Las estrellas brillan en el cielo para hacer posible que nosotros estemos aquí descubriendo los enigmas del Universo y… de la vida inteligente.  Venimos y tenemos nuestro origen en las entrañas de las estrellas, allí, en sus “hornos” nucleares, se fabricaron los materiales de los que estamos hechos todos los seres vivos. Y, sin temor a equivocarnos podríamos decir que somos “materia inerte” evolucionada hasta el nivel de la conciencia.

Pero está claro que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares hasta los planetas, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo describimos la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso de las estrellas.

Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos de tamaño comparables al nuestro, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico.

Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

No es fácil decir que, esa Nebulosa está conformada por materia inerte, toda vez que, lo que ahí está presente, interacciona y evoluciona conforme a una serie de parámetros que, como las temperaturas y otros la transforman en objetos distintos de lo que ahora son simples gases y riadas de polvo.

Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos materia inerte? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas.

¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte?

Pero el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico.

Según decía en páginas anteriores, los quarks u y d se hallan en el seno de los nucleones (protones y neutrones) y, por tanto, en los núcleos atómicos. Hoy día, éstos se consideran como una subclase de los hadrones.

La composición de los núcleos (lo que en química se llama análisis cualitativo) es extraordinariamente sencilla, ya que como es sabido, constan de neutrones y protones que se pueden considerar como unidades que dentro del núcleo mantienen su identidad. Tal simplicidad cualitativa recuerda, por ejemplo, el caso de las series orgánicas, siendo la de los hidrocarburos saturados la más conocida. Recordad que su fórmula general es C_nH_2n+2, lo que significa que una molécula de hidrocarburo contiene n átomos de carbono (símbolo C) y (2n+2) átomos de hidrógeno (símbolo H).

El número de protones y neutrones determina al elemento, desde el hidrógeno (el más simple), al uranio (el más complejo), siempre referido a elementos naturales que son 92; el resto son artificiales, los conocidos transuránicos en cuyo grupo están el einstenio o el plutonio, artificiales todos ellos.

Los núcleos, como sistemas dinámicos de nucleones, pertenecen obviamente a la microfísica y, por consiguiente, para su descripción es necesario acudir a la mecánica cuántica. La materia, en general, aunque presumimos de conocerla, en realidad, nos queda mucho por aprender de ella.

Hablemos un poco de moléculas.

El número de especímenes atómicos es finito, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya antes me referiría a las especies atómicas, naturales y artificiales que son de unos pocos millares; en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprende varios millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a las síntesis que se llevan a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

Una molécula es una estructura con individualidad propia, constituida por núcleos y electrones. Obviamente, en una molécula las interacciones deben tener lugar entre núcleos y electrones, núcleos y núcleos y electrones y electrones, siendo del tipo electromagnético.

Debido al confinamiento de los núcleos, el papel que desempeñan, aparte del de proporcionar la casi totalidad de la masa de la molécula, es poco relevante, a no ser que se trate de moléculas livianas, como la del hidrógeno. De una manera gráfica podríamos decir que los núcleos en una molécula constituyen el armazón de la misma, el esqueleto, cuya misión sería proporcionar el soporte del edificio. El papel más relevante lo proporcionan los electrones y en particular los llamados de valencia, que son los que de modo mayoritario intervienen en los enlaces, debido a que su energía es comparativamente inferior a la de los demás, lo que desempeña un importante papel en la evolución.

Desde las moléculas más sencilla, como la del hidrógeno con un total de 2 electrones, hasta las más complejas, como las de las proteínas con muchos miles de ellos, existe toda una gama, según decía, de varios millones.  Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Sin entrar en las posibles diferencias interpretativas de estas notables divergencias, señalaré que desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares y atómicas.

Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a la de los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco se podría admitir que la citada información la soportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales las que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones corticales.

Justamente esa información es la que va a determinar las capacidades de unión de unos átomos con otros, previo el “reconocimiento” entre los orbitales correspondientes. De acuerdo con la mecánica cuántica, el número de orbitales se reduce a unos pocos. Se individualizan por unas letras, hablándose de orbitales s, p, d, f, g, h. Este pequeño número nos proporciona una gran diversidad.

La llamada hibridación (una especie de mezcla) de orbitales es un modo de aumentar el número de mensajes, esto es, la información, bien entendido que esta hibridación ocurre en tanto y en cuanto dos átomos se preparan para enlazarse y formar una molécula.

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de densidad eléctrica, con valles, cimas, collados, etc, es decir, curvas isoelectrónicas equivalentes formalmente a las de nivel en topografía. Parece razonable suponer que cuanto más diverso sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser su información, la información que pueda soportar.

La enorme variedad de formas, colores, comportamientos, etc que acompaña a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas (y sus agregados) que forman parte de dichos objetos.

C.

La inmensa mayoría de ellas contiene carbono. Debido a su tetravalencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor.

emilio silvera

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Cuando los átomos de Cl y Na interaccionan por aproximarse suficientemente sus nubes electrónicas, existe un reajuste de cargas, porque el núcleo de Cl atrae con más fuerza los electrones que el de Na, así uno pierde un electrón que gana el otro. El resultado es que la colectividad de átomos se transforma en colectividad de iones, positivos los de Na y negativos los de Cl. Las fuerzas electromagnéticas entre esos iones determinan su ordenación en un cristal, el Cl Na. Por consiguiente, en los nudos de la red existen, de manera alternativa, iones de Na e iones de Cl, resultando una red mucho más fuerte que en el caso de que las fuerzas actuantes fueran de Van der Waals. Por ello, las sales poseen puntos de fusión elevados en relación con los de las redes moleculares.

Hablemos de cuerpos.

