La fotosíntesis

La conocida ecuación básica que describe la reacción endotérmica por la cual se sintetiza una molécula de glucosa a partir de sus seis moléculas de CO₂ y H₂O, y 2’8 MJ de radiación solar, es una simplificadísima caja negra. Una caja negra más realista sería la siguiente:

106 CO₂ + 90 H₂O + 16 NO₃ + PO₄ + nutrientes minerales + 5’4 MJ de radiación

= 3’258 g de protoplasma (106 C, 180 H, 46 O, 16 N, 1 P y 815 g de cenizas minerales) + 154 O₂ + 5’35 MJ de calor disipado.

Sin macronutrientes ni micronutrientes no se puede producir fitomasa, que está compuesta por los nutrientes básicos necesarios para todos los seres heterótrofos: azúcares complejos, ácidos grasos y proteínas.

Para entender esta caja negra hay que comenzar por destacar la acción de unos pigmentos sensibles a la luz entre los cuales destacan las clorofilas. Éstas absorben la luz en dos bandas estrechas, una entre 420 y 450 nm, y la otra entre 630 y 690 nm. Así, la energía necesaria para la fotosíntesis sólo procede de la radiación azul y roja a la que corresponde menos de la mitad de la energía total de la insolación. Esta parte de la radiación fotosintéticamente activa (RFA) no se utiliza en reducir CO₂, sino en la regeneración de compuestos consumidos durante la fijación del gas.

 Las plantas sanas, adecuadamente provistas de agua y nutrientes, hacen posible la producción líquida de fotosíntesis y de fitomasa …

La síntesis de fitomasa en el ciclo reductor del fosfato pentosa (RPP) – un proceso con varios pasos de carboxilación por catálisis enzimática, reducción y regeneración – tiene que empezar con la formación de trifosfato de adenosina (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP), que son los dos compuestos que suministran energía a todas las reacciones biosintéticas. La síntesis de las tres moléculas de ATP y las dos de NADP que se necesitan para reducir cada molécula de CO₂ requiere de diez cuantos de radiación solar con longitud de onda próxima al pico rojo de absorción de la clorofila (680 nm). El carbono procedente del CO₂, combinado con el hidrógeno del agua y con los micronutrientes, dará lugar a nueva fitomasa que contiene 465 KJ/mol.

La cantidad de energía de un cuanto de luz roja es de 2’92×10^-19 J (el producto de la constante de Planck, 6’62×10^-34 por la frecuencia de la luz, que a su vez es el cociente entre la velocidad de la luz y la longitud de onda).

Un einstein (definido como un mol o número de Avogadro, 6’02×10²³) de fotones rojos tiene una energía aproximadamente igual a 17 Kg. Suponiendo que la RFA es el 45% de la luz directa, la eficiencia global de la fotosíntesis es del 11%, que equivale a 456/(1.760/0’43). Esta eficiencia se reduce por lo menos en una décima parte más si tenemos en cuenta la reflexión de la luz en las hojas y la pérdida que supone atravesar la cubierta vegetal. Ninguna planta, sin embargo, se acerca siquiera a esta eficiencia teórica, porque parte de la luz absorbida por las clorofilas (generalmente, el 20 – 25 por ciento) vuelve a ser emitida en forma de calor, debido a que los pigmentos no pueden almacenar la luz y las reacciones enzimáticas no se producen con suficiente velocidad como para utilizar completamente el flujo de energía incidente. En la respiración se cede el carbono fijado en el metabolismo de la planta y en el mantenimiento de las estructuras que la soportan.

Para cada especie, la tasa con la que se pierde carbono está determinada principalmente por el tipo de fotosíntesis. Así, existen diferencias sustanciales entre las plantas C₃ y C₄. La respiración a escala de una comunidad o ecosistema depende del estado de crecimiento, y varía entre menos del 20 por ciento en plantas jóvenes en rápido crecimiento, hasta más del 90 por ciento en bosques maduros.

