Unificar las fuerzas de la Naturaleza en una Teoría

        Este es el Tiempo que tarda la luz en llegar desde la Luna a la Tierra, poco más de un segundo

                                               Einstein y la Relatividad Especial

      Tensor de Riemann         La presencia de grandes masas curva al Espacio

                 Einstein y la Relatividad General

                                             La Mecánica cuántica que nació con el “cuanto” de Planck

    El Sueño de crear una Gran Teoría unificada de todas las fuerzas. Einstein se pasó los últimos 30 años de su vida tratando de unificar todas las fuerzas fundamentales en una teoría que diera respuesta a todo, no lo pudo conseguir y, después de él, otros muchos lo intentaron sin éxito… ¡Pero queda Tiempo por delante!

En la Edad Media, los árabes salvaron la cultura

Documentos como el que arriba aparece salvaron la cultura de la barbarie en tiempos de la “Santa Inquisición”. La impagable labor de los árabes traduciendo los antiguos textos clásicos griegos en Bagdad, donde los escribas trabajaban sin descanso en la Casa de la Sabiduría en el siglo VIII.

“Toledo es una antigua ciudad ubicada en una colina sobre las llanuras de Castilla-La Mancha, en España central. Es la capital de la región y es conocida por los monumentos medievales árabes, judíos y cristianos en su ciudad antigua amurallada. También fue la antigua casa del pintor manierista El Greco. La Puerta de Bisagra, de estilo morisco, y la Puerta del Sol, de estilo mudéjar, llevan al barrio antiguo, donde la Plaza de Zocodover es un animado lugar de reunión.”

“Córdoba es una ciudad del sur de la región de Andalucía, en España, y es la capital de la provincia de Córdoba. Fue una importante ciudad romana y uno de los principales centros islámicos de la Edad Media. Es conocida por la enorme Mezquita que data del año 784 d. C., con un salón de oración con columnas y antiguos mosaicos bizantinos. Después de convertirse en una iglesia católica en 1236, se agregó una nave de estilo renacentista en el siglo XVII.”

Maimónides y Averroes que elevaron el conocimiento culturas de la Edad Media

Debatir y exponer los pensamientos, tratar de explicar a los demás nuestras ideas y teorías. En la Física, fueron  los teóricos como Einstein y otros, los que elevaron el pensamiento y abrieron nuevos caminos hacia la realidad y trataron de mostrarnos el verdadero camino hacia la Naturaleza.

No importa el lugar o el momento, cualquier sitio es bueno para debatir y exponer lo que creemos sobre un tema en particular, y, lo curioso del caso es que, como anuncia el título de este trabajo, no siempre hablamos sobre lo que sabemos, sino sobre lo que creemos saber.

¡La Física! Lo que busca la física fundamental es reducir las leyes de la naturaleza a una teoría final sencilla que lo explique todo. El físico y premio Nobel Steven Weinberg señala que las reglas fundamentales son lo más satisfactorio (al menos para él). Las leyes básicas de Isaac Newton, que predicen el comportamiento de los planetas, son más satisfactorias, por ejemplo, que un almanaque en el que se indique la posición de todos los planetas en cada momento. Weinberg nos dice que la Física no puede explicarlo todo, matizando que sólo puede explicar los sucesos relacionándolos con otros sucesos y con las reglas existentes.

Por ejemplo, las órbitas de los planetas son el resultado de unas reglas, pero las distancias de los planetas al Sol son accidentales, y no son consecuencia de ley fundamental alguna. Claro que, también las leyes podrían ser fruto de casualidades. Lo que sí es cierto es que los físicos están más interesados por descubrir las reglas que por los sucesos que dichas reglas determinan, y más por los hechos que son independientes del tiempo; por ejemplo, les interesa más la masa del electrón que un tornado que se pueda producir en un lugar determinado.

Las ideas, las dudas, y, de vez en cuando, esas ráfagas que nos dicen cómo son en realidad las cosas

La ciencia, como nos dice Weinberg, no puede explicarlo todo y, sin embargo, algunos físicos tienen la sensación de que nos estamos acercando a “una explicación del mundo” y, algún día, aunando todos los esfuerzos de muchos, las ideas de las mejores mentes que han sido, y las nuevas que llegarán, podremos, al fín, construir esa Teoría final tan largamente soñada que, para que sea convincente, deberá también, incluirnos a nosotros.

Nada es infinito… ¡El Universo tampoco!

Pero, paradógicamente y a pesar de estos pensamientos, existen hechos que los contradicen, por ejemplo, conocemos toda la física fundamental de la molécula de agua desde hace 7 decenas de años, pero todavía no hay nadie que pueda explicar por qué el agua hierve a los 100 ºC.

¿Qué ocurre? ¿Somos acaso demasiado tontos?

Bueno, me atrevería a pronosticar que seguiremos siendo “demasiado tontos” incluso cuando los físicos consigan (por fin) esa teoría final que nos pueda dar una “explicación del mundo”. Siempre seguiremos siendo aprendices de la naturaleza que, sabia ella, nos esconde sus secretos para que persista el misterio.

¿Qué sería de nosotros si lo supiéramos todo? Creo que la decadencia se apoderaría de nuestras mentes que, ausente de curiosidad, decaería en un vacío sin retorno.

La explicación que dan los físicos actualmente  sobre la subestructura de la materia se llama “el modelo estándar”. En este modelo están incluidas las doce partículas elementales y las tres fuerzas que, cuando se mezclan y se encajan, sirven para construir todo lo que hay en el universo, desde un redondo pan de pueblo hecho en un horno de leña,  hasta las más complejas galaxias, y puede explicar todos los mecanismos de acción, es decir, la mecánica del mundo.