Me referiré en primer lugar a los que constituyen nuestro entorno ordinario, que sería todo el entorno que abarca nuestro planeta. En segundo lugar considerare los demás cuerpos y objetos del universo. El análisis de muestras de esos diversos cuerpos ha puesto de manifiesto que, en función de la composición, los cuerpos pueden ser simples y compuestos. Los primeros son, precisamente, los llamados elementos químicos, a las que el insigne Lavoisier (conocido como padre de la química), consideró como el último término a que se llega mediante la aplicación del análisis químico.

Hoy sabemos que son colectividades de átomos isotópicos.

La mayoría de ellos son sólidos y se encuentran en la naturaleza (nuestro entorno terráqueo) en estado libre o en combinación química con otros elementos, formando los diversos minerales.

La ordenación de los iones en las redes se manifiesta externamente en multitud de formas y colores. No obstante debo señalar que, aun siendo abundante esta variedad, no es tan rica como la que corresponde a los cuerpos vivos, tanto animales como vegetales. La explicación se basa en que el número de especímenes moleculares y su complejidad son mucho mayores que en el reino inorgánico.

Sería conveniente, salir al paso de una posible interpretación errónea.  Me refiero a que pudiera pensarse que los reinos que acabamos de mencionar constituyen clases disyuntas, esto es, sin conexión mutua. Y no lo digo porque esté considerando el hecho de que el carbono forma compuestos inorgánicos y orgánicos (lo que también hace el silicio), sino porque haya existido, y aún pueda existir, una conclusión, mejor conexión evolutiva del mundo inorgánico y el viviente que no se puede descartar, de hecho yo particularmente estoy seguro de ello. Estamos totalmente conectados con los ríos, las montañas y los valles, con la tierra que pisamos, el aire que respiramos y con todo el resto del universo del que formamos parte.

La teoría de Cairns Smith considera que el eslabón entre ambos mundos se halla localizado en los microcristales de arcilla. Mi teoría particular es que no hay eslabón perdido en dicha conexión, sino que es el tiempo el que pone en cada momento una u otra materia en uno u otro lugar. Ahora nos ha tocado estar aquí como ser complejo, pensante y sensitivo. El eón que viene nos puede colocar formando parte de un enorme árbol, de un monte, o simplemente estar reposando como fina arena en el lecho de un río.  Sin dudarlo, J. M. y P. formarán parte de un hermoso jardín perfumado y lleno de aromas que la brisa regalará a los que pasen cerca de allí.

El granito, por ejemplo, consiste básicamente en una mezcla de tres cuerpos compuestos: cuarzo, mica y feldespato. ¿Quién puede decir hoy lo que seremos mañana?

En todos los cuerpos que hemos estado considerando hasta ahora, las moléculas, los átomos o los iones se hallan situados en los nudos de la correspondiente red, así que, los electrones de esos individuos se encuentran también localizados en el entorno inmediato de esos lugares. Podríamos decir que la densidad electrónica es una función periódica espacial, lo que significa que al recorrer la red siguiendo una determinada dirección irían apareciendo altibajos, es decir, crestas y valles de la densidad electrónica.

La estructura de los cuerpos metálicos, así como las aleaciones, merecen una consideración especial. La estructura de los metales y aleaciones difiere de la de los demás cuerpos en un aspecto muy importante que consideraré a continuación.

Me refiero a que en los cuerpos metálicos existe una deslocalización de los electrones que están menos fuertemente enlazados en los correspondientes núcleos, es decir, de los electrones de valencia.

Vamos a precisar un poco. Supongamos, para fijar las ideas, que tenemos un trozo de plata metálica pura. En los nudos de la red correspondientes los átomos han perdido su electrón de valencia, pero ocurre que cada uno de estos electrones forma una colectividad que se halla desparramada o dispersa por todo el sólido. Una primera imagen de esta situación fue establecida por el gran físico italiano Enrico Fermi, por lo que se habla de un gas electrónico, llamado también de Fermi, que llenaría los espacios libres, es decir, no ocupados por los iones metálicos.

Este gas electrónico es el responsable de las propiedades metálicas, tales como el brillo, conductibilidades eléctrica y térmica, etc. La aplicación de la mecánica cuántica a la descripción del estado metálico conduce a la obtención del mapa de la densidad electrónica, o como decía antes, a las características de la información correspondiente.

Sin entrar en detalles que desviarían nuestra atención hacia otros conceptos fuera de los límites de lo que ahora estoy pretendiendo, utilizaré el mismo lenguaje que para las estructuras de núcleos y átomos.

Recordemos que en la sociedad de los nucleones y electrones existen las relaciones verticales y las de estratificación, que se manifiestan en las capas y subcapas. En el caso de los metales tendríamos una colectividad de núcleos, arropados con sus capas cerradas, ocupando los nudos de la red; únicamente los electrones de valencia de cada átomo forman la colectividad del gas electrónico.

La pregunta que nos debemos hacer es: ¿estos electrones, en número igual por lo menos al de los átomos, se hallan estratificados? La respuesta es que sí. Existe una estratificación de estos electrones en las llamadas bandas.  El concepto de banda energética resulta de la consideración simultánea de dos aspectos: la cuantización energética (o la estratificación de los niveles energéticos en los átomos) y el grandísimo número de electrones existentes.  Este colectivo no podría ubicarse en un número finito y escaso de niveles.   Esta dificultad queda soslayada si se admite que cada uno de esos niveles atómicos de los n átomos que forman el cuerpo se funde en otros tantos niveles de cierta anchura donde ya pueden alojarse los electrones disponibles.

Esa fusión de los niveles atómicos da lugar a las bandas. Esta imagen equivaldría a considerar un metal como un átomo gigante en el que los niveles energéticos poseyeran una anchura finita.

En cuanto a la información que puede soportar un metal, podríamos señalar que sería parecida a la del correspondiente átomo, pero mucha más extendida espacialmente. Una información puntual, la del átomo, daría paso a otra espacial, si bien vendría a ser una mera repetición periódica de aquella.