Con una pérdida del 25 por ciento para la reacción, y otro tanto para la respiración, la eficiencia fotosintética es ligeramente superior al 5 por ciento. En este punto, las estimaciones teóricas y los valores reales coinciden, ya que el valor medio de fotosíntesis neta en plantas muy productivas y en condiciones óptimas y durante cortos periodos de tiempo, oscila entre el 4 y el 5 por ciento. La mayoría de las plantas rinden en función de los nutrientes, especialmente nitrógeno y agua, o por las bajas temperaturas en las regiones de mayor altura y latitud. Los mejores rendimientos en sistemas naturales muy productivos, como los humedales y los cultivos, están entre el 2 y el 3 por ciento. En otros ecosistemas, como los pantanos tropicales templados y los bosques templados, el rendimiento de la transformación es del 1’5 por ciento, y en las praderas muy áridas sólo del 0’1 por ciento. Globalmente, la producción anual es, al menos, de 100.000 millones de toneladas de fitomasa, que se sintetizan con un rendimiento medio del 0’6 por ciento.

… 90% de la fotosíntesis Llevada a cabo por Sol, OCÉANOS Contienen Minerales disueltos, OCÉANOS Cubren Cubre 3/4 de la tierra, OCÉANOS Producen 90% de la …

La fotosíntesis en los océanos, muy afectada por la escasez de nutrientes, es incluso menos eficiente. La productividad medie es de poco más de 3 MJ/m² y se realiza con un rendimiento fotosintético del 0’06 por ciento. La media ponderada total es 0’2 por ciento, es decir, que sólo uno de cada 500 cuantos de energía solar que llega a la superficie de la Tierra se transforma en energía de biomasa en forma de tejido vegetal.

La mayor parte de esta energía se almacena en forma de azúcares simples, que contienen más energía, y que sólo se encuentran en las semillas.

La mayor parte de la fitomasa está en los bosques. En los océanos, los principales productores son los organismos que componen el fitoplancton, que son muy pequeños y flotan libres. Su tamaño varía entre algo menos de 2 y 200 μm de diámetro y están formados por cantidades variables de bacterias y protoctistas eucarióticos. Las cianobacterias cocoides son tan abundantes en algunas aguas oligotrópicas que pueden ser las responsables de la mayor parte de la producción de fitoplancton.

Los protoctistas fotosintetizadores varían entre los más pequeños flagelados pigmentados (como las criptomonas y crisofitos), hasta las diatomeas y dinoflagelados, que son mayores (más de 10 mm) y generalmente dominantes. Las diatomeas están formadas por células sin flagelos, con paredes de silicio amorfo mezclados con otros compuestos orgánicos. Presentan una sorprendente y amplia variedad de diseño, desde las que tienen simetría central (las de forma radial son las dominantes en el océano), a las pennadas (simetría lateral), y otras forman largas cadenas.

La productividad de fitoplancton está controlada por la temperatura del agua y por la disponibilidad de radiación solar y nutrientes. La temperatura no es determinante, porque muchas especies son muy adaptables y consiguen una productividad similar en distintos ambientes. Aunque es frecuente la adaptación a diferentes condiciones lumínicas, tanto el volumen como en contenido en clorofila de las diatomeas aumenta con la intensidad de la luz. En el mar abierto, la mayor limitación es la cantidad de nutrientes disponibles.

Entre las carencias que más limitan la producción de fitoplancton está la de nitrógeno, el macronutriniente más importante, la de fósforo, y la de algunos otros micronutrientes clave como el hierro y el silicio.

Los medios menos productivos de la Tierra están en la capa superficial y la capa inmediatamente inferior de los océanos. En el mar abierto, las concentraciones más altas de nutrientes se encuentran entre los 500 y los 1.000 metros, a bastante más profundidad que la zona eufórica, capa en la que penetra la luz solar y que se extiende a unos 100 metros en las aguas transparentes.

El pequeñísimo tamaño de los productores dominantes es una adaptación eficaz a la escasez de nutrientes, ya que cuanto mayor sea el cociente entre la superficie y el volumen, y más lento el hundimiento de las células de fitoplancton en la capa eufórica, mayor es la tasa de absorción de nutrientes.

Cuando las corrientes elevan a la superficie las aguas frías y cargadas de nutrientes, la producción de fitoplancton aumenta sustancialmente. Las aguas costeras de Perú, California, noroeste y sudoeste de África, y de la India occidental son ejemplos destacados de ascensión costera de aguas frías. También se dan casos de ascensión mar adentro en la mitad del Pacífico, cerca del ecuador y en las aguas que rodean la Antártida. Otras zonas altamente productivas se encuentran en las aguas poco profundas cercanas a la costa que están enriquecidas por el aporte continental de nutrientes. Este enriquecimiento, con una proporción N/P muy descompensada, es especialmente elevados en los estuarios adonde van a parar grandes cantidades de aguas residuales y fertilizantes.

