían explicar casi todas las observaciones cosmológicas del Universo temprano.

La esperanza de los investigadores es poder explicar desde la física de lo más pequeño cómo surgió el tiempo y el espacio en el Universo, cuando este era un recién nacido.

Este esfuerzo de recurrir a la holografía, y explicar el comportamiento de las partículas quitando la dimensión de la gravedad, es especialmente importante para entender los misteriosos agujeros negros o las interacciones de las partículas. Sin embargo, esto no es precisamente una tarea sencilla: junto a la complejidad de las matemáticas asociada a este tipo de estudios, hay que contar con el desconocimiento que hay sobre la física de partículas y sobre los orígenes del Universo.

 

 

La investigación ha sido realizada por científicos de la Universidad de Southampton (Reino Unido), de la Universidad de Waterloo (Canadá), del Instituto Perimeter (también Canadá), del Instituto Nacional de Física Nuclear (Italia) y de la Universidad de Salento (también Italia).

¿Pero, es posible una ciudad con cero emisiones, autosuficiente y con un valor ecológico que ayude a una vida confortable y respetuosa con la naturaleza? En teoría, es posible, sobre todo teniendo en cuenta las nuevas tecnologías que podrían ayudar a que respeto ambiental se tradujera en ventajas para una vida urbanita más verde.

Para el 2050 las Naciones Unidad prevén que el 70 % de la población mundial residirá en los grandes centros urbanos, y se calcula que tendremos alrededor de 30 megaciudades en el mundo con una densidad superior a los 10 millones de habitantes. Vista la situación ha surgido como opción de solución el concepto de ciudades inteligentes (smart cities), capaces de implementar los avances tecnológicos para organizar y mejorar la calidad de vida de sus habitantes.

 

 

 

 

Hace unos días descubrimos el proyecto Paris Smart City 2050, que pretende transformar radicalmente la capital francesa en unos 35 años. La verdad es que la propuesta, que conocemos gracias a Kataka, resulta ambiciosa: los edificios estarían llenos de vegetación (incluso con huertos urbanos) y se volverían autosuficientes energéticamente, gracias al uso de la energía solar, eólica y a la fuerza del río Sena. Eso supondría que la emisión de gases de efecto invernadero se reduciría en un 75%, e incluso el agua de la luvia se aprovecharía. Un verdadero sueño hecho realidad.

¿Cómo serán las ciudades del futuro?

 

 

 

 

Aquí os dejamos como ven los expertos la vida en una ciudad en un futuro próximo, 2050, y, como podéis ver por los varios ejemplos expuestos, la imaginación sigue generando ideas que hacen que nuestro mundo sea cambiante en lo que se refiere a la intervención hunmana, ya que, la Naturaleza, seguirá siendo la missma mientras tengamos al Sol de compañero protector.

Hace cuatro años ñas Naciones Unidas anunciaban que en 2050 el 70% de la población mundial vivirá en las ciudades. el consumo que los núcleos urbanos generarán podrá llegar hasta el 75% de la energía mundial y, como consecuencia, a emitir un 90% del CO2. Por ese motivo las ciudades se enfrentarán a grandes retos en las próximas décadas y, los expertos, ya tienen soluciones y proyectos para evitar las consecuencias.

 

 

El pensamiento de Joseph L. Fetterman,  reza en una inscripción que podéis ver en el  Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Manila (Filipinas), y, como tantos otros antes que él, Fetterman, nos recuerda, de alguna manera, la evolución de nuestras mentes que, a medida que avanza en el conocimiento de la Naturaleza, puede ir haciendo realidad sus pensamientos, en todos los campos del saber humano.Él decía:

La Mente humana ha sido siempre propensa a generar sueños y fantasías que, a medida que hemos ido adquiriendo nuevos conocimientos, tratamos de hacer realidad, y, hoy hablamos de viajar a otros mundos, mañana… ¡viajaremos! Y, mientras tanto, seguimos soñando.

