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 nucleosínteis 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), también llamado ciclo Bethe-Weizsäcker a nombre de sus descubridores, es una de las 2 reacciones nucleares de fusión por las que las estrellas convierten hidrógeno en helio, siendo la otra la cadena protón-protón. El proceso CNO fue propuesto en 1938 por Hans Bethe.”

 

 

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:

                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.

“El Sol es una estrella de secuencia principal y, por lo tanto, genera su energía mediante la fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno por segundo.“

El Sol es una estrella de secuencia principal y, por lo tanto, genera su energía mediante la fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno por segundo.

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.

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.

La famosa Supernova 1987A cuya onda expansiva al expandirse hacia el espacio interestelar  creó inmensos anillos  brillantes de material caliente, que fueron captados por el Hubble en todo su esplendor. 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

Los elementos químicos en el Universo hasta el Uranio son naturales, y, más allá, están los transuranidos o transuránicos que se obtienen en el laboratorio. Son los que están más allá del Uranio, el 92 de la T.P.

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

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.”

 

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.

Las estrellas de neutrones son uno de los objetos más misteriosos en el mundo de la Astronomía y, de momento, el cuerpo celeste y objeto natural del Universo más denso cuya existencia ha sido demostrada. Sin tener en cuenta los agujeros negros, claro, pues estos tienen una densidad infinita.

“Una estrella de neutrones típica tiene una masa entre 1,35 y 2,1 masas solares, con un radio correspondiente aproximado de 12 km. En cambio, el radio del Sol es de unas 60 000 veces esa cifra. Las estrellas de neutrones tienen densidades totales de 3,7×10¹⁷ a 5,9×10¹⁷ kg/m³ (de 2,6×10¹⁴ a 4,1×10¹⁴ veces la densidad del Sol), comparable con la densidad aproximada de un núcleo atómico de 3×10¹⁷ kg/m³. La densidad de una estrella de neutrones varía desde menos de 1×10⁹ kg/m³ en la corteza, aumentando con la profundidad a más de 6×10¹⁷ u 8×10¹⁷ kg/m³ aún más adentro (más denso que un núcleo atómico). Esta densidad equivale aproximadamente a la masa de un Boeing 747 comprimido en el tamaño de un pequeño grano de arena.”

Estrellas como el Sol: Gigante roja y enana blanca

Estrellas más masivas que el Sol: El mismo proceso pero con final en estrella de neutrones.

Estrellas súper-masivas: Agujeros Negros

Todos sabemos por haberlo explicado aquí repetidas veces, como se forman las estrellas de neutrones que tiene una densidad de 10¹⁷ Kg/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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                                                               Hablemos de cuerpos, de paisajes, de la Tierra

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. Los minerales son sustancias sólidas, naturales, con una composición química específica. Las rocas son agregados naturales constituidos por uno o más minerales.

Una gran diversidad de minerales

Las propiedades características de los minerales ayudan a identificarlos:

• Forma: pirita, cristales.

• Color: azufre, malaquita, galega.

• Brillo: metálico, vítreo, sedoso, mate.

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 y, ¿por qué no? también podríamos formar parte de una estrella, cuando dentro de miles de millones de años (el tiempo en el universo es largo), las transiciones futuras, nos pongan allí, para que contribuyamos a dar luz a otro planeta en el que, criaturas como nosotros, se hagan las mismas preguntas que ahora nosotros nos planteamos.

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 metalicidad está presente por todo el universo y, sobre todo en las estrellas y las Nebulosas.

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.

                            Lingote de plata

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?

                 El mayor objeto del Grupo Local de Galaxias se llama Andrómeda y, está de camino para visitarnos

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.

 

“El interior de la Tierra se caracteriza por un aumento gradual de la temperatura, la presión y la densidad con la profundidad. Los cálculos sitúan la temperatura a una profundidad de 100 km entre 1200ºC y 1400ºC, mientras que la temperatura en el centro de la Tierra puede superar los 6700ºC. El aumento de la presión con la profundidad provoca el correspondiente incremento de la densidad de las rocas.”

 

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 es superior en velocidad a la luz, resulta que nada podrá escapar de un agujero negro.