¿Y los cuerpos que pueblan el resto del universo?

Cuando un cuerpo sobrepasa unas determinadas dimensiones, aparece algo que conocemos como fuerza gravitatoria y que se deja sentir en la forma que todos conocemos y que da lugar primeramente a la fusión de los diversos materiales que forman los cuerpos.

Así, por ejemplo, en el cuerpo que llamamos Tierra, la presión crece con la profundidad, por lo que a partir de un determinado valor de ésta, aparece el estado líquido y con él una estratificación que trata de establecer el equilibrio hidrostático.

Dentro de nuestro sistema planetario se distinguen los planetas rocosos, hasta Marte y meteoritos inclusive, y el resto de ellos, desde Júpiter en adelante, incluido este. Estos últimos difieren esencialmente de los primeros en su composición. Recuérdese que la de Júpiter es mucho más simple que la de los planetas rocosos. Consta fundamentalmente de hidrógeno, helio, agua, amoniaco y metano, con un núcleo rocoso en su interior. El hidrógeno que rodea a este núcleo se encuentra en forma de hidrógeno atómico sólido.

También la composición del Sol (y todas las estrellas que brillan) es más simple que la de los planetas rocosos, su estado físico es el de plasma y su contenido está reducido (mayormente) a hidrógeno y helio. Más variedad de materiales existe en las estrellas supernovas, donde el primitivo hidrógeno ha evolucionado de la manera que expliqué en otra parte de este trabajo.

En cuanto a los derechos de la evolución estelar, enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros, señalaré que la composición de la primera es sencilla en cuanto al numero de “elementos” constituyentes; la segunda ya lo indica su propio nombre, constan de nucleones, particularmente neutrones que están fuertemente empaquetados (muy juntos) por la gravedad. Una estrella de neutrones puede tener una densidad superior a la del agua, en millones de veces y del mismo orden que la de los núcleos atómicos. El agujero negro es un fenómeno aparte, su inmensa fuerza gravitatoria es tal que ni la luz puede escapar de ella, es decir, su velocidad de escape es superior a 300.000 Km/s, y como según la relatividad nada es en nuestro universo superior en velocidad a la luz, resulta que nada podrá escapar de un agujero negro.

Menos mal que nadie ha visitado un agujero negro. No podría haber regresado para contarnos los que allí ocurre. Sin embargo, sabemos que…

Allí dentro, en el interior del agujero negro, no existen ni el tiempo ni el espacio; es como un objeto que estando en nuestro universo (deja sentir su fuerza gravitatoria y engulle estrellas), al mismo tiempo no está aquí.

Desde el comienzo de este trabajo estoy tratando de relacionar el universo, la materia y la consciencia, es por ello que me he entretenido en dar tantas explicaciones tratándo de hacerme comprender, si lo he conseguido o no será cuestión de que ustedes emitan su veredicto.

emilio silvera

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Resuelto el mistertio del origen de los agujeros negros supermasivos

En contra de lo que se creía, no se formaron a partir del colapso de estrellas, sino de forma directa poco tiempo después del Big Bang

Los agujeros negros supermasivos, esos que hoy podemos observar en los centros de la mayoría de las galaxias, son algo muy difícil de explicar. Y es que hasta ahora los investigadores que lo han intentado, y que lo siguen intentando, se han encontrado con una serie de dificultades prácticamente insalvables a la hora de escribir sus historias.

Estrellas supermasivas que al final de sus vidas (se creía) se convertían en agujeros negros

¿De dónde vienen estos gigantescos y oscuros objetos, que pueden llegar a tener hasta miles de millones de veces la masa del Sol? ¿Cómo llegaron a formarse? ¿Y cómo, a pesar de su extrañeza, pueden haber llegado a ser tan numerosos? Ahora, un equipo de astrofísicos de la Western University, en Canadá, parece haber encontrado una respuesta a este misterio cósmico. Los resultados de su trabajo se acaban de publicar en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Por lo que sabemos, un agujero negro se forma tras el colapso gravitatorio de una estrella de por lo menos cinco masas solares que, al quedarse sin combustible, es aplastada por su propia gravedad. Cuando la estrella ha consumido todo su combustible nuclear (por ejemplo hidrógeno o helio), su horno se apaga. Y una estrella no es más que el delicado equilibrio entre dos fuerzas: la que se ejerce «de dentro hacia fuera» gracias a la combustión nuclear; y la que ejerce «de fuera hacia dentro» la implacable gravedad.

El delicado equilibrio de las estrellas

Al desaparecer ese equilibrio, nada se opone a la gravedad, que comprime a la estrella hasta convertirla en un amasijo de materia superdensa y en la que ni siquiera queda ya espacio entre los átomos. Y aún más allá, la gravedad aplasta también ese núcleo endurecido hasta convertirlo en algo ralmente pequeño, pero de una densidad inconcebible. Llega un momento en que la materia comprimida no resiste más y explota con una violencia inusitada: una supernova. Las capas externas de la estrella moribunda salen disparadas al espacio en una explosión de enorme energía, y en el centro queda un punto de infinita densidad, de tamaño microscópico pero con la mayor parte de la masa de la estrella original en su interior. Se ha formado un agujero negro.

Ahora bien, eso vale para agujeros negros de «tamaño estelar», y sabemos que nuestra propia galaxia, y el Universo entero, está lleno de ellos. Otra cosa muy diferente son los agujeros negros supermasivos, muchísimo más grandes y pesados. No resulta raro, por ejemplo, encontrarlos del tamaño de todo nuestro Sistema Solar, y con una masa equivalente a la de varios miles de millones de soles.

¿De dónde vienen los monstruos supermasivos?