 

 

Lo cierto es que, cada vez que ha salido alguien, que como el precursor de la ciencia ficción, el entrañable Julio Verne, nos hablaba de viajes imposibles y de mundos insólitos, nadie pudo creer, en aquellos momentos, que todas aquellas “fantasías” serían una realidad en el futuro más o menos lejano. Todo lo que él imagino hace tiempo que se hizo realidad y, en algunos casos, aquellas realidades-fantásticas, han sido sobrepasadas como podemos contemplar, en nuestras vidas cotidianas. Ingenios espaciales surcan los espacios de nuestro entorno espacial,  y otros, lo hacen por el misterioso fondo oceánico como fue predicho hace ahora más de un siglo.

 

 

 

 

 

Claro que, los avances, se van produciendo en todas las direcciones y disciplinas del saber humano

 

Un equipo de físicos de la Universidad de Viena y de la Academia Austriaca de las Ciencias ha logrado llevar a cabo una teletransportación cuántica a una distancia récord de 143 kilómetros, entre las islas de La Palma y Tenerife.  Ahora, los profetas modernos resultan ser Físicos que nos hablan de sucesos cuánticos que no llegamos a comprender y que, son ¡tan extraños! que nos resultan poco familiares y como venidos de “otro mundo”, aunque en realidad, son fenómenos que ocurren en las profundidades del mundo de la materia, o, en las transiciones de fase que se producen en las estrellas, en los agujeros negros y en las explosiones de supernovas.

 

 

 

 

 

Nuestras Mentes se expanden a la vez que lo hace el Universo, toda vez que, en definitiva, formamos parte de él. Nuestra evolución intelectual camina de la mano de la experiencia, de la observación, del experimento, del estudio y, cada día veremo como:

La Isla de la Ignorancia en la que estamos confinados, es cada día más pequeña. Vamos pudiendo explicar “cosas” que antes, nos eran totalmente desconocidas y cada vez van siendo menos los visionarios y más los estudiosos científicos, tanto teóricos como experimentadores que, en todos los campos, nos llevan, sin que nos demós cuenta, hacia el futuro que…, ¡puede ser de tántas maneras! Precisamente por eso, será bueno que nuestras mentes, no se resignen a que estémos encerrados aquí, en esta nave espacial que llamamos Tierra y que surca el espacio interestelar a muy buena velocidad aunque no todos sean conscientes de ello.

 

A esta imagen la llaman ¡Besos cuánticos! y refleja lo que pasa cuando dos nanosferas de oro se encuentran a menos de un nanómetro, el espacio que se encuentra entre ellas cambia de color. La tensión que se acumula cuanto más se acercan las nanosferas es similar a la del acercamiento antes de darse un beso. Pero, a diferencia de lo que harían un hombre y una mujer, las nanosferas nunca llegan a besarse; la tensión que se libera entre ellas hace que cambie el color del espacio que las separa. La interacción entre la luz y la materia a escala nanosférica podría aportar nuevas maneras de describir el mundo a escala atómica. ¡Qué extraño es, el mundo cuántico!

Los avances que veremos en este mismo siglo, en todos los ámbitos del saber humano, serán sorprendentes y cambiaran nuestras vidas, nuestra Sociedad para el próximo siglo, será ya muy diferentes a ésta que conocemos. Nuestras propias vidas darán un salto cuantitativo y cualitativo en su período de duración y en su calidad de bienestar, podremos vivir un siglo y medio y tendremos menos enfermedades que ahora. las posibles innovaciones tecnológicas en campos tan dispares como la salud, la economía, la demografía, la energía, la robótica, el espacio, las telecomunicaciones y los transportes, darán un vuelco a nuestra forma de vida y entraremos en otra fase del futuro que viene y del pasado que dejamos atrás.

 

 

Lo cierto es que, el Universo, como un todo, nos presenta y manifiesta correlaciones bien afinadas que desafían cualquier explicación del sentido común y, desde luego, no es que nuestro sentido común no sea el más común de los sentidos, se trata simplemente de que no llega a captar la esencia verdadera de lo que el Universo nos quiere transmitir.

Claro que, en el futuro, podríamos hablar del viaje de la luz, desde que surgió a partir del Big Bang (si finalmente resulta ser ese el comienzo de todo), y suponiendo que ya tengamos los aparatos tecnológicos precisos para poder leer, los mensajes que la misma luz lleva escritos de lo que allí -en aquellos comienzos-, pudo pasar. La Luz que es emitida por los cuerpos celestes y que nos trae su memoria que está gravada en el interior de las partículas elementales que son las que dan forma a todos los objetos grandes constituídas en moléculas. Cuando se profundiza más y más, parece que todo sea realmente un canto a la Luz, a su compleja estructura que no hemos llegado a comprender. La luz nos trae mensajes y recuerdos de los orígines en remanentes de estrellas supermasivas que dieron lugar a la creación de otras estrellas y sistemas planetarios y, ¿quién sabe? si también, a  formas de vida diferentes a las nuestras.