Los Quarks y los Leptones, las partículas intermediarias de las fuerzas (Bosones) y la partícula de Higgs

Entre las partículas figuran los seis Quarks famosos: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima. Las otras seis partículas son Leptones: el electrón y sus dos parientes más pesados, el muón y el tau y los tres neutrinos a ellos asociados. Las tres fuerzas son la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unidos a los quarks) y la fuerza nuclear débil (responsable de la radioactividasd). Hay una cuarta fuerza: la Gravedad que, aunque tan importante como las demás, nadie ha sabido como encajarla en el modelo estándar. Todas las partículas y fuerzas de este modelo son cuánticas; es decir, siguen las reglas de la mecánica cuántica. Aún no existe una teoría de la gravedad cuántica.

En realidad, la región que denominamos Gravedad cuántica nos lleva y comprende preguntas sobre el origen del universo observable que nadie ha sabido contestar. Nos lleva a complejos procesos cuánticos situados en las épocas más cercanas imaginables en un espacio-tiempo clásico, es decir, en lo que se conoce como Tiempo de Planck a 10^-43 segundos del supuesto big bang, cuando reinaba una temperatura del orden de 10 x 10³¹ K. Pero, como hemos dicho, al no existir una teoría autoconsistente de la Gravedad cuántica, lo único que podemos hacer (como en tantas otras áreas de la Ciencia)  es especular.

El Modelo Estándar no es, ni mucho menos, satisfactorio. Los científicos piensan que no sólo es incompleto, sino que es demasiado complicado y, desde hace mucho tiempo, buscan, incansables, otro modelo más sencillo y completo que explique mejor las cosas y que, además, no tenga (como tiene el modelo actual) una veintena de parámetros aleatorios y necesarios para que cuadren las cuentas…, un ejemplo: el bosón de Higgs necesario para dar masa a las partículas que, fue introducido sin tener la certeza de su existencia.

¡La masa! ese gran problema. Todas las partículas tienen masa diferentes pero nadie sabe de donde salen sus valores. No existe fórmula alguna que diga, por ejemplo,  que el quark extraño debería pesar el doble (o lo que sea) del quark arriba, o que el electrón deba tener 1/200 (u otra proporción) de la masa del muón. Las masas son de todo tipo y es preciso “ponerlas a mano”, como se suele decir: cada una ha de ser medida experimental e individualmente. En realidad, ¿por qué han de tener masa las partículas? ¿de dónde viene la masa?

No puedo evitarlo ni tampoco me puedo quedar callado, cuando he asistido a alguna conferencia sobre la materia y, el ponente de turno se agarra a la “materia oscura” para justificar lo que no sabe, si al final hay debate, entro en escena para discutir sobre la existencia de esa “materia fantasma” que quiere tapar nuestra enorme ignorancia.

Pero, sigamos con el problema de la masa. Para resolverlo, muchos expertos en física de partículas creen actualmente en algo que llaman “campo de Higgs”. Se trata de un campo misterioso, invisible y etéreo que está permeando todo el espacio (¿habrán vuelto al antiguo éter pero cambiándole el nombre?). Hace que la materia parezca pesada, como cuando tratamos de correr por el fondo de la piscina llena de agua pero que el agua no se pudiera ver. Si pudiéramos encontrar ese campo, o más bien la partícula la partícula que se cree es la manifestación de ese campo (llamada el bosón de Higgs), avanzaríamos un largo trecho hacia el conocimiento del universo.

Aquí, en este imponente artilugio inventiva de nuestras mentes, se quiere dar respuesta a una serie de interrogantes que se espera solucionar con este experimento:

• Qué es la masa.
• El origen de la masa de las partículas
• El origen de la masa para los bariones.
• El número exacto de partículas del átomo.

Y otros muchos enigmas que nos gritan, tales como “materia oscura”, hiperespacio, agujero de gusano, universos paralelos…

¿Qué simboliza Shiva, el dios destructor, en el Acelerador de Partículas del CERN?  Pocos saben que, un año después de la gran inauguración del CERN, Sergio Bertolucci, exdirector de Investigación e Informática Científica del CERN, afirmó que el Gran Colisionador de Hadrones podría abrir puertas a otra dimensión en “un lapso de tiempo muy pequeño”, añadiendo que quizá fuese suficiente “para mirar en el interior de esa puerta abierta, para obtener o enviar algo”.

Si no fuera tan largo de contar, os diría que, en realidad, el Campo de Higgs se descubrió hace ya muchos siglos en la antigua India, con el nombre de maya, que sugiere la idea de un velo de ilusión para dar peso a los objetos del mundo material. Pocos conocen que, los hindúes fueron los que más se acercaron a las ideas modernas sobre el átomo, la física cuántica y otras teorías actuales. Ellos desarrollaron muy temprano sólidas teorías atomistas sobre la materia. Posiblemente, el pensamiento atomista griega recibió las influencias del pensamiento de los hindúes a través de las civilizaciones persas. El Rig-Veda, que data de alguna fecha situada entre el 2000 y el 1500 a. C., es el primer texto hindú en el que se exponen unas ideas que pueden considerarse leyes naturales universales. La ley cósmica está relacionada con la luz cósmica.

Anteriores a los primeros Upanishads tenemos en la India la creación de los Vedas, visiones poéticas y espirituales en las que la imaginación humana ve la Naturaleza y la expresa en creación poética, y después va avanzando hacia unidades más intensamente reales que espirituales hasta llegar al Brahmán único de los Upanishads.

Hacia la época de Buda (500 a, C.), los Upanishad, escritos durante un período de varios siglos, mencionaban el concepto  de svabhava, definido como “la naturaleza inherente de los distintos materiales”; es decir, su eficacia causal única, , tal como la combustión en el caso del fuego, o el hecho de fluir hacia abajo en el caso dela agua. El pensador Jainí Bunaratna nos dijo: “Todo lo que existe ha llegado a existir por acción de la svabhava. Así… la tierra se transforma en una vasija y no en paño… A partir de los hilos se produce el paño y no la vasija”.