Según la teoría más aceptada, estos gigantes oscuros nacieron de la misma forma, tras el colapso de estrellas, y fueron creciendo a medida que iban devorando más y más materia, hasta convertirse en los auténticos «monstruos» que son en la actualidad. Lo malo es que para que un agujero negro «normal» crezca hasta convertirse en uno supermasivo, se necesita una enorme cantidad de tiempo. Y resulta que los científicos han encontrado agujeros negros supermasivos ya perfectamente formados cuando el Universo apenas tenía unos pocos cientos de millones de años. Tiempo a todas luces insuficiente para permitir un crecimiento tan desproporcionado.

En 2017, por ejemplo, los astrónomos encontraron un agujero negro de 800 millones de masas solares que se había formado «solo» 690 millones de años tras el Big Bang. Es decir, que nació, casi, en los primeros días de existencia del propio Universo, mucho antes del tiempo que la teoría considera necesario para alcanzar ese tamaño.

¿Cómo crecieron tan rápido?

Según Shantanu Basu y Arpan Das, del Departamento de Física y Astronomía de la Western University, esos agujeros negros se formaron de forma «directa», es decir, sin necesidad de surgir de entre las cenizas de una estrella muerta. Los dos investigadores, en efecto, han desarrollado una explicación alternativa para la distribución observada de masas y luminosidades de agujeros negros supermasivos. Algo que no existía hasta ahora.

El nuevo modelo se basa en una suposición muy simple: los agujeros negros supermasivos se forman muy rápidamente, en periodos muy, muy cortos de tiempo y, de repente, se detienen.

«Se trata de una evidencia observacional de que los agujeros negros se originan a partir de colapsos directos de materia, y no de restos estelares», asegura Shantanu Basu.

Basu y Das desarrollaron un nuevo modelo matemático calculando la función de masa de los agujeros negros supermasivos que se forman durante un periodo de tiempo concreto y experimentan un rápido crecimiento exponencial en sus masas. Según los investigadores, dicho crecimiento puede ser regulado por el llamado «límite de Eddington», que se establece por medio de un equilibrio entre las fuerzas de radiación y de gravedad.

«Los agujeros negros supermasivos -explica Basu- solo dispusieron de un periodo de tiempo muy corto para crecer rápido y luego, en algún momento, debido a toda la radiación del Universo creada por otros agujeros negros y estrellas, su producción se detuvo. Ese es el escenario del colapso directo».

Este nuevo modelo permite masas iniciales muy grandes, muy superiores a las que alcanza un agujero negro surgido de la muerte de una estrella, y tiene un gran potencial para explicar las observaciones de los astrónomos. El fenómeno, sin embargo, solo se produjo durante los primeros tiempos de existencia del Universo, antes de que éste se llenara completamente de radiación. La explicación pone así punto y final a un misterio que ha tardado décadas en resolverse.

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Steven Weinberg y Abdus Salam

Precisamente, en los dos últimos comentarios de Fandila y otro mío, nos estábamos refiriendo a las teorías y, los dos coincidimos en que, a medida que se avanza y se descubren nuevos parámentros, tienen que ser refinadas para que reflejen de manera más real lo que quieren representar de los fenómenos que vemos en la Naturaleza.

“El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973^{[cita requerida]} basada en las ideas de la unificación y simetrías¹​ que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas (exceptuando la gravedad, cuya principal teoría, la relatividad general, no encaja con los modelos matemáticos del mundo cuántico). La palabra “modelo” en el nombre viene del período de los 70 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo.¹​ Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.”

Han pasado 50 años desde que Steven Weinberg y Abdus Salam publicaran aquel artículo en el que formalizaron el llamado Modelo Estándar de las Interacciones Fundamentales. Han sido 5 décadas de actividad científica muy intensa en las que se han realizado toda clase de experimentos para someter a esta teoría a las más complicadas pruebas que nos dijeran si realmente era un modelo que reflejaba la realidad que la naturaleza nos quiere transmitir.

El Modelo Estándar está construido de manera imperfecta, y aunque ha sido y será una herramienta de un enorme rendimiento para los físicos, hay que reconocer que estaba construido con 20 parámetros aleatorios (metidos con calzador) y, de los cuales solo uno de ellos (el Bosón de Higgs) ha sido hallado.

En el modelo estándar que nos habla de las familias de partículas subatómicas que conforman la materia y también de aquellas otras que son intermediarias en la transmisión de las fuerzas fundamentales. Las partículas están divididas en familias como los quarks, los lectones y los hadrones. En realidad, los hadrones que se dividen en bariones y mesones se consideran una clase de subpartículas al estar conformadas por tripletes de quarks los bariones, y, por quarks y antiquarks los mesones.

Además de las partículas mencionadas, en el Modelo Estándar están incluidas tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza: Fuerza Nuclear Fuerte, Fuerza Nuclear Débil y, Electromagnetismo. La cuarta fuerza que es la Gravedad se resiste a reunirse en el modelo con las otras tres, y, precisamente por eso, los físicos están tratando de construir el modelo de la Gravedad Cuántica que por fin, reúna a todas las fuerzas.

Parece (aunque esto será objeto de un artículo a parte) que en la teoría de cuerdas (pendiente de ser verificada) puede subyacer esa teoría cuántica de la gravedad.

La teoría estándar constituye un logro científico de inmensa importancia. A partir de simples postulados de simetría, es posible deducir las propiedades dinámicas de las interacciones electrodébil y fuerte, es decir, el lagrangiano completo que rige las fuerzas entre los constituyentes básicos de la materia, prediciendo así el comportamiento del mundo microscópico, de forma muy precisa y en perfecto acuerdo con las observaciones experimentales.