Es indudable que no dejamos de avanzar. Sin embargo, en todos los campos siguen existiendo rincones oscuros que no hemos podido enfocar, con la luz de la comprensión. Por ejemplo,  los cosmólogos dudan del vacío cuántico y no creen que sea el origen de las energías extrañas. El espacio está lleno de partículas virtuales, en constante variación. La energía de las partículas virtuales concuerdan con los efectos que le atribuyen, incluso cuando tienen una existencia tan breve que no se puede medir. Se cree que esta energía, la “constante cosmológica positiva” es la responsable de la expansión acelerada de las galaxias. Esta suposición que no es nueva, es una más de las muchas que circulan por el mundo científico de la cosmología en el que, los “expertos” cosmólogos, andan locos por averiguar de qué se trata todo esto que no llegan a comprender. Claro que, por otra parte, se llega a comprender que, lo que realmente se expnade es el espacio mismo que, en su huida hacia no se sabe donde, arrastra a las galaxias que contiene.

 

 

 

Lo cierto es que, a pesar de todas las dudas, la mente humana, conectada al Universo del que forma parte, evoluciona sin cesar y  llegado el momento, podría tener una gran cantidad de respuestas que, desde luego, necesitamos conocer para sobrevivir en este complejo y vasto Cosmos. Estamos inmersos en una creciente ola del conocimiento que ni imaginamos hasta dónde puede llegar.

Nuestros cerebros han crecido y la infinitud de conexiones que dentro de él han explosionado hacia ese algo superior que llamamos Mente, nos llevan a un plano distinto, a un nivel superior en el que, sin ser aún una luz cegadora, sí podemos decir que la comprensión de la Naturaleza, se va abriendo camino entre las ramificaciones luminosas de nuestras antes, embotadas neuronas.

¿Quién hubiera pensado hace tan sólo unos años que podríamos viajar hasta los confines infinitesimales de los átomos para estudiar sus comportamientos en determinadas circunstsancias?  Un experimento realizado por científicos del Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuánticas ha demostrado que, en el mundo cuántico, la transición hacia el equilibrio térmico es más interesante y más complicada de lo que se pensaba. El profesor Jörg Schmiedmayer nos dice:

          La expresión suprema de la materia ¿será la luz? Lo cierto es que, está presente en las galaxias más lejanas y antiguas descubiertas y, también, está presente en la energía de esos impulsos eléctricos que activa nuestras mentes para que puedan generar ideas y pensamientos. Está presente en los átomos de la materia, en las estrellas que fabrican los elementos conocidos y que, llegan a poder alcanzar ese nivel químico-biológico para hacer posible el surgir de la vida en los mundos. En todos esos acontecimientos, está siempre presewnte la Luz… ¿Qué podrá ser en verdad?

Lo cierto es que, los fotones están por todas partes: En nuestras ciudades, en nuestra imaginación para convertirlos en láseres que destruyan peligrosos meteorítos que vengan hacia la Tierra, en las galaxias lejanas… Creo que, el día que sepamos lo que es la luz, ese día, también sabremos quiénes somos.

Así las cosas, dentro de algunos miles de millones de años (o quizás antes), la escena que arriba contemplamos será cosa del pasado y, para cuando eso llegue, esperémos que la Humanidad haya sabido evolucionar lo suficiente como para poder haber buscado otros mundos donde instalarse. Pero, ¿qué pasará antes de que eso llegue?

 « ¡El Universo y la Mente!

¿El futuro? Siempre será algo incierto para nosotros, pero… »

Todavía, en pleno comienzo del siglo XXI, los cosmólogos no saben dar una explicación convincente de cómo se pudieron formar las galaxias. Lo cierto es que las galaxias no han tenido tiempo para formar cúmulos. Es posible que no consigamos llegar al entendimiento de cómo se pudieron formar las galaxias porque lo estamos mirando desde una perspectiva, o, desde un punto de vista muy estrecho. Es posible que el problema resida en que deberíamos mirar las cosas desde una escala mayor para así, poder entender cómo pudieron suceder las cosas, cómo se formaron los grandes cúmulos de galaxias.