Las diferentes medidas de la productividad en las aguas oligotróficas de los mares subtropicales y de las aguas eutróficas con corrientes ascensionales, varían entre menos de 50 gC/m² y 1 gC/m², más de un orden de magnitud. Las estimaciones de la producción global de fitoplancton están comprendidas entre 80.000 y 100.000 millones de toneladas, que representan entre dos tercios y cuatro quintos de la fitomasa total terrestre. Contrasta con el resultado anterior el hecho de que, dado el corto periodo de vida del fitoplancton (1 – 5 días), la fitomasa marina represente sólo una pequeña fracción de todo el almacenamiento terrestre.

Los satélites de la Nasa, detectan solo el 50% del fitoplancton real del Océano Austral, por ello la captura de carbono en esta gran región es subestimado.

La distribución espacial del fitoplancton muestra zonas delimitadas que se extienden a escala local y global. La exploración desde los satélites es, con gran diferencia, la que permite detectar con mayor precisión las concentraciones de clorofila y la que ha posibilitado obtener las pautas de la distribución de fitoplancton. En las aguas que rodean la Antártida se observa claramente una distribución asimétrica en dos bandas casi concéntricas. La mejor distribución se explica por el hecho de que se deba a corrientes circumpolares y a la abundancia de ácido silicílico. Pero las zonas de mayor riqueza de fitoplancton se encuentran cerca de los continentes donde los ríos arrastran abundantes nutrientes disueltos.

El fitoplancton es la base energética de las intrincadas pirámides tróficas. Las cadenas alimenticias en el océano, generalmente, son redes complicadas. Una gran parte de la fitomasa disponible no la consumen directamente los herbívoros, sino que primero se almacena en depósitos de materia muerta que, transformada por bacterias, se convertirá en alimento para otros seres heterótrofos.

La gran producción de fitoplancton puede alimentar grandes cantidades de zoomasa. El kril, pequeños crustáceos parecidos a las quisquillas que se alimentan de diatomeas, son los organismos más abundantes en la superficie del mar; sus densas acumulaciones pueden contener hasta mil millones de individuos y su producción anual de zoomasa quizá llegue hasta los 1.300 millones de toneladas. Esta prodigiosa cantidad de zoomasa sirve de alimento a focas, calamares y peces, así como a los mayores carnívoros de la biosfera, las especies de ballenas con barbas que se alimentan filtrando el agua.

emilio silvera

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Portada del disco ‘Sonidos de la Tierra’, en la sonda Voyager. NASA/JPL

Cuentan que en el siglo XIX el astrónomo austríaco Joseph Johann von Littrow propuso cavar grandes fosas en el desierto del Sáhara, llenarlas de agua, verter queroseno por encima y prenderle fuego, para de este modo enviar señales visibles a los habitantes de la Luna o de Marte. Aunque en realidad no consta que jamás von Littrow llegara a proponer tal chaladura, es cierto que ya en su época los científicos discurrían sobre cómo entablar comunicación con nuestros posibles vecinos cósmicos: se pensaba en el medio, se pensaba en el mensaje… Pero ¿y el lenguaje?

                        Algunas señales nos pudieron confundir

El pasado 26 de mayo, un grupo de lingüistas se reunía en Los Ángeles (EEUU) para debatir sobre cómo podría ser el lenguaje de una civilización extraterrestre. El simposio El lenguaje en el cosmos, celebrado en el marco de la Conferencia Internacional de Desarrollo Espacial de la National Space Society y patrocinado por la organización científica y educativa METI (siglas en inglés de Enviar Mensajes a Inteligencias Extraterrestres), tenía por objeto presentar las reflexiones de los expertos sobre el que sería el siguiente paso a un primer contacto –ya fuera presencial o por radio– con pobladores alienígenas: comunicarnos con ellos, lo cual sería imposible sin comprender su lenguaje.