Más aún, la consistencia matemática de la teoría hizo necesario introducir un nuevo campo de fuerza escalar, el campo de Higgs, del que no teníamos ninguna evidencia empírica hasta que los experimentos realizados en el acelerador de partículas LHC, encontraron el Bosón de Higgs y se consiguió añadir uno de los veinte parámetros aleatorios que tenía el modelo para convertirlo en un parámetro real y muy positivo, de tal manera que 50 años más tarde, lo que era una hipótesis teórica se ha convertido en una realidad tangible.

Desde la perspectiva actual, la Teoría Estándar se obtiene fácilmente a partir de un mínimo número de ingredientes: la existencia de constituyentes elementales de la materia con espín ½, quarks y lectones, y las propiedades de simetría de los campos cuánticos que los describen.

La derivación matemática de su estructura parece tan simple y elegante que se podría llegar a pensar que es el resultado de una idea brillante (¿por qué no se nos había ocurrido antes?). Nada más lejos de la realidad. El desarrollo histórico de la teoría se produjo mediante una concatenación de pequeños pasos, no siempre en la buena dirección, en los que poco a poco se fueron superando grandes dificultades técnicas y conceptuales.

El modelo que formularon Weinberg y Salam en 1967-1968 estaba basado en los desarrollos anteriores realizados por muchos otros científicos. Además, era un modelo solo de lectones y por lo tanto, tal como ahora sabemos, matemáticamente inconsistente debido a anomalías cuánticas. Harían falta todavía algunos años de profunda investigación y nuevas ideas para hacer posible la incorporación de los quarks, dando lugar al modelo definitivo. La celebración de este cincuentenario es una buena oportunidad para analizar retrospectivamente la evolución conceptual que ha permitido alcanzar este gran éxito científico.

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En el universo en que vivimos, nada desaparece; con el tiempo se cumplen los ciclos de las cosas y se convierten en otra distinta, es un proceso irreversible.

En lo concerniente a cambios y transformaciones, el que más me ha llamado siempre la atención es el de las estrellas que se forman a partir de gas y polvo cósmico. Nubes enormes de gas y polvo se van juntando. Sus moléculas cada vez más apretadas se rozan, se ionizan y se calientan hasta que en el núcleo central de esa bola de gas caliente, la temperatura alcanza millones de grados. La enorme temperatura hace posible la fusión de los protones y, en ese instante, nace la estrella que brillará durante miles de millones de años y dará luz y calor. Su ciclo de vida estará supeditado a su masa. Si la estrella es supermasiva, varias masas solares, su vida será más corta, ya que consumirá el combustible nuclear de fusión (hidrógeno, helio, litio, oxígeno, etc) con más voracidad que una estrella mediana como nuestro Sol, de vida más duradera.

Cuando están a punto de ser estrellas verdaderas, pero aún no lo son, se llaman estrellas T Tauri. Son un tipo de estrellas variables irregulares nombradas a partir del objeto prototípico del grupo, la estrella T Tauri. Son estrellas jóvenes que aún no han entrado en la Secuencia Principal (estrellas pre-secuencia principal). Se encuentran cerca de nubes moleculares y se identifican por su variabilidad estelar  y la presencia de líneas intensas en su cromosfera.

Una estrella, como todo en el universo, está sostenida por el equilibrio de dos fuerzas contrapuestas; en este caso, la fuerza que tiende a expandir la estrella (la energía termonuclear de la fusión) y la fuerza que tiende a contraerla (la fuerza gravitatoria de su propia masa). Cuando finalmente el proceso de fusión se detiene por agotamiento del combustible de fusión, la estrella pierde la fuerza de expansión y queda a merced de la fuerza de gravedad; se hunde bajo el peso de su propia masa, se contrae más y más, y en el caso de estrellas súper masivas, se convierten en una singularidad, una masa que se ha comprimido a tal extremo que acaba poseyendo una fuerza de gravedad de una magnitud difícil de imaginar para el común de los mortales.

Tanto la descripción del espacio-tiempo como de la materia que hacen las teorías científicas, no pueden describir la singularidad.

Para hacernos una idea y entender algo mejor la fuerza de gravedad que puede generar la singularidad de un agujero negro (que es el destino final las estrellas súper masivas), pongamos el ejemplo de un objeto más cercano, el planeta Tierra.

La Tierra, un objeto minúsculo en comparación con esos objetos súper masivos estelares, genera una fuerza de gravedad que, para escapar de ella, una nave o cohete espacial tiene que salir disparado desde la superficie terrestre a una velocidad de 11’18 km/s; el sol exige 617’3 km/s.

Salir de la Gravedad terrestre requiere gran energía (Cualquiera de estas misiones tiene que transportar una cantidad de combustible 16 veces mayor que el resto de la masa que transporta. ¡Hay que buscar otros sistemas y otras formas de energía- Hasta que no lo consigamos, será difícil que salgamos del Sistema solar.

Es lo que se conoce como velocidad de escape, que es la velocidad mínima requerida para escapar de un campo gravitacional que, lógicamente, aumenta en función de la masa del objeto que la produce. El objeto que escapa puede ser una cosa cualquiera, desde una molécula de gas a una nave espacial. La velocidad de escape de un cuerpo está dada por , donde G es la constante gravitacional, M es la masa del cuerpo y R es la distancia del objeto que escapa del centro del cuerpo. Un objeto que se mueva con una velocidad menor que la de escape entra en una órbita elíptica; si se mueve a una velocidad exactamente igual a la de escape, sigue una órbita parabólica, y si el objeto supera la velocidad de escape, se mueve en una trayectoria hiperbólica y rompe la atadura en que la mantenía sujeto al planeta, la estrella o el objeto que emite la fuerza gravitatoria.

La luz se esparce isotrópicamente cuando es eyectada por los astros.

La mayor velocidad que es posible alcanzar en nuestro universo es la de la luz, c, velocidad que la luz alcanza en el vacío y que es de 299.793’458 km/s.