Desde el comienzo de este trabajo estoy tratando de relacionar el universo, la materia y la consciencia, claro que, conseguirlo es otra cosa.

emilio silvera

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Hemos conseguido grandes logros y enormes conocimientos, cualquiera de ellos es suficiente para causar nuestro asombro. Por ejemplo, matemáticamente, la fuerza eléctrica fue descubierta en el año 1.785 por el ingeniero en estructuras Charles Coulomb. Ahora bien, con relación a las grandes distancias, la fuerza eléctrica y magnética actúa igual a como lo hace la gravedad: al duplicar la distancia, su magnitud disminuye a la cuarta parte.

Claro que la gravedad depende de la masa y la electricidad de la carga y, mientras que la primera sólo es atractiva, la segunda puede ser atractiva cuando los objetos tienen carga diferentes (protón positiva y electrón negativa) o repulsivos cuando las cargas son iguales (protón rechaza a protón y electrón rechaza a electrón); se puede probar jugando con dos imanes que se juntarán por sus polos negativos-positivo y se rechazarán por sus polos positivo-positivo y negativo-negativo. Más tarde llegó Michael Faraday con sus experimentos eléctricos y magnéticos y, finalmente, James Clerk Maxwell formuló con sus ocho ecuaciones vectoriales la teoría del electromagnetismo.

Las que siguen son algunas de las imágenes generadas para mostrar efectos de la Relatividad Especial (velocidades constantes), desde el punto de vista del viajero.

1- Toma en reposo, que apunta en la dirección del movimiento:

2- El mismo punto de vista, pero viajando al 80% de la velocidad de la luz: la visión se ha ampliado en forma similar a como deforma la imagen un lente “ojo de pez”, objetos que antes estaban detrás del ángulo de visión aparecen por delante.

Al acercarnos a la velocidad de la luz, el mundo toma desde nuestro punto de vista, un aspecto muy raro: todo acaba comprimido en una pequeña ventana circular que está constantemente delante de nosotros. Desde el punto de vista de un observador estacionario (quieto), la luz que nosotros reflejamos se enrojece cuando partimos y se azulea cuando volvemos hacia él.

Si nos desplazáramos hacia ese observador a una velocidad cercana a la de la luz, nos vería envueltos en un fantástico resplandor cromático: nuestra emisión infrarroja, normalmente invisible, se desplazará hacia longitudes de onda más visibles, más cortas. Nos vería comprimidos en la dirección de nuestra trayectoria, nuestra masa aumentará, y el tiempo, la sensación de transcurrir del tiempo que le daríamos, sería de gran lentitud, lo que constituye… la dilatación temporal.

Científicos del National Institute of Standards and Technology (NIST) en Estados Unidos probaron que la dilatación del tiempo –un fenómeno predicho por las teorías de relatividad de Einstein, en las que el tiempo corre más rápido o más lento dependiendo de la velocidad y gravedad del objeto– sucede en el día a día de una persona. El efecto de la dilatación del tiempo es uno de los más famosos en las teorías de Einstein. En la televisión, el ejemplo clásico es el de un grupo de astronautas que es lanzado al espacio casi a la velocidad de la luz, y luego cuando regresan a la Tierra siguen jóvenes, aún cuando en nuestro planeta han pasado muchos años (como en el Planeta de los Simios por ejemplo).

                                                   El Tiempo pasa más lento cerca de un agujero negro

El efecto fue planteado por Albert Einstein pero no se probó hasta muchos años después. Una de las demostraciones más famosas ocurrió en 1971, cuando científicos pusieron relojes atómicos en jets comerciales y los hicieron volar alrededor del mundo. Cuando el avión aterrizó, la hora en el reloj del avión y el reloj que estaba en Tierra era distinta. Esto probó que la dilatación del tiempo de veras ocurre. Lo interesante ahora, es que esta dilatación se puede medir en distancias muy pequeñas, con relojes mucho más precisos, en tareas cotidianas.

Lorentz nos descubrió que un objeto que viaje a velocidades cercanas a la de la luz, c, se achatará por la parte delantera del sentido de su marcha (contracción de Lorentz) y, mientras tanto, su masa aumentará (lo que ha sido comprobado en los aceleradores de partículas).