Tradicionalmente, la mayor parte de la ciencia ficción más popular ha pasado más o menos de puntillas por este asunto. Al fin y al cabo, ¿quién puede demostrar con pruebas fehacientes que los extraterrestres no hablan inglés? Pero según apunta la lingüista Sheri Wells-Jensen, directora del simposio y miembro del comité de dirección de METI, “no esperamos un universo de Star Trek donde la mayoría de los alienígenas son humanoides y muchos de ellos ya tienen un traductor universal”.

Uno de los intentos más serios de plantear un escenario realista fue el que en 1977 mostraba Steven Spielberg en la película Encuentros en la tercera fase, donde humanos y extraterrestres se comunicaban a través de notas musicales y del solfeo por signos. La situación insinuada era que el uso del lenguaje natural resultaba del todo inviable, pero el repertorio limitado de la música solo permitía una comunicación muy rudimentaria.

Las matemáticas tampoco se entienden

Lo mismo ocurre con las matemáticas, la ciencia o las imágenes, los sistemas que los científicos han favorecido hasta ahora en los mensajes enviados al espacio, como las placas de las sondas Pioneer lanzadas en 1972 y 1973, el mensaje de Arecibo emitido en 1974, o el disco de oro de las Voyager en 1977 (aunque este último incluía también música y saludos en lenguaje natural). En 1960 el matemático alemán Hans Freudenthal creó el Lincos (del latín Lingua Cosmica), un lenguaje basado en matemáticas y lógica diseñado para servir como instrumento de comunicación con seres alienígenas.

En 1999, los astrofísicos canadienses Yvan Dutil y Stéphane Dumas enviaron al espacio un mensaje traducido a Lincos. Pero Freudenthal nunca llegó a cumplir su objetivo de desarrollarlo para poder codificar cualquier tipo de texto, y lo cierto es que algo como “Hb Inq Hc ?y y Inq Hb ?x 4x=10“, que significa “Hb le dice a Hc: ¿quién me ha preguntado por la x tal que 4x=10?”, no puede decirse que dé demasiado juego para unas ricas relaciones diplomáticas con nuestros posibles vecinos cósmicos.

Pero además, y en contra de lo que cabría pensar, ni siquiera este tipo de lenguajes matemáticos son inequívocos. Un experimento reciente que Wells-Jensen llevó al simposio sometió unos mensajes en Lincos a la interpretación de varios estudiantes. “Aunque fueron razonablemente buenos deduciendo el significado de funciones matemáticas básicas, sus traducciones de líneas más complicadas comenzaron a variar salvajemente”, concluye la lingüista.

Una gramática universal

Será difícil que podamos leer esto

Por suerte, hay una esperanza: en el simposio, algunos expertos sugirieron que tal vez un lenguaje alienígena no nos resulte un galimatías inaccesible. El filósofo y lingüista Noam Chomsky defiende la existencia de una gramática universal en todas las lenguas de la Tierra, hasta tal punto que, dice, un “marciano” que nos visitara creería que todos los terrícolas hablamos dialectos de un idioma común. Y hay quienes piensan que esta universalidad podría ser realmente universal. “Esperamos que los lenguajes a través del universo compartan una serie de propiedades básicas que pueden facilitar la comunicación”, expusieron los lingüistas Jeffrey Punske y Bridget Samuels.

Hay quien cree que se podría construir un lenguaje de sómbolos universales

Entre quienes se apuntan a esta hipótesis optimista se encuentra el propio Chomsky, que participaba en uno de los trabajos presentados: “el lenguaje marciano podría no ser tan diferente del humano después de todo”. Los argumentos en apoyo de esta idea se resumen en el hecho de que quizá los lenguajes compartan rasgos comunes por el mero hecho de ser lenguajes, como una arquitectura formada por la combinación de unidades, sujeta a las leyes de la física y condicionada por la eficiencia de la computación mental.

Pero Wells-Jensen se muestra escéptica. En 2016 la película de Denis Villeneuve La llegada, que exploraba extensamente la cuestión del lenguaje alienígena, jugaba con la idea de cómo nuestra manera de experimentar y conocer el mundo moldea nuestra forma de comunicarnos, y que todo esto podría ser muy diferente en seres radicalmente distintos de nosotros. “Podríamos ser capaces de entender el lenguaje de alienígenas que fueran básicamente humanoides, pero el lenguaje hablado por bolsas de gas o caracoles inteligentes estaría para siempre fuera de nuestro alcance“, escribe la lingüista en el blog de METI.