La génesis de las galaxias individuales se podría resolver por sí misma si pudiéramos entender bien la formación de los cúmulos. La idea nos conduce naturalmente a la cuestión de cómo se pueden haber formado concentraciones tan grandes de masa al comienzo de la vida del universo. Una de las ideas más sencillas sobre cómo puede haber sido el universo cuando los átomos se estaban formando es que, no importa lo que estuviese pasando, la temperatura era la misma en todas partes. Este se llama “Modelo Isotérmico”. Corresponde a la suposición de que la radiación en los comienzos del universo estaba diseminada iniformemente, estuviera o no agrupada la materia.

En ese (para nosotros) tan inconmensurable espacio de tiempo, las galaxias han tenido mucho tiempo para evolucionar y, gracias a nuestros modernos ingenios, las hemos podido localizar de todo tipo y en algunas de sus más extrañas configuraciones al fusionarse unas con otras por efecto de la Gravedad que, segú todos los indicios, es el destino que el Universo tiene adjudicado para Andrómeda y la Vía Láctea dentro de algunos miles de millones de años.

Si desarrollamos las consecuencias matemáticas del Modelo Isotérmico, podremos encontrar que los tipos de concentreaciones de masa se podrían haber formado en la infancia del universo y que, de esa manera, son muy fáciles de describir. Con la misma temperatura en todas partes, las fluctuaciones aleatorias ordinarias producirían concentraciones de masa de todos los tamaños, si quisieran encontrar una concentración del tamaño de un planeta, la habría. Lo mismo sucedería con concentraciones de masa del tamaño de estrellas y de galaxias, cúmulos, etc. En la jerga del astrofísico, las concentraciones de masa aparecerían a todas las escalas.

Así, de esa manera, la materia esparcida por todo el espacio y situada a lo largo y lo ancho de él, pudieron formar toda clase de objetos grabdes y pequeños configurando galaxias que, como pequeños universos, lo contenían todo y, eran como universos en miniatura con sus mundos y estrellas y sustancia primigenia dispuesta para interaccionar con la radiación, el electromagnetismo y la Gravedad que serían responsables de la formación de nuevas estrellas y nuevas galaxias.

Claro que, el modelo isotérmico sólo podemos encontrar una solución particularmente simple del problema de las galaxias, porque las concentraciones de masa más pequeñas crecen más rápido que las más grandes. Los primeros objetos que aumentarían serían cosas relativamente pequeñas llamadas protogalaxias, que contendrían quizá un millón de estrellas cada una. Estas protogalaxias se agruparían luego bajo influencias de la Gravedad para formar galaxias con todas las de la ley, que se reunirían a su vez para formar cúmulos y supercúmulos. el universo en este modelo se construiría “desde abajo”

Este cúmulo de galaxias es uno de los objetos más masivos del Universo visible. En esta fotogrrafía de la cámara avanzada para sondeos del Telescopio Espacial Hubble, se ve como Abell 1.689 curva el espacio tal como predijo la teoría de la gravedad de Einstein (las galaxias que hay detrás del cúmulo desvían la luz y producen múltiples imágenes curvadas).

Claro que, en todo esto nos encontramos con un gran inconveniente: ¡No ha habido tiempo para que ese placentero agrupamiento bajo la influencia de la Gravedad haya podido tener lugar lugar desde el momento de la creación, es decir, desde lo que entendemos por Big Bang! Sin embargo y a pesar de ello, ahí las tenemos y podemos contemplarlas en toda su belleza y esplendor pero, ¿cómo pudieron llegar aquí? En realidad, nadie lo sabe.

Hay algunas colecciones de galaxias muy grandes y complejas en el cielo. Nos vemos forzados a concluir que el universo no puede haber tenido una temperatura constante durante el desparejamiento. Es decir, no quiero decir nada contra la existencia de las galaxias, simplemente hago notar que las galaxias no pueden existir si suponemos que la radiación estaba unida y uniformemente distribuida en la infancia del universo. Claro que:

¡Si la radiación marcha junto con la materia y la materia con las galaxias, la radiación de microondas cósmica sería contradictoria!