También aquellos pensadores, manejaron el concepto de yadrccha, o azar desde tiempos muy remotos. Implicaba la falta de orden y la aleatoriedad de la causalidad. Ambos conceptos se sumaron a la afirmación del griego Demócrito medio siglo más tarde: “Todo lo que hay en el universo es fruto del azar y la necesidad”. El ejemplo que que dio Demócrito -similar al de los hilos del paño- fue que, toda la materia que existe, está formada por a-tomos o átomos.

Bueno, no lo puedo evitar, mi imaginación se desboca y corre rápida por los diversos pensamientos que por la mente pasan, de uno se traslada a otros y, al final, todo resulta un conglomerado de ideas que, en realidad, quieren explicar, dentro de esa diversidad, la misma cosa.

emilio silvera

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Hemos llegado a saber que otros planetas, situados en la zona habitable de sus estrellas, también pudieran tener presente la Vida. La Astrofísica nos llevará de la mano hasta lejanos lugares y mundos de fantásticas posibilidades que, cuando las podemos contemplar, nos asombraran y, sobre todo, nos enseñará que estamos muy bien acompañados.

Sabemos que el Universo es igual en todas partes, no importa lo lejana que esas regiones puedan estar, allí, como aquí, rigen las mismas leyes y constantes y, la consecuencia de esa verdad es que, los sucesos serán los mismos en todas partes.

Siendo así (que lo es), estrellas como el Sol y otras que pueden enviar luz y calor a planetas que la orbitan, si alguno de esos mundos está situado en la zona adecuada: Atmósfera, agua líquida, océanos. radiación…

Podrá tener los ecosistemas necesarios para que surjan una inmensa multitud de especies que, en las condiciones adecuadas evolucionaran como aquí en la Tierra.

Como se trata de una Ciencia que estudia la naturaleza Física del Universo y de los objetos contenidos en él, fundamentalmente estrellas, galaxias y la composición del espacio entre ellas, así como las consecuencias de las interacciones y transformaciones que en el Cosmos se producen, aquí dejamos una breve secuencia de hechos que, suceden sin cesar en el ámbito del Universo y, gracias a los cuales, existe la Tierra…y, nosotros.

La evolución cósmica de los elementos nos lleva a la formación de los núcleos atómicos simples en el Big Bang y a una posterior fusión de estos núcleos ligeros para formar otros más pesados y complejos en en el interior de las estrellas, para finalizar el ciclo en las explosiones supernovas donde se plasman aquellos elementos finales de la Tabla Periódica, los más complejos y pesados.

Una potente simulación de la naturaleza nos permite ser testigos de los procesos que se generan en la colisión de dos cuerpos galácticos y, nuestros modernos telescopios, nos permiten captar imágenes como las que arriba podemos contemplar, en la que, galaxias inmensas como la propia Vía Láctea, se funden en un abrazo… ¿De Amor o de Muerte? Bueno, casi siempre, el resultado final es la Vida nueva.

La fusión libera energía. La energía liberada está relacionada con la famosa ecuación de Einstein, E=mc². En el ciclo básico de fusión del Hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno (protones) se unen para formar un núcleo de Helio. Esta es la versión más simple de la historia. En realidad existen electrones, neutrinos y fotones involucrados en esta historia que hacen posible la fusión de Hidrógeno hacia helio .Lo importante es recordar que esta fusión desprende energía en el centro de una estrella. Esta es la fusión que genera energía en nuestro Sol. Conocemos esta energía cuando sentimos calor en un día de verano.

La fusión en el centro de las estrella se logra cuando la densidad y temperatura son suficientemente altas. Existen varios ciclos de fusión que ocurren en diferentes fases de la vida de una estrella. Estos diferentes ciclos forman los diferentes elementos que conocemos. El primer ciclo de fusión es la fusión del Hidrógeno  hacia Helio. Esta es la fase en la que se encuentra nuestro Sol.

          El Proceso Triple Alfa:

1) He-4 + He-4 → Be-8 + Energia

2) Be-8 + He-4 → C-12 + Energía

3) C-12 + He-4 → O-16 + Energía

En las estrellas con temperaturas muy altas ocurren otros ciclos de fusiones (ciclos CNO ). A temperaturas aún más altas , el helio que se quema produce Carbono. Finalmente, a temperaturas extremadamente altas se forman los elementos más pesados como el Hierro.

Las reacciones de fusiones que ocurren en las estrellas forman a los neutrinos que llegan a la Tierra. Al detectar estos neutrinos, los científicos pueden aprender sobre las fusiones internas en las estrellas. En el proceso de fusión nuclear denominado reacción Protón-Protón las partículas intervinientes son el protón (carga positiva), el neutrón (carga neutra), el positrón (carga positiva, antipartícula del electrón) y el neutrino.

En las explosiones supernovas que viene a ser el aspecto más brillante de estos sucesos de transformación de la materia, literalmente, es que la explosión de la estrella genera suficiente energía para sintetizar una enorme variedad de átomos más pesados que el hierro que es el límite donde se paran en la producción de elementos estrellas medianas como nuestro Sol.

Pero, en las estrellas masivas y super-masivas gigantes, con decenas de masas solares, cuando el núcleo de hierro se contrae emite un solo sonido estruendoso, y este retumbar final del gong envía una onda sonara hacia arriba a través del gas que entran, el resultado es el choque más violento del Universo.

la imagen es un zoom del centro de la galaxia M82, una de las más cercana galaxias con estrellas explosivas a una distancia de sólo 12 millones de años luz. La imagen de la izquierda, tomada con el Telescopio Espacial Hubble (HST), muestra el cuerpo de la galaxia en azul y el gas hidrógeno expulsado por las estrellas explosivas del centro en rojo.