Pues bien, es tal la fuerza de gravedad de un agujero negro que ni la luz puede escapar de allí; la singularidad la absorbe, la luz desaparece en su interior, de ahí su nombre, agujero negro, cuando la estrella supermasiva se contrae, llega a un punto que desaparece de nuestra vista. De acuerdo con la relatividad general, cabe la posibilidad de que una masa se comprima y reduzca sin límites su tamaño y se auto confine en un espacio infinitamente pequeño que encierre una densidad y una energía infinitos. Allí, el espacio y el tiempo dejan de existir.

Las singularidades ocurren en el Big Bang, en los agujeros negros y en el Big Crunch (que se podría considerar como una reunión de todos los agujeros negros generados por el paso del tiempo en el universo y que nos llevará a un fin  que será el nuevo comienzo).

Las singularidades de los agujeros negros están rodeados por una circunferencia invisible a su alrededor que marca el límite de su influencia. El objeto que traspasa ese límite es atraído, irremisiblemente, hacia la singularidad que lo engulle, sea una estrella, una nube de gas o cualquier otro objeto cósmico que ose traspasar la línea que se conoce como horizonte de sucesos del agujero negro.

La existencia de los agujeros negros fue deducida por Schwarzschild, en el año 1.916, a partir de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general. Este astrónomo alemán predijo su existencia, pero el nombre de agujero negro se debe a J. Wehleer.

Así, el conocimiento de la singularidad está dado por las matemáticas de Einstein y más tarde por la observación de las señales que la presencia del agujero generan. Es una fuente emisora de rayos X que se producen al engullir materia que traspasa el horizonte de sucesos y es atrapada hacia la singularidad, donde desaparece para siempre sumándose a la masa del agujero cada vez mayor.

En el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, ha sido detectado un enorme agujero negro, ya muy famoso, llamado Cygnus X-1.

Después de todo, la velocidad de la luz, la máxima del universo, no puede vencer la fuerza de gravedad del agujero negro que la tiene confinada para siempre.

En nuestra galaxia, con cien mil años luz de diámetro y unos doscientos mil millones de estrellas, ¿cuántos agujeros negros habrá?

Para mí, la cosa está clara: el tiempo es imparable, el reloj cósmico sigue y sigue andando sin que nada lo pare, miles o cientos de miles, millones y millones de estrellas súper masivas explotarán en brillantes supernovas para convertirse en temibles agujeros negros.

Llegará un momento que el número de agujeros negros en las galaxias será de tal magnitud que comenzarán a fusionarse unos con otros hasta que todo el universo se convierta en un inmenso agujero negro, una enorme singularidad, lo único que allí estará presente: la gravedad.

Esa fuerza de la naturaleza que ahora está sola, no se puede juntar con las otras fuerzas que, como se ha dicho, tienen sus dominios en la mecánica cuántica, mientras que la gravitación residen en la inmensidad del cosmos; las unas ejercen su dominio en los confines microscópicos del átomo, mientras que la otra sólo aparece de manera significativa en presencia de grandes masas estelares. Allí, a su alrededor, se aposenta curvando el espacio y distorsionando el tiempo.

Al final del camino toda la materia del Universo irá a parar a un enorme agujero negro que será lo único que quedará de todo este inmenso Cosmos. El Tiempo pasa, las estrellas mueren, cada vez son más agujeros negros los que ocupan las galaxias, la fuerza de gravedad que generan irán enguyendo la materia, todos se fusionaran en un sólo agujero negro enorme y de descomunal fuerza… La imaginación es libre ¿quién la puede parar?

Esa reunión final de agujeros negros será la causa de que la Densidad Crítica sea superior a la ideal. La gravedad generada por el inmenso agujero negro que se irá formando en cada galaxia tendrá la consecuencia de parar la expansión actual del universo. Todas las galaxias que ahora están separándose las unas de las otras se irán frenando hasta parar y, despacio al principio pero más rápido después, comenzarán a recorrer el camino hacia atrás.  Finalmente, toda la materia será encontrada en un punto común donde chocará violentamente formando una enorme bola de fuego, el Big Crunch.

Antes de que eso llegue, tendremos que resolver el primer problema: la muerte del Sol.

Los científicos se han preguntado a veces qué sucederá eventualmente a los átomos de nuestros cuerpos mucho tiempo después de que hayamos muerto. La posibilidad más probable es que nuestras moléculas vuelvan al Sol. En páginas anteriores he explicado el destino del Sol: se agotará su combustible de hidrógeno y fusionará helio; se hinchará en gigante roja y su órbita es probable que sobrepase la Tierra y la calcine; las moléculas que hoy constituyen nuestros cuerpos serán consumidas por la atmósfera solar.

Carl Sagan pinta el cuadro siguiente:

El Sol engullirá Mercurio y Venus y, la Tierra…

“Dentro de miles de millones de años a partir de ahora, habrá un último día perfecto en la Tierra… Las capas de hielo Ártica y Antártica se fundirán, inundando las costas del mundo. Las altas temperaturas oceánicas liberarán más vapor de agua al aire, incrementando la nubosidad y escondiendo a la Tierra de la luz solar retrasando el final. Pero la evolución solar es inexorable.  Finalmente los océanos hervirán, la atmósfera se evaporará en el espacio y nuestro planeta será destruido por una catástrofe de proporciones que ni podemos imaginar.”

 

En una escala de tiempo de varios miles de millones de años, debemos enfrentarnos al hecho de que la Vía Láctea, en la que vivimos, morirá. Más exactamente, vivimos en el brazo espiral Orión de la Vía Láctea. Cuando miramos al cielo nocturno y nos sentimos reducidos, empequeñecidos por la inmensidad de las luces celestes que puntúan en el cielo, estamos mirando realmente una minúscula porción de las estrellas localizadas en el brazo de Orión. El resto de los 200 mil millones de estrellas de la Vía Láctea están tan lejanas que apenas pueden ser vistas como una cinta lechosa que cruza el cielo nocturno.