 

 

Si la radiación no se hubiera dispersado uniformemente, con independencia de la materia del universo, ¿?dónde hubiera estado? Siguiendo el procedimiento normal de la física teórica, consideraremos a continuación la tesis opuesta. Suponemos que en el comienzo del Universo la materia y la radiación estaban unidas. Si era así, allí donde se encontrara una concentración de masa, también habría una concentración de radiación. En la jerga de la física se dice que esta situación es “adiabática”. Aparece siempre que tienen lugar en las distribuciones del gas cambios tan rápidos que la energía no puede transferirse fácilmente de un punto al siguiente.

En esta imagen obtenida con el Hubble, se observa una lejana proto-galaxia. Una proto-galaxia, es un objeto que dará una galaxia como resultado de su evolución; una galaxia naciente o en formación. Una galaxia muy lejana, es vista muy joven ya que su luz tarda en llegar a nosotros, por eso se dice que “vemos el pasado”. MACS0647-JD, es una galaxia hecha y derecha, pero tan lejana que la vemos como era hace mucho tiempo atrás. Está a 13 mil millones de años luz de casa. Como ese es el tiempo que tarda su luz en llegar a nosotros, la vemos como era hace ese tiempo atrás. Si tenemos en que el Universo se formó hace casi unos 14 mil millones de años (aproximadamente), eso convierte a este objeto en una galaxia de las primeras en formarse. Al verla como un agalaxia naciente, debería estar llena de estrellas brillantes y calientes.

Sabemos que,  para hacer galaxias, la materia del universo tuvo que estar muy bien distribuida en agregados cuando se formaron los átomos. Llamaremos a esto “darle un empukon al proceso”. Un corolario necesario es que en condiciones adiabáticas, la radiación debe de  haber comenzado siendo agrupada también.

Aquí se pretende representar el pasado y el futuro del universo que, se expandió primero de manera muy rápida, después más lenta, y de nuevo la velocidad aumentó, de manera tal que el recorrido represrenta una especie de S que nos habla del pasado y del futuro.

Entre los otros muchos procesos en marcha en aquellos primeros momentos del nacimiento del universo, en aquel tiempo, uno de los principales parámetros a tener en es el de la rápida expansión, ese proceso que ha venido a ser conocido como inflación. Es la presencia de la inflación la que nos conduce a la predicción de que el universo tiene que ser plano.

Se pudieron formar los núcleos y los átomos de la materia

El proceso mediante el cual la fuerza fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande; todos hemos podido ver una botella de líquido explotar si alcanzanda la congelación, el contenido se expande y el recipiente no puede contenerlo. No debería sert demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

Claro que no es fácil explicar cómo a medida que el espacio crece debido a esa expansión, se hace más y más voluminoso cada vez y también, cada vez menos denso y más frío. Lo que realmente sorprende es la inmensa magnitud de la expansión. El tamaño del Universo aumentó en un factor no menor de 10⁶⁰  longitudes de Planck. Acordáos de aquellos números que en aquel que titulé,  ¿Es viejo el Universo?, os dejaba allí expuestos unos interesantes sobre nuestro universo. Volvamos a verlos:

– 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. Lo cierto es que, son tan grandes y tan pequeñas esos números y fracciones que, para nosotros, no tienen significación  consciente, no las podemos asimilar al tratarse, como se dice más arriba, de medidas sobrehumanas. Si un átomo aumentara en esa proporción de 10⁶⁰ no tendría canbida en el Universo, el átomo sería mayor.

Decíamos que en 10^-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo con el tamaño de una naranja. No debe sorprendernos pués, que el inflación esté ligado a este proceso. Es cierto que cuando oímos por primera vez este proceso inflacionista, podamos tener alguna dificultad con el índice de inflación que se expone sucedió en el pasado. Nos puede llevar, en un primer momento, a la idea equivocada de que se han violado, con un crecimiento tan rápido, las reglas de Einstein que impiden viajar más veloz que la luz, y, si un cuerpo material viajó la línea de partida que señalan los 10^-35 segundos aquella otra que marca la dimensión de una naranja…¡su velocidad excedió a la de la luz!