Un lenguaje irreconocible

En esto, cada cual se despacha a su gusto y, se les ocurren las ideas más peregrinas.

Como ejemplo, Wells-Jensen subraya la diferencia entre nuestros lenguajes y los de otros animales terrestres: nuestras mascotas pueden comprender muchas de nuestras palabras, pero ahí acaban sus posibilidades. ¿Y si nosotros fuéramos los animales, y los alienígenas fueran los humanos? Según la lingüista, “deberíamos considerar la irritante posibilidad de que ellos pudieran aprender nuestros lenguajes, pero nosotros no los suyos”.

De hecho, añade, un supuesto lenguaje extraterrestre podría ser tan aberrante que nos costara reconocerlo como tal. “Si es hablado, podría ser salvajemente rápido, o exasperantemente lento, o por encima de nuestro rango auditivo, o por debajo de nuestro rango auditivo, o hecho de detalles demasiado sutiles para que los escuchemos; o podría ser no hablado, transmitido por movimientos físicos, cambios de color, luz infrarroja, pulsos magnéticos o estimulación táctil”.

Todo lo cual lleva a Wells-Jensen a la única conclusión posible hasta la fecha corriente: “¿Seríamos capaces de aprender un lenguaje alienígena? Probablemente no / Tal vez / Ni siquiera lo pretendo / Creo que sí / ¿Quién sabe? / Algunos, quizá. Y eso es todo lo que sabemos por ahora”.

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Seguramente, como hemos podido ver en una película de ciencia ficción, llegará un día en el que, podremos entrar en una inmensa habitación de hologramas,  en la que, previa elección de la  programación adecuada, todo se transformará en un “mundo ficticio” que, lo mismo podrá ser una playa luminosa con arena dorada, una Selva tropical o un desierto, dependiendo de los gustos del usuario.

Si repasamos la historia de la ciencia, seguramente encontraremos muchos motivos para el optimismo. Witten (el Físico de la Teoría M),  está convencido de que la ciencia será algún día capaz de sondear hasta las energías de Planck. Como ya he contado en otras ocasiones, él dijo:

“No siempre es tan fácil decir cuáles son las preguntas fáciles y cuáles las difíciles. En el siglo XIX, la pregunta de por qué el agua hierve a 100 grados era desesperadamente inaccesible. Si usted hubiera dicho a un físico del siglo XIX que hacia el siglo XX sería capaz de calcularlo, le habría parecido un cuento de hadas… La teoría cuántica de campos es tan difícil que nadie la creyó completamente durante 25 años.”

 

 

 

En su opinión, las buenas ideas siempre se verifican. Los ejemplos son innumerables: la gravedad de Newton, el campo eléctrico de Faraday y el electromagnetismo de Maxwell, la teoría de la relatividad de Einstein en sus dos versiones y su demostración del efecto fotoeléctrico, la teoría del electrón de Paul Dirac, el principio de incertidumbre de Heisenberg, la función de ondas de Schrödinger, el Principio de exclusión de Pauli para los fermiones y tantos otros. Algunos de los físicos teóricos más famosos, sin embargo, protestaban de tanto empeño en la experimentación. El astrónomo arthur Eddington se cuestionaba incluso si los científicos no estaban forzando las cosas cuando insistían en que todo debería ser verificado.

Sin embargo, muchos son los ejemplos de un ingenio superior que nos llevaron a desvelar secretos de la Naturaleza que estaban profundamente escondidos, y, el trabajo de Dirac en relación al electrón, es una buena muestra de ese ingenio humano que, de vez en cuando vemos florecer.

Siendo m la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz,  p el operador de momento, la constante reducida de Planck,  x y t las coordenadas del espacio y el tiempo,  respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La función de onda ha de ser formulada como un espinor (objeto matemático similar a un vectorque cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac) de cuatro componentes, y no como un simple escalar,  debido a los requerimientos de la relatividad especial. Los α son operadores lineales que gobiernan la función de onda, escritos como una matriz y son matrices de 4×4 conocidas como matrices de Dirac.