Aproximadamente a dos millones de años luz de la Vía Láctea está nuestra galaxia vecina más cercana, la gran galaxia Andrómeda, dos o tres veces mayor que nuestra galaxia. Las dos galaxias se están aproximando a 125 km/s, y chocarán en un periodo de 5 a 10.000 millones de años. Como ha dicho el astrónomo Lars Hernquist de la Universidad de California en Santa Cruz, esta colisión será “parecida a un asalto. Nuestra galaxia será literalmente consumida y destruida“.

Así las cosas, no parece que la Humanidad del futuro lo tenga nada fácil.  Primero tendrá que escapar, dentro de unos 4.000 millones de años del gigante rojo en que se convertirá el Sol que calcinará al planeta Tierra. Segundo, en unos 10.000 millones de años, la escapada tendrá que ser aún más lejana; la destrucción será de la propia galaxia que se fusionará con otra mayor sembrando el caos cósmico del que difícilmente se podría escapar quedándonos aquí. Por último, el final anunciado, aunque para más largo tiempo, es el del propio universo que, por congelación o fuego, tiene los eones contados.

Por todas estas catástrofes anunciadas por la ciencia, científicos como Kip S. Thorne y Stephen Hawking sugieren viajar a otros universos paralelos a través de agujeros de gusano en el hiperespacio. Sería la única puerta de salida para que la Humanidad no se destruyera.

Si al final conseguimos abrir ese camino, será lejos en el futuro

Si lo alcanzaremos o no, es imposible de contestar, no tenemos los datos necesarios para ello. Incluso se podría decir que aparte de estas catástrofes futuras que sabemos a ciencia cierta que ocurrirán, seguramente existan otras que están ahí latentes en la incertidumbre de si finalmente ocurren o no, sólo pendiente de decidir lo uno o lo otro por parámetros ocultos que no sabemos ni que puedan existir.

En esta situación de impotencia, de incapacidad física e intelectual, nos tenemos que dar cuenta y admitir que, verdaderamente, comparados con el universo y las fuerzas que lo rigen, somos insignificantes, menos que una mota de polvo flotando en el haz de luz que entra, imparable, por la ventana entre-abierta de la habitación.

Descomposición molecular aquí y reconstrucción allí ¿Qué forma de viajar! Claro que, todo lo que podamos imaginar, algún día, será realidad.

Sin embargo, tampoco es así. Que se sepa, no existe ningún otro grupo inteligente que esté capacitado para tratar de todas estas cuestiones. Que la especie humana sea consciente de dónde vino y hacia dónde va, en verdad tiene bastante mérito, y más, si consideramos que nuestro origen está a partir de materia inerte evolucionada y compleja que, un día, hace probablemente miles de millones de años, se fraguó en estrellas muy lejanas.

“En el año 1919, leyó un trabajo que lo conmocionó y que fue  escrito por el matemático Kaluza. Sugería agregar una dimensión extra a las 4 existentes y reformuló la TGR en 5 dimensiones, logrando en pocas líneas hacer aparecer las ecuaciones de Einstein junto a las de Maxwell! En palabras simples, las ecuaciones de Maxwell se podían deducir como ondas viajando en la quinta dimensión. Otra forma de verlo era que si se extendía la TGR a 5 dimensiones, la teoría de Maxwell estaba escondida detrás de la teoría de Einstein.” (Publicado el abril 17, 2011 por Guillote).

 

 

 

Suzuki                                            Veneziano

Ya he comentado que la teoría de cuerdas tiene un origen real en las ecuaciones de Einstein en las que se inspiro Kaluza para añadir la quinta dimensión y perfeccionó Klein (teoría Kaluza-Klein). La teoría de cuerdas surgió a partir de su descubrimiento accidental por Veneziano y Suzuki, y a partir de ahí, la versión de más éxito es la creada por los físicos de Princeton David Gross, Emil Martinec, Jeffrey Harvey y Ryan Rohm; ellos son conocidos en ese mundillo de la física teórica como “el cuarteto de cuerdas”.  Ellos han propuesto la cuerda heterótica (híbrida) y están seguros de que la teoría de cuerdas resuelve el problema de “construir la propia materia a partir de la pura geometría: eso es lo que en cierto sentido hace la teoría de cuerdas, especialmente en su versión de cuerda heterótica, que es inherentemente una teoría de la gravedad en la que las partículas de materia, tanto como las otras fuerzas de la naturaleza, emergen del mismo modo que la gravedad emerge de la geometría“.

Sin que nadie las llame, cuando los físicos de cuerdas trabajan con las ecuaciones de campo de esa teoría, sin que nadie las llame, allí aparecen, las ecuaciones de campo de Einsten de su relatividad general que, subyacen dentro de la teoría de cuerdas… ¿Por qué será?

La característica más notable de la teoría de cuerdas (como ya he señalado), es que la teoría de la gravedad de Einstein está contenida automáticamente en ella. De hecho, el gravitón (el cuanto de gravedad) emerge como la vibración más pequeña de la cuerda cerrada, es más, si simplemente abandonamos la teoría de la gravedad de Einstein como una vibración de la cuerda, entonces la teoría se vuelve inconsistente e inútil. Esta, de hecho, es la razón por la que Witten se sintió inicialmente atraído hacia la teoría de cuerdas.

Witten está plenamente convencido de que “todas las ideas realmente grandes en la física, están incluidas en la teoría de cuerdas“.

No entro aquí a describir el modelo de la teoría de cuerdas que está referido a la “cuerda heterótica”, ya que su complejidad y profundidad de detalles podría confundir al lector no iniciado. Sin embargo, parece justo que deje constancia de que consiste en una cuerda cerrada que tiene dos tipos de vibraciones, en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario, que son tratadas de forma diferente.