Claro que la respuesta a que algo sobrepasara la velocidad de la luz, c, es sencilla: NO, nada ha sido en nuestro universo más rápido que la luz viajando, y la explicación está en el hecho cierto de que no se trata de algo pudiera ir tan rápido, sino que, por el contrario, en lugar de que un objeto matrerial vciajara por el espacio, lo que ocurrió es que fue el espacio mismo el que se infló -acordáos de la masa de pan que crece llevando las pasas como adorno-, y, , esa expansión hace que las galaxias -las pasas de la masa-, se alejen cada vez más las unas de las otras, haciendo el universo más grande y frío cada vez.

Así que, con la expansión o inflación, ningún cuerpo material se movió a grandes velocidades en el espacio, ya que, fue el espacio mismo el que creció y, de alguna manera, su tremenda expansión, incidió sobre los objetos que contenía que, de esa manera, pasaron de estar muy juntos a estar muy separados. Las reglas contra el viaje a velocidades superiores a la de la luz sólo se aplican al movimiento al movimiento dentro del espacio, no al movimiento del espacio. Así no hay contradicción, aunque a primera vista pudiera parecerlo.

Empleamos todos los medios a nuestro alcance e ideamos nuevos ingenios para poder asomarnos a las escalas más extremas del universo, con los telescopios queremos llegar las primeras gaalxias y, con los aceleradores de partículas nos queremos asomar a ese momento primero en el que se formó la materia.

A los cien millones de años el comienzo del tiempo, aún no se habían formado las estrellas, si acaso, algunas más precoces.  Aparte de sus escasas y humeantes almenaras, el Universo era una sopa oscura de gas hidrógeno y helio, arremolinándose aquí y allá para formar protogalaxias.

A la edad de mil millones de años, el Universo tiene un aspecto muy diferente.  El núcleo de la joven Vía Láctea arde brillantemente, arrojando las sobras de cumulonimbos galácticos a través del oscuro disco; en su centro billa un quásar blancoazulado.  El disco, aún en proceso de formación, es confuso y está lleno de polvo y gas; divide en dos partes un halo esférico que será oscuro en nuestros días, pero a la sazón corona la galaxia con un brillante conjunto de estrellas calientes de primera generación.

Nuestras galaxias vecinas del supercúmulo de Virgo están relativamente cerca; la expansión del Universo aún no ha tenido tiempo de alejarlas a las distancias-unas decenas de millones de años-luz a las que las encontraremos .   El Universo es aún altamente radiactivo.  Torrentes de rayos cósmicos llueven a través de nosotros en cada milisegundo, y si hay vida en ese tiempo, probablemente está en rápida mutación.

Hay algo que es conocido por el término técnico de desacoplamiento de fotones, en ese momento, la oscuridad es reemplazada por una deslumbrante luz blanca, se cree que ocurrió cuando el Universo tenía un millón de años.   El ubicuo gas cósmico en aquel momento se había enrarecido los suficientes como permitir que partículas ligeras –los fotones– atraviesen distancias grandes sin chocar con partículas de materia y ser reabsorbidas.

(Hay gran cantidad de fotones en reserva, porque el Universo es rico en partículas cargadas eléctricamente, que generan energía electromagnética, cuyo cuanto es el fotón.) Es esa gran efusión de luz, muy corrida al rojo y enrarecida por  la expansión del Universo, la que los seres humanos, miles de millones de años después, detectaran con radiotelescopios y la llamaran la radiación cósmica de fondo de microondas. Esta época de “sea la luz” tiene un importante efecto sobre la estructura de la materia.  Los electrones, aliviados del constante acoso de los fotones, son libres de establecerse en órbita alrededor de los núcleos, formando átomos de hidrógeno y de helio.

Sí, de todo eso hemos podido saber pero, ¿cómo se pudieron formar las galaxias a pesar de la expansión del universo? ¿por qué la matería se pudo agrupar y no salió despedida y se dispersó impidiendo esa formación? Lo cierto es que nadie sabe contestar esa pregunta y, se estima, se cree, se piensa que, allí podría haber estado presente una especie de “materia” o “sustancia” cósmica que no emitía radiación y que, generando gravedad, podría haber retenido la materia de manera suficiente para que se pudieran formar las galaxias.

¡Es todo tan complejo!

emilio silvera