“Es una ecuación muy poderosa por lo que significa y su papel en la historia de la física del siglo XX”.

La ecuación fue descubierta a finales de los años 20 por el físico Paul Dirac, y juntó dos de las ideas más importantes de la ciencia: la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de objetos muy pequeños; y la teoría especial de Einstein de la relatividad, que describe el comportamiento de objetos en movimiento rápido.

Por lo tanto, la ecuación de Dirac describe cómo las partículas como electrones se comportan cuando viajan a casi la velocidad de la luz.

El premio Nobel Paul dirac incluso llegó a decir de forma más categórica: “Es más importante tener belleza en las ecuaciones que tener experimentos que se ajusten a ellas“, o en palabras del físico John Ellis del CERN, “Como decía en una envoltura de caramelos que abrí hace algunos años, «Es sólo el optimista el que consigue algo en este mundo».“

Yo, como todos ustedes, un hombre normal y corriente de la calle, escucho a unos y a otros, después pienso en lo que dicen y en los argumentos y motivaciones que les han llevado a sus respectivos convencimientos, y finalmente, también decido según mis propios criterios mi opinión, que no obligatoriamente coincidirá con alguna de esas opiniones, y que en algún caso, hasta me permito emitirla.

Niveles de aumento de la materia:

1. Materia.
2. Estructura molecular.
3. Átomos.
4. Electrones.
5. Quarks.
6. ¿Cuerdas.?

Suponiendo que algún físico brillante nos resuelva la teoría de campos de cuerdas y derive las propiedades conocidas de nuestro universo, con un poco de suerte, podría ocurrir en este mismo siglo, lo que no estaría nada mal considerando las dificultades de la empresa. El problema fundamental es que estamos obligando a la teoría de cuerdas a responder preguntas sobre energías cotidianas, cuando su “ámbito natural” está en la energía de Planck. Esta fabulosa energía fue liberada sólo en el propio instante de la creación, lo que quiere decir que la teoría de supercuerdas es naturalmente una teoría de la creación.

         Las primeras observaciones realizadas por Planck | ESA y Axel Mellinger.

Fuimos capaces de predecir que el Big Bang produjo un “eco” cósmico reverberando en el universo y que podría ser mesurable por los instrumentos adecuados. De hecho, Arno Penzias y Robert Wilson de los Bell Telephone Laboratories ganaron el premio Nobel en 1.978 por detectar este eco del Big Bang, una radiación de microondas que impregna el universo conocido. El que el eco del Big Bang debería estar circulando por el universo miles de millones de años después del suceso fue predicho por primera vez por George Gamow y sus discípulos Ralpher y Robert Herman, pero nadie les tomó en serio.

La propia idea de medir el eco de la creación parecía extravagante cuando la propusieron por primera vez poco después de la segunda guerra mundial. Su lógica, sin embargo, era aplastante. Cualquier objeto, cuando se calienta, emite radiación de forma gradual. Ésta es la razón de que el hierro se ponga al rojo vivo cuando se calienta en un horno, y cuanto más se calienta, mayor es la frecuencia de radiación que emite. Una fórmula matemática exacta, la ley de Stefan-Boltzmann, relaciona la frecuencia de la luz (o el color en este caso) con la temperatura. De hecho, así es como los científicos determinan la temperatura de la superficie de una estrella lejana; examinando su color. Esta radiación se denomina radiación de cuerpo negro.

Esta radiación, cómo no, ha sido aprovechada por los ejércitos, que mediante visores nocturnos pueden operar en la oscuridad. De noche, los objetos relativamente calientes, tales como soldados enemigos o los carros de combate, pueden estar ocultos en la oscuridad, pero continúan emitiendo radiación de cuerpo negro invisible en forma de radiación infrarroja, que puede ser captada por gafas especiales de infrarrojo. Ésta es también la razón de que nuestros automóviles cerrados se calientes en verano, ya que la luz del Sol atraviesa los cristales del coche y calienta el interior. A medida que se calienta, empieza a emitir radiación de cuerpo negro en forma de radiación infrarroja. Sin embargo, esta clase de radiación no atraviesa muy bien el vidrio, y por lo tanto queda atrapada en el interior del automóvil, incrementando espectacularmente la temperatura.