Más arriba decíamos que aquí está el choque más violento del Universo. En un momento se forjan en la ardiente región de colisión toneladas de oro, plata, mercurio, hierro y plomo, yodo, estaño y cobre. La detonación arroja las capas exteriores de la estrella al espacio interestelar, y la nube, con su valioso cargamento, se expande, deambula durante largo tiempo y se mezcla con las nubes interestelares circundantes.

Los remanentes de supernovas cuyos filamentos nos hablan de complejos materiales que la explosión primaria formó hace ya mucho tiempo, y, que actualmente, sirve de estudio para saber sobre los procesos estelares en este tipo de sucesos.

Antes dejamos una relación de materiales que pueden ser formados en las explosiones supernovas y, cuando se condensan estrellas nuevas a partir de esas nubes, sus planetas heredan los elementos forjados en estrellas anteriores y durante la explosión. La Tierra fue uno de esos planetas y éstos son los antepasados de los escudos de bronce y las espadas de acero con los que los hombres han luchado, y el oro y la plata por los que lucharon, y los clavos de hierro que los hombres del Capitán Cook negociaban por el afecto de las tahitianas que, después de meses aislados en el mar, les parecían diosas salidas del paraiso.

La muerte de una estrella supergigante, regenera el espacio interestelar de materiales complejos que, más tarde, forjan estrellas nuevas y mundos ricos en toda clase de elementos que, si tienen suerte de caer en la zona habitable, proporcionará a los seres que allí puedan surgir, los materiales y elementos necesarios para el desarrollo de sus ideas mediante la construcción de máquinas y tecnologías que, de otra manera, no sería posible. Incluso, sin estos materiales, ni esos seres podrían surgir a la vida.

           RECREACIÓN DE LA MUERTE DE UNA ESTRELLA MUY MASIVA

¿No os parece una maravilla? Comenzando con el Hidrógeno, Helio Berilio y Litio en el Big Bang, se continuó con el Carbono, Nitrógeno y Oxígeno en las estrellas de la secuencia principal, y, como más arriba explicaba, se continúa en las estrellas moribundas con el Sodio, Magnesio, Aluminio, Silicio, Azufre, Cloro, Argón, Potasio, Titanio, Hierro, Cobalto, Níquel, Cobre, Cinc…Uranio. ¡Que maravilla!

El Hubble ha captado en los cielos profundos las más extrañas y variadas imágenes de objetos que en el Cosmos puedan estar presentes, sin embargo, pocas tan bellas como las de nuestro planeta Tierra que, es tan rico y especial, gracias a esos procesos que antes hemos contado que ocurren en las estrellas, en las explosiones de supernovas y mediante la creación de esos materiales complejos entre los que se encuentran la química biológica para la vida.

Si a partir de las Nebulosas que, al llegar al final de sus vidas, pueden surgir planetas como la Tierra, y, si la Tierra contiene la riqueza de todos esos materiales forjados en las estrellas y en el corazón de esas inmensas explosiones, y, si el Universo está plagado de galaxias en las que, de manera periódica suceden esas explosiones, nos podríamos preguntar: ¿Cuántas “Tierras” podrán existir incluso en nuestra propia Galaxia? Y, ¿Cuántos seres pueden haberse formado a partir de esos materiales complejos forjados en las estrellas?

Tendremos que convenir que la Naturaleza es sabia, ya que, como nos decía el Físico León Lederman, el premio Nobel de Física:

“Todo lo que hay en el universo pasado o presente, del caldo de pollo a las estrellas de neutrones, podemos hacerlo con sólo doce partículas de materia. Nuestros á-tomos se agrupan en dos familias: seis quarks y seis leptones. Los seis quarks reciben los nombres de up (arriba), down (abajo), encanto, extraño, top (cima) o truth (verdad) y bottom fondo) o beauty (belleza). Los leptones son el electrón, tan familiar, el neutrino electrónico, el muón, el neutrino muónico, el tau y el neutrinotau.”

 

Claro que Lederman y el mismo Demócrito mucho antes que él, además de hablar de átomos y de Quarks y Leptones, se dejaron por detrás eso que llegaron a generar tales “insignificantes” partículas: Pensamientos y sentimientos que, dicho sea de paso, puede que sea el más alto grado evolutivo alcanzado por la materia hasta el momento (al menos hasta donde hemos podido conocer).

Ahí, en esa visión cognitiva de nuestro cerebro, están todos los secretos del mundo. En nuestros genes que tienen memoria, están grabadas todas las cosas que han sucedido en el transcurso de los miles de millones de años que el Universo ha estado fabricando estrellas y mundos para que, nosotros, seres que pudimos alcanzar la consciencia de Ser, los podamos desvelar… ¡Con el Tiempo!

emilio silvera

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Aquí podemos contemplar una imagen compuesta de la Supernova Kepler del Telescopio Espacial Spitzer y el Hubble con la ayuda del Observatorio de rayos X Chandra. El remanente de supernova que muestra los filamentos de plasma en que se ha convertido una estrella masiva que ha dejado por el camino algún agujero negro y muchos elementos complejos creados en las inmensas temperaturas que allí estuvieron presentes.