Las vibraciones en el sentido de las agujas de reloj viven en un espacio de diez dimensiones. Las vibraciones de sentido contrario viven en un espacio de veintiséis dimensiones, de las que dieciséis han sido compactificadas (recordemos que en la teoría pentadimensional Kaluza-Klein, la quinta dimensión se compactificaba curvándose en un circulo). La cuerda heterótica debe su nombre al hecho de que las vibraciones en el sentido de las agujas de reloj y en el sentido contrario viven en dos dimensiones diferentes pero se combinan para producir una sola teoría de supercuerdas. Esta es la razón de que se denomine según la palabra griega heterosis, que significa “vigor híbrido”.

En conclusión, las simetrías que vemos a nuestro alrededor, desde el arcoiris a las flores y a los cristales (en el copo de nieve -última imagen- Cuando el agua se congela las fuerzas de interacción entre moléculas de H2O ganan a las fuerzas derivadas del movimiento térmico y forman un conjunto rígido que presenta su estado más estable), pueden considerarse en última instancia como manifestaciones de fragmentos de la teoría decadimensional original.  Riemann y Einstein habían confiado en llegar a una comprensión geométrica de por qué las fuerzas pueden determinar el movimiento y la naturaleza de la materia.

La teoría de cuerdas, a partir del descubrimiento Veneziano-Suzuki, estaba evolucionando hacia atrás buscando las huellas de Faraday, Riemann, Maxwell y Einstein para poder construir una teoría de campos de cuerdas.  De hecho, toda la física de partículas estaba basada en teoría de campos. La única teoría no basada en teoría de campos era la teoría de cuerdas.

De la teoría de cuerdas combinada con la supersimetría dio lugar a la teoría de supercuerdas. La cuerda es un objeto unidimensional que en esta nueva teoría se utiliza remplazando la idea de la partícula puntual de la teoría cuántica de campos. La cuerda se utiliza en la teoría de partículas elementales y en cosmología y se representa por una línea o lazo (una cuerda cerrada). Los estados de una partícula pueden ser producidos por ondas estacionarias a lo largo de esta cuerda.

En esta teoría se trata de unificar a todas las fuerzas fundamentales incorporando simetría y en la que los objetos básicos son objetos unidimensionales que tienen una escala de 10^{-35 metros} y, como distancias muy cortas están asociadas a energías muy altas, para este caso la escala de energía requerida es del orden de 10¹⁹ GeV, que está muy por encima de la que hoy en día pueda alcanzar cualquier acelerador de partículas.

Como antes expliqué, las cuerdas asociadas con los bosones sólo son consistentes como teorías cuánticas en un espacio-tiempo de 26 dimensiones; aquella asociadas con los fermiones sólo lo son en un espacio tiempo de 10 dimensiones. Ya se ha explicado antes que las dimensiones extras, además de las normales que podemos constatar, tres de espacio y una de tiempo, como la teoría de Kaluza-Klein, están enrolladas en una distancia de Planck. De momento, inalcanzables.

Una de las características más atractivas de la teoría de supercuerdas es que dan lugar a partículas de espín 2, que son identificadas con los gravitones (las partículas que transportan la gravedad y que aún no se han podido localizar). Por tanto, una teoría de supercuerdas automáticamente contiene una teoría cuántica de la interacción gravitacional. Se piensa que las supercuerdas, al contrario que ocurre con otras teorías (entre ellas el Modelo Estándar), están libres de infinitos que no pueden ser eliminados por renormalización, que plagan todos los intentos de construir una teoría cuántica de campos que incorpore la gravedad. Hay algunas evidencias de que la teoría de supercuerdas está libre de infinitos, pero se está a la búsqueda de la prueba definitiva.

Aunque no hay evidencia directa de las supercuerdas, algunas características de las supercuerdas son compatibles con los hechos experimentales observados en las partículas elementales, como la posibilidad de que las partículas no respeten paridad*,  lo que en efecto ocurre en las interacciones débiles.

Estoy convencido de que la teoría de supercuerdas será finalmente corroborada por los hechos y, para ello, se necesitará algún tiempo; no se puede aún comprobar ciertos parámetros teóricos que esas complejas matemáticas a las que llaman topología nos dicen que son así.

Habrá que tener siempre a mano las ecuaciones de Einstein, las funciones modulares de Ramanujan y el Supertensor métrico de ese genio matemático que, al igual que Ramanujan, fue un visionario llamado Riemann.

Las historias de estos dos personajes, en cierto modo, son muy parecidas.  Tanto Riemann como Ramanujan murieron antes de cumplir los 40 años y, también en ambos casos, en condiciones difíciles. Estos personajes desarrollaron una actividad matemática sólo comparable al trabajo de toda la vida de muchos buenos matemáticos.

¿Cómo es posible que, para proteger la simetría conforme original por su destrucción por la teoría cuántica, deben ser milagrosamente satisfechas cierto número de identidades matemáticas, que precisamente son las identidades de la función modular de Ramanujan?

En este trabajo he expresado que las leyes de la naturaleza se simplifican cuando se expresan en dimensiones más altas. Sin embargo, a la luz de la teoría cuántica, debo corregir algo esta afirmación, y para decirlo correctamente debería decir: las leyes de la naturaleza se simplifican cuando se expresan coherentemente en dimensiones más altas. Al añadir la palabra coherentemente hemos señalado un punto crucial. Esta ligadura nos obliga a utilizar las funciones modulares de Ramanujan, que fijan en diez de dimensiones del espacio-tiempo. Esto a su vez, puede facilitarnos la clave decisiva para explicar el origen del universo.

emilio silvera

* Paridad: Símbolo P. Propiedad de la  función de ondas que determina su comportamiento cuando todas sus coordenadas espaciales son invertidas.

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