Análogamente, la radiación de cuerpo negro produce el efecto invernadero. Al igual que el vidrio, los altos niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, causados por la combustión sin control de combustibles fósiles, pueden atrapar la radiación de cuerpo negro infrarroja en la Tierra, y de este modo calentar gradualmente el planeta.

Gamow razonó que el Big Bang era inicialmente muy caliente, y que por lo tanto sería un cuerpo negro ideal emisor de radiación. Aunque la tecnología de los años cuarenta era demasiado primitiva para captar esta débil señal de la creación, Gamow pudo calcular la temperatura de dicha radiación y predecir con fiabilidad que un día nuestros instrumentos serían lo suficientemente sensibles como para detectar esta radiación “fósil”.

La lógica que había detrás de su razonamiento era la siguiente: alrededor de 300.000 años después del Big Bang, el universo se enfrió hasta el punto en el que los átomos pudieron empezar a componerse; los electrones pudieron empezar a rodear a los protones y neutrones formando átomos estables, que ya no serían destruidos por la intensa radiación que estaba impregnando todo el universo. Antes de este momento, el universo estaba tan caliente que los átomos eran inmediatamente descompuestos por esa radiación tan potente en el mismo acto de su formación. Esto significa que el universo era opaco, como una niebla espesa absorbente e impenetrable.

Pasados 300.000 años, la radiación no era tan potente; se había enfriado y por lo tanto la luz podía atravesar grades distancias sin ser dispersada. En otras palabras, el universo se hizo repentinamente negro y transparente.

Terminaré esta parte comentando que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario; un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la disminución de energías sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumentar las temperaturas*.

Hablar, sin más especificaciones, de radiación, es estar refiriéndonos a una energía que viaja en forma de ondas electromagnéticas o fotones por el universo. También nos podríamos estar refiriendo a un chorro de partículas, especialmente partículas alfa o beta de una fuente radiactiva o neutrones de un reactor nuclear.

La radiación actínida es la electromagnética que es capaz de iniciar una reacción química. El término es usado especialmente para la radiación ultravioleta y también para denotar radiación que podría afectar a las emulsiones fotográficas.

Radiación blanda, radiación cósmica, radiación de calor, radiación de fondo, de fondo de microondas, radiación dura, electromagnética, radiación gamma, infrarroja, ionizante, monocromática, policromática, de sincrotón, ultravioleta, de la teoría cuántica, de radiactividad… y, como se puede ver, la radiación en sus diversas formas es un universo en sí misma.

Siempre me llamó la atención y se ganó mi admiración el físico alemán Max Planck (1.858 – 1.947), responsable entre otros muchos logros de la ley de radiación de Planck, que da la distribución de energía radiada por un cuerpo negro. Introdujo en física el concepto novedoso de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada es la base de la teoría cuántica.

Einstein se inspiró en este trabajo para a su vez presentar el suyo propio sobre el efecto fotoeléctrico, donde la energía máxima cinética del fotoelectrón, E_m, está dada por la ecuación que lleva su nombre: E_m = hf – Φ.

Cada metal requiere, para que se produzca la extracción, una radiación con una frecuencia mínima (n_o). Cualquier otra radiación de menor frecuencia, no será capaz de arrancar electrones. Por debajo de la frecuencia mínima la intensidad de corriente -”i” (amperios)- será cero. No hay efecto fotoeléctrico.

      Con su amigo Max Planc

En 1905, el mismo año que formuló su teoría de la relatividad especial, Albert Einstein propuso una descripción matemática de este fenómeno que parecía funcionar correctamente y en la que la emisión de electrones era producida por la absorción de cuantos de luz que más tarde serían llamados fotones. En un artículo titulado “Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz” mostró cómo la idea de partículas discretas de luz podía explicar el efecto fotoeléctrico y la presencia de una frecuencia característica para cada material por debajo de la cual no se producía ningún efecto. Por esta explicación del efecto fotoeléctrico Einstein recibiría el Premio Nobel de Física de 1921.