En las supernovas se produce la nucleosíntesis de la materia. Es decir, allí se crean nuevos elementos químicos. Ocurre principalmente debido a la nucleosíntesis explosiva durante la combustión de oxígeno explosivo y la combustión del silicio. Estas reacciones de fusión crean los elementos silicio, azufre, cloro, argón, potasio, calcio, escandio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto y níquel. Como resultado de su expulsión desde supernovas individuales, sus abundancias crecen exponencialmente en el medio interestelar. Los elementos pesados (más pesados que el níquel) son creados principalmente por un proceso de captura de neutrones conocido como proceso-R. Sin embargo, hay otros procesos que se piensa que son responsables de algunas nucleosíntesis de elementos, principalmente un proceso de captura de protones conocido como el Proceso rp  y un proceso de foto-disgregación conocido como el Proceso P. Al final se sintetizan los isótopos más ligeros (pobres en neutrones) de los elementos pesados.

                    Diagrama del Ciclo CNO

El ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno) es una de las 2 reacciones nucleares de fusión por las que las estrellas convierten el hidrógeno en Helio, siendo la otra la cadena protón-protón. Aunque la cadena protón-protón es más importante en las estrellas de la masa del Sol o menor, los modelos teóricos muestran que el ciclo CNO es la fuente de energía dominante en las estrellas más masivas. El proceso CNO fue propuesto en 1938 por Hans Bethe.

Modelo: ¹²₆C donde ¹² es peso atómico y ₆ es número de protones.

Las reacciones del ciclo CNO son:

126C + ¹1H	→	137N + γ	+1,95 MeV
137N	→	136C + e+ + νe	+1,37 MeV
136C + ¹1H	→	147N + γ	+7,54 MeV
147N + ¹1H	→	158O + γ	+7,35 MeV
158O	→	157N + e+ + νe	+1,86 MeV

Rama 1 (99,96% de todos las reacciones):

157N + 11H

→

126C + 42He

+4,96 MeV

El resultado neto del ciclo es la fusión de cuatro protones  en una partícula alfa  y dos positrones y dos neutrinos,  liberando energía en forma de rayos gamma.  Los núcleos de carbono, oxígeno y nitrógeno sirven como catalizadores  y se regeneran en el proceso.

Fusión de elementos

Debido a las grandes cantidades de energía liberadas en una explosión de supernovas se alcanzan temperaturas mucho mayores que en las estrellas. Las temperaturas más altas para un entorno donde se forman los elementos de masa atómica mayor de 254, el californio siendo el más pesado conocido, aunque sólo se ve como elemento sintético en la Tierra.

En los procesos de fusión nuclear en la nucleosíntesis estelar,  el peso máximo para un elemento fusionado en que el níquel, alcanzando un isótopo con una masa atómica de 56. La fusión de elementos entre el silicio y el níquel ocurre sólo en las estrellas más grandes, que termina como explosiones de supernovas -proceso de combustión del silicio-. Un proceso de captura de neutrones conocido como el proceso-s que también ocurre durante la nucleosíntesis estelar puede crear elementos por encima del bismuto con una masa atómica de aproximadamente 209. Sin embargo, el proceso-s ocurre principalmente en estrellas de masa pequeña que evolucionan más lentamente.

No podemos completar la Tabla periódica de elementos sin acudir a las estrellas. En las estrellas pequeñas y medianas como el Sol se transmutan una serie de elementos hasta llegar al hierro donde la fusión se frena por falta de potencia energética y, el resto de elementos más pesados y complejos, están en el ámbito de las estrellas masivas que, al final de sus vidas explotan como Supernovas y riegan el espacio interestelar de otros materiales como el oro y el platino, o, el Uranio.

Una imagen del Observatorio Chandra de Rayos-X del remanente de supernova Cassiopeia A, con una impresión artística de la estrella de neutrones en el centro del remanente. El descubrimiento de una atmósfera de carbono en esta estrella de neutrones resuelve un misterio de hace una década alrededor de este objeto. Crédito: NASA/CXC/Southampton/W.Ho;NASA/CXC/M.Weiss

Durante la nucleosíntesis de supernovas, el Proceso-R (R de Rápido) crea isótopos pesados muy ricos en neutrones, que se descomponen después del evento a la primera isobara estable, creando de este modo los isótopos estables ricos en neutrones de todos los elementos pesados. Este proceso de captura de neutrones ocurre a altas densidades de neutrones con condiciones de grandes temperaturas. En el Proceso-R, los núcleos pesados son bombardeados con un gran flujo de neutrones para formar núcleos ricos en neutrones altamente inestables que rápidamente experimentan la desintegración Beta  para formar núcleos más estables con un número atómico mayor y la misma masa atómica. El flujo de neutrones es increíblemente alto, unos 10²² neutrones por centímetro cuadrado por segundo.

                               Pudimos desvelar el origen de los elementos y cómo se formaron

Los primeros cálculos de un Proceso-R, muestran la evolución de los resultados calculados con respecto al tiempo, también sugieren que en el Proceso-R las abundancias son una superposición de diferentes flujos de neutrones. Las pequeñas afluencias producen el primer pico de abundancias del Proceso-R cerca del peso atómico A = 130 pero no actínidos, mientras que las grandes afluencias producen los actínidos Uranio y Torio, pero no contiene el pico de abundancia de A = 130. Estos procesos ocurren en una fracción entre un segundo y unos cuantos segundos, dependiendo de detalles. Cientos de artículos relacionados publicados han utilizado esta aproximación dependiente del tiempo. De modo interesante, la única supernova moderna cercana, la Supernova 1987A, no ha revelado enriquecimientos del Proceso-R. La idea moderna es que el Proceso-R puede ser lanzado desde algunas supernovas, pero se agota en otros como parte de los neutrones residuales de la estrella o de un agujero negro.

No hace tanto tiempo que se observó la supernova más notable de los tiempos modernos. En febrero de 1987, la luz llegó a la Tierra procedente de una estrella que explotó en la cercana galaxia grande Nube de Magallanes. 1987a Supernova sigue siendo la supernova más cercana desde la invención del telescopio. La explosión catapultó una enorme cantidad de gas, la luz y los neutrinos en el espacio interestelar. Cuando se observó por el telescopio espacial Hubble (HST) en 1994, se descubrieron grandes anillos extraños cuyo origen sigue siendo misterioso, aunque se cree que han sido expulsados​​, incluso antes de la explosión principal. Observaciones más recientes del HST muestran en la inserción, sin embargo, han descubierto algo realmente predicho: la bola de fuego en expansión de la estrella en explosión.

Con el paso de los siglos, las supernovas se difuminan y van cediendo material que pierden por distintos motivos de la gravedad, vientos estelares y otros sucesos que se llevan material del remanente. Arriba podemos contemplar lo que ha quedado de la Supernova SN 1572, más conocida como la Supernova de Tycho.

TRANSURÁNIDOS, TRANSACTÍNIDOS Y MÁS ALLÁ

En Química, un elemento sintético es un elemento químico que no aparece de forma natural en la Tierra, y sólo puede ser creado artificialmente. Hasta el momento, se han creado 27 elementos sintéticos (los que tienen números atómicos 95-118). Todos son inestables, descomponiéndose con vidas medias que van desde 15,6 millones de años a unos pocos cientos de microsegundos

“De los elementos con número atómico entre 1 hasta 92, todos a excepción de cuatro (₄₃Tc, ₆₁Pm, ₈₅At, y ₈₇Fr) se pueden detectar fácilmente en ciertas cantidades en la Tierra, teniendo una vida estable, o unos isótopos de vida media relativamente larga, o se generan como subproductos del uranio. Todos los elementos con gran número atómico tienen una probabilidad alta de haber sido generados de forma artificial, otros son extremadamente raros y por lo tanto han sido descubiertos mediante investigaciones científicas, y otros por el contrario no han existido anteriormente, como el plutonio y el neptunio, de los cuales ninguno tiene existencia natural sobre la tierra.”

Los elementos transuránicos (conocidos también como elementos transuránidos) son elementos químicos con número atómico mayor que 92, el número atómico del elemento uranio. El nombre de trans-uránidos significa “más allá del uranio”.

De todo el Uranio que hay en la Tierra, sólo el 7 por 1000 es Uranio 235, el resto es Uranio 238. El primero es ideal como combustible nuclear de fisión y, el segundo, es como la madera mojada, no funciona como tal combustible.

Uranio 235

Llegados a este punto, como el Uranio válido es el 235 que precisamente está muy escaso en la Tierra, se ideó el Reactor Generador que consiste en poner una cantidad de Uranio 238 en el núcleo del generador y se bombardea con Neutrones Lentos del Uranio 235.

El proceso nos lleva a que, al final de la operación, el Uranio 238 que no vale como combustible nuclear de fisión, se ha convertido en Plutonio 239 que es un buen combustible nuclear.

¡Qué no ideará el hombre!

Uranio 238

Los elementos químicos en el Universo

En el Universo se han detectado alrededor de 90 elementos químicos distintos. La abundancia de cada uno de ellos es muy diferente,  el hidrógeno constituye casi el 75% de la materia atómica del Universo, de un elemento como el francio apenas si existen 30 g en toda la Tierra, de otros elementos no se conoce su existencia y se han sintetizado en el laboratorio, en algunos casos, apenas unos pocos átomos. Este capítulo lo vamos a dedicar a conocer como el hombre ha ampliado, sintetizándolos de manera artificial, el  de elementos químicos conocido hasta llegar en la actualidad al 118, de ellos 112 reconocidos y con nombre admitido por la IUPAC.

Lo cierto es que hemos podido llegar a saber cómo se forman los elementos en el Universo donde la Naturaleza se sirve de las estrellas para “fabricarlos” y en sus distintas categorías de más o menos masas, cada tipo de estrella desempeña una función esencial para que en el Universo puedan existir toda la gama de elementos que podemos conocer y que conforman la Tabla Periódica. Los más sencillos se transmutan en las estrellas pequeñas y los más complejos en las masivas y en las supernovas que se producen al final de sus vidas. Como se dice más arriba, los artificiales, los que están más allá del Uranio, son formados por el hombre en el laboratorio.

El Alquimista descubriendo el fósforo (1771) de Joseph Wright

“El Elixir de la vida, en árabe: Al-ḥaya, en turco otomano: Ab-ı Hayat, en turco antiguo: Bengisu, también conocido como elixir de la inmortalidad, es una legendaria poción que garantizaba la vida eterna.”

Alquimista busca la Piedra Filosofal

“La piedra filosofal es una sustancia alquímica legendaria que se dice que es capaz de convertir los metales básicos, tales como el plomo, en oro (chrysopoeia) o plata. Ocasionalmente, también se creía ser un elixir de la vida, útil para el rejuvenecimiento y, posiblemente, para lograr la inmortalidad.”

Lejos quedan ya aquellos tiempos en el que los Alquimistas, perseguían transmutar el plomo en oro, encontrar la piedra filosofal y el elisír de la eterna juventud. Siempre hemos tenido una imaginación desbordante y, cuando no teníamos los conocimientos necesarios para explicar o conseguir aquello que queríamos y pensábamos que podíamos conseguir… ¡La Imaginación se desataba y volaba por los ilusorios campos de la Ignorancia!