Planck publicó en 1.900 un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que sentó las bases para la teoría de la mecánica cuántica que más tarde desarrollaron otros, como el mismo Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Feymann, etc. Todos los físicos son conocedores de la enorme contribución que Max Planck hizo en física: la constante de Planck, radiación de Planck, longitud de Planck, unidades de Planck, etc. Es posible que sea el físico de la historia que más veces ha dado su nombre a conceptos de física. Pongamos un par te ejemplos de su ingenio:

1.      vale 10^-35 metros. Esta escala de longitud (veinte órdenes de magnitud menor que el tamaño del protón, de 10^-15 m) es a la que la descripción clásica de gravedad cesa de ser válida y debe ser tenida en cuenta la mecánica cuántica. En la fórmula que la describe, G es la constante gravitacional, ħ es la constante de Planck racionalizada y c en la velocidad de la luz.

2.     . Es la masa de una partícula cuya longitud de onda Compton es igual a la longitud de Planck. En la ecuación, ħ es la constante de Planck racionalizada, c es la velocidad de la luz y G es la constante gravitacional. Así, Se denomina masa de Planck a la cantidad de masa (21,7644 microgramos) que, incluida en una esfera cuyo radio fuera igual a la longitud de Planck,  generaría una densidad del orden de 10⁹³ g/cm³. Según la física actual, esta habría sido la densidad del Universo cuando tenía unos segundos, el llamado Tiempo de Planck. Su ecuación, es decir la masa de Planck se denota:

El valor de la masa de Planck se expresa por una fórmula que combina tres constantes fundamentales, la constante de Planck,  (h), la velocidad de la luz (c),  y la constante de gravitación universal (G). La masa de Planck es una estimación de la masa del agujero negro primordial menos masivo, y resulta de calcular el límite donde entran en conflicto la descripción clásica y la descripción cuántica de la gravedad.

“Aunque todas estas descripciones reflejan más una abundante imaginación que un hecho existencial apoyado teóricamente con alguna hipótesis que pueda ser comprobada en el laboratorio sobre hechos que están más allá de poder ser medidos jamás en algún laboratorio construído por humanos. La única forma de confrontar la factibilidad o la posibilidad del modelo de la espuma cuántica nos lleva necesariamente a confrontar la carencia de un modelo que logre unificar exitosamente al macrocosmos con el microcosmos, a la Relatividad General con la Mecánica Cuántica, la Gravedad Cuántica. Si la energía y la materia (o mejor dicho la masa-energía) están discretizadas, se supone que también deben de estarlo el espacio y el tiempo (o mejor dicho, el espacio-tiempo), y la “partícula fundamental” del espacio-tiempo debe de serlo el gravitón, aunque de momento todo esto son especulaciones que seguirán siéndolo mientras no tengamos a la mano algo que pueda confirmar la existencia de tan exótica partícula, quizá la más exótica de cuantas hayan sido concebidas por la imaginación del hombre.”

 

 

La descripción de una partícula elemental de esta masa, o partículas que interaccionan con energías por partículas equivalentes a ellas (a través de E = mc²), requiere de una teoría cuántica de la gravedad. Como la masa de Planck es del orden de 10^-8 Kg (equivalente a una energía de 10¹⁹ GeV) y, por ejemplo, la masa del protón es del orden de 10^-27 Kg y las mayores energías alcanzables en los aceleradores de partículas actuales son del orden de 10³ GeV, los efectos de gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas. Únicamente en un laboratorio aparecieron partículas que tenían energías del orden de la masa de Planck: en el universo primitivo, de acuerdo con la teoría del Big Bang, motivo éste por el que es necesaria una teoría cuántica de la gravedad para estudiar aquellas condiciones. Esta energía de la que estamos hablando, del orden de 10¹⁹ GeV (inalcanzable para nosotros), es la que necesitamos para verificar la teoría de supercuerdas.

Máquinas inmensamente grandes que nos llevaron a las entrañas de la materia

Siempre, desde que puedo recordar, me llamó la atención los misterios y secretos encerrados en la Naturaleza, y la innegable batalla mantenida a lo largo de la historia por los científicos para descubrirlos. Muchos han sido los velos que hemos podido descorrer para que, la luz cegadora del saber pudiera entrar en nuestras mentes para hacerlas comprender cómo actuaba la Naturaleza y el por qué de tales comportamientos, y, sin embargo, a pesar del largo camino recorrido, es mucho más el que nos queda por andar.

El saber, hoy es un sueño… ¿Será realñidad mañana?

emilio silvera

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