Algunos piensan y se ha podido leer por ahí que:

“Un modelo propone que el origen de los elementos más pesados que el hierro no se da en las explosiones de supernova, sino en procesos en los que están involucradas las estrellas de neutrones”

Cuando se produce el “choque” de dos estrellas de neutrones, se forma el oro y el platino

Somos cenizas de estrellas. Muchos de los átomos que componen nuestros cuerpos estuvieron alguna vez en el interior de alguna estrella en donde las reacciones de fusión nucleares los sintetizaron. Una vez esos cuerpos estelares murieron los elementos que los componían fueron diseminados por el espacio. Parte de esa materia fue a parar a otros discos de acreción que formaron nuevas estrellas, planetas e incluso seres vivos.
El Big Bang sólo produjo hidrógeno, helio y pequeñas trazas de elementos ligeros, como el litio de nuestras baterías. Son los elementos primordiales. Las reacciones de fusión de las estrellas pueden sintetizar el resto de los elementos de la tabla periódica, pero no los de atómico más elevado. El elemento de corte se suele colocar en el hierro, aunque esta frontera es un tanto difusa. La razón es que las reacciones de fusión para producir esos elementos más pesados no producen energía, sino que la consumen. De hecho, la mejor manera de crear esos elementos pesados es por captura de neutrones.

El caso es que, hasta , se decía que esos elementos pesados, como el oro cuyo brillo tanto nos ciega, el uranio de nuestros reactores o el platino que cataliza tanta química moderna, procedían de las propias explosiones de supernovas. Todos hemos repetido esta popular hipótesis una y otra vez, pero no hay pruebas que la avalen. De hecho, las simulaciones de modelos de explosiones de supernova no confirman dicha síntesis.

, una nueva teoría, coloca el origen de estos elementos en las estrellas de neutrones. Una estrella de neutrones es el residuo que dejan algunas estrellas de gran masa una vez explotan en forma de supernova. Unas simulaciones numéricas realizadas por científicos del Max Planck han verificado que la materia eyectada en procesos en los que están involucrados estos cuerpos producen las colisiones nucleares violentas necesarias como para producir núcleos pesados y generar los elementos más pesados que el hierro.”

Todos sabemos por haberlo explicado aquí repetidas veces, como se forman las estrellas de neutrones que tiene una densidad de 10¹⁷ Kk/m³. ¡Una barbaridad! Pues bien, cuando dos de estas estrellas colisionan, se produce una inmensa explosión en la que se pueden crear materiales como el oro y el platino entre otros. Así ha resumido, un grupo de astrofísicos una investigación realizado para comprobar qué pasaba en este tipo de sucesos. De ello podemos deducir que se pueden formar nuevos materiales por procesos distintos al de la fusión nuclear en las estrellas. Sin embargo, la mayoría de los elementos están “fabricados en los hornos nucleares” y, gracias a ello, podemos nosotros estar aquí para contarlo.

emilio silvera

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Una investigación ha desarrollado una nueva estructura cuántica capaz de emitir fotones individuales de color rojo. El avance, que se publica en la revista Nature Materials, se basa en el confinamiento cuántico que se genera en cada uno de los puntos y que les permite modular la energía de la luz que emiten.

En este trabajo han participado investigadores de la Universidad de Zaragoza, el Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC), la Universidad de Barcelona y del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC. El investigador Jordi Arbiol de este último explica:

“El resultado final son hilos unidimensionales, de tamaño nanométrico, compatibles con la tecnología electrónica actual, que permitirían crear dispositivos a mayor escala con un control total de la emisión de luz, fotón a fotón”.

Pero centrémonos en el trabajo que aquí se presenta hoy y que comienza hablando de los…

Nanohilos

No sólo las moléculas, los Nanotubos o el grafeno son las apuestas para sustituir al silicio. Otros elementos como los Nanohilos fabricados a partir de materiales semiconductores o los Nanohilos metálicos tendrán también cierto protagonismo. En concreto, los Nanohilos semiconductores presentan un gran potencial como transistores pero también presentan aplicaciones en campos como octoelectrónica o en la fabricación de censores biológicos. Por otro lado los Nanohilos metálicos, cuya síntesis controlada es más difícil, poseen gran interés como interconectores.

                                                                           Nanohilos superconductores

En el caso de los Nanohilos formados de materiales Ni, Co o Fe se puede aprovechar también su potencial comportamiento magnetorresisitivo para ser usados en dispositivos de almacenamiento magnético. Los Nanohilos metálicos son interesantes a su vez porque los efectos de tamaño inducen en ellos la aparición de transiciones de fase martensíticas y la aparición de configuraciones no cristalinas.” Veamos que pasa con las Nanopartículas.

                                   Nanopartículas

Quizás, junto a los nanotubos de carbono, las nanopartículas representan los materiales que tienen una repercusión tecnológica más inmediata. Además de sus propiedades intrínsecas, las nanopartículas representan los materiales que tienen una repercusión tecnológica más inmediata. Además de sus propiedades intrínsecas, las nanopartículas, debido a su pequeño tamaño, pueden convertirse en diminutos dispositivos capaces de  realizar otras funciones, como transportar un medicamento específico por el torrente sanguíneo sin obstruirlo. Para lograr esto, las nanopartículas deben ser el soporte de capas de moléculas auto-ensambladas que confieren una funcionalidad adicional a las mismas.

Como su propio nombre indica, el término “nanopartícula” designa una agrupación de átomos o moléculas que dan lugar a una partícula con dimensiones nanométricas. Es decir, que su tamaño está comprendido entre 1 y 100 nm. Dependiendo de cuáles sean los átomos o moléculas que se agrupan se originarán diferentes tipos de nanopartículas. Así, por ejemplo, tendremos nanopartículas de oro, de plata o nanopartículas magnéticas si están formadas por átomos de Fe o Co. Su pequeño tamaño hace que la relación superficie/volumen crezca y por tanto que estas estructuras tengan unas propiedades características y esencialmente distintas a las que presenta el material en volumen.

Una estrategia para la formación de nanopartículas es recubrirlas con distintas capas de manera tal que cada una aporte funcionalidades diferentes al sistema. Así, por ejemplo, recientemente se han descrito nanopartículas cuyo interior está formado por un material magnético, como el Co, seguido de una capa intermedia de SiO₂ que aporta estabilidad al sistema y finalmente una superficie de oro.

El tamaño final de la nanopartícula es de 3 nm, y esta estructura laminar hace que tengan un núcleo magnético que posibilite su guiado, y una superficie de oro que facilite  el auto-ensamblado de moléculas orgánicas o biológicas para diferentes  aplicaciones. Entre éstas destaca su uso como biosensores. Para ello se inmoviliza material biológico, como ácido desoxirribonucleico (ADN) o el llamado ácido nucleico péptidico (PNA, del inglés peptide nucleic acid), que siendo un ácido nucleico artificial, presenta un “esqueleto” molecular formado por enlaces peptidicos y una estructura de bases nucleicas exactamente igual a la del ADN. El PNA puede reconocer cadenas complementarias de ADN, incluso con mayor eficiencia para la hibridación que la que representa el ADN para reconocer su hebra complementaria.

Por este motivo, el PNA se ha propuesto como sonda para la fabricación de biosensores altamente eficientes. Estas macromoléculas unidas a superficies o nanopartículas son capaces de detectar diferentes analitos de interés, particularmente otras moléculas biológicas.

Sin embargo, el concepto de nanopartícula debe concebirse en un sentido más amplio ya que no sólo puede estar basada en un núcleo inorgánico, pudiéndose sintetizar nanopartículas poliméricas. Yendo un poco más allá una cápsida vírica puede entenderse como una nanopartícula formada por una carcasa proteica. Esta cápsida vírica tiene dimensiones  nanométricas y, en muchos casos, burla con facilidad las membranas celulares. Por esta razón este tipo de “nanopartículas” se proponen para su uso en nanomedicina, y son el objeto de estudios básicos  en los que las herramientas como los microscopios de fuerzas atómicas juegan un papel esencial. En particular, estas herramientas nos permiten caracterizar las propiedades mecánicas y las condiciones de ruptura de cápsidas víricas así como la forma en la que dichas cápsidas se comportan ante, por ejemplo, cambios controlados de humedad.

Las nuevas técnicas aplicadas a la nanotecnología están implicadas en muchos ámbitos de los adelantes futuros que ahora, ni podemos imaginar.

En un discurso recientemente impartido en la Universidad Europea de Madrid, William F. Clinton, ex-Presidente de los EE.UU, afirmó que ” el cometido del siglo XXI será salvar al mundo del cambio climático, regenerar la economía y crear empleo. El futuro más allá será la Nanotecnología y la biotecnología”. El propio W.F. Clinton fue el impulsor de la Iniciativa Nacional de Nanotecnología durante su mandato, convirtiendo durante los últimos 10 años a EE.UU en el líder mundial en la generación de conocimientos básicos y aplicados en el ámbito de la Nanotecnología.

Nadie pone en duda las afirmaciones de W.F. Clinton sobre el papel de la Nanotecnología en nuestro futuro a medio y largo plazo, por lo que es imperativo estar suficientemente preparados para construir este nuevo paradigma científico. En el caso concreto de España, las dos últimas ediciones del Plan Nacional de I+D+I han encumbrado las investigaciones en Nanociencia y Nanotecnología a la categoría de Acción Estratégica. En la actualidad se están poniendo en marcha varios centros dedicados a Nanotecnología. Dichas iniciativas son producto, por lo general, de costosos impulsos puntuales, locales, dirigidos por científicos con iniciativa, pero no son fruto de una actuación de conjunto, planificada siguiendo una estrategia  quiada por unos objetivos ambiciosos, en los que impere la coordinación y el uso eficiente de los recursos. La actual coyuntura económica no invita al optimismo a este respecto, por lo que sería necesario poner en marcha iniciativas que promuevan la adquisición de infraestructuras, la formación de técnicos, la coordinación entre centros emergentes, etc.

Otro punto sobre el que no hay que descuidarse tiene que ver con la formación, en todos los niveles educativos, en Nanotecnología. En este sentido son numerosas las universidades españolas que ofrecen cursos de master y/o doctorado con contenidos relacionados con la Nanotecnología. Sin embargo, muchos de estos cursos tienen pocos estudiantes inscritos, al igual que ocurre con muchos estudios de grado relacionados con las ciencias básicas. La tarea de fascinar y atraer a nuestros jóvenes hacia la ciencia debe comenzar mucho antes. En este sentido, los conceptos inherentes a la Nanotecnología deben formar parte del conocimiento que debe llegar a los estudiantes de educación secundaria, como ocurre en países como Alemania, Finlandia, Taiwán, Japón, EE.UU., etc. Además, la Nanotecnología es una materia que causa cierta fascinación a los adolescentes por lo que puede ser un buen punto de partida para incentivar las vocaciones científicas. Esta ha sido una de las principales razones por las que los autores de este artículo junto con otros investigadores (Carlos Briones del Centro de Astrobiología y Elena Casero de la Universidad Autónoma de Madrid) accedieron a la petición de la Fundación Española de Ciencia y Tecnología (FECyT) para escribir una Unidad Didáctica de Ciencia y Tecnología. Dicho libro ya se encuentra en todos los institutos españoles de educación secundaria y bachillerato, y se puede descargar desde la web de la FECyT. Esperemos que esta pequeña contribución, junto con otras de mayor calado que deben promoverse desde las diversas administraciones públicas, permita tomar la senda que nos lleve a medio plazo hacia la tan ansiada sociedad basada en el conocimiento.

Fuente: Revista Española de Física. Volumen 23 Nº 4 de 2009

Los Autores:

D. José Ángel Martín Gago, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Concejo Superior de Investigaciones científicas, Centro de Astrobiología /CSIC/INTA), Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, y, D. Pedro A. Serena Domingo, del Instituto de Ciencia y Materiales de Madrid y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

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