Max Planck nos trajo su cuanto de acción, h, que dio lugar a la mecánica cuántica al descubrir que la energía se transmite en forma discontinua mediante paquetes discretos a los que llamó cuantos. También fue obra de Planck perfeccionar las unidades de Stoney y nos dejó esas cantidades naturales de tiempo, espacio, energía y masa.

Es difícil estimar el alivio que la idea de Schrödinger produjo en la comunidad de la física tradicional. Aunque extraña, su imagen del átomo era, al menos, una imagen y los científicos aman las imágenes. Ellos le permitieron el uso de su intuición.

Tomando la idea de De Broglie acerca de la misteriosa onda piloto que transportaba los electrones alrededor del átomo y la llevó un paso más allá. Sostuvo que el electrón en realidad era una onda de energía que vibraba tan rápido que parecía una nube alrededor del átomo. Una onda de pura energía con forma de nube. Lo que es más, elaboró una nueva y poderosa ecuación que describía completamente esa onda y el conjunto del átomo en términos de la física tradicional.

Esta ecuación se llama, hoy en día, la Ecuación de onda de Schrödinger. Es increíblemente poderosa. Y su característica principal es que muestra una nueva cantidad llamada la función de onda (Ψ) que según Schrödinger describe completamente el comportamiento del mundo subatómico.

El éxito de la ecuación, deducida de esta expresión utilizando el principio de correspondencia, fue inmediato por la evaluación de los niveles cuantificados de energía del electrón en el átomo de hidrógeno, pues ello permitía explicar el espectro de emisión del hidrógeno: series de Lyman, Balmer, Bracket, Paschen, Pfund…, y otros.

La interpretación física correcta de la función de onda de Schrödinger fue dada en 1926 por Max Born. En razón del carácter probabilista que se introducía, la mecánica ondulatoria de Schrödinger suscitó inicialmente la desconfianza de algunos físicos de renombre como Albert Einstein,  para quien «Dios no juega a los dados» y del propio Schrödinger.

Schrödinger, con su función de onda (Ψ), nos dijo la manera de solucionar, en parte, el problema planteado por Heisenberg con su principio de incertidumbre, según el cual no podemos saber, al mismo tiempo, dónde está una partícula y hacia dónde se dirige; sólo estamos capacitados para saber una de las dos cosas, pero no las dos al mismo tiempo. Así que la función de onda nos dice la probabilidad que tenemos para encontrar esa partícula y en qué lugar se encuentra.

La llegada de Einstein, en 1.905, fue para la física como el elefante que entró en la cacharrería; lo puso todo patas arriba. Los cimientos de la física temblaron con aquellos nuevos y osados conceptos que, en un primer momento, no todos pudieron comprender. Precisamente, Max Planck fue uno de esos pocos privilegiados que, al leer el artículo de Einstein sobre la relatividad especial, comprendió que a partir de ese momento habría que concebir la física bajo la base de otros principios.

Einstein, un desconocido, le decía al mundo científico que la velocidad de la luz en el vació, c, era el límite de la velocidad alcanzable en nuestro universo; nada podía ir más rápido que la luz. Además, decía que el tiempo es relativo y que no transcurre igual para todos. La velocidad del paso del tiempo depende de la velocidad a la que se viaje y de quien sea el observador.

El jefe de estación observa como para el tren que viaja a 60 km/h. Puede ver como un niño que viaja con su padre, sentado junto a él, se asoma por la ventanilla y arroja una pelota, en el mismo sentido de la marcha del tren, impulsándola con una fuerza de 20 km/h. Si el que mide la velocidad de la pelota es el jefe de estación, comprobará que ésta va a 80 km/h, los 60 km a los que viaja el tren, más los 20 km a los que el niño lanzó la pelota; ambas velocidades se han sumado. Sin embargo, si la velocidad de la pelota es medida por el padre del niño que también va viajando en el tren, la velocidad será de 20 km/h, sólo la velocidad de la pelota; no se suma la velocidad del tren, ya que quien mide está montado en él y por lo tanto esta velocidad no cuenta. La velocidad de la pelota será distinta dependiendo de quien la mida, si el observador está en reposo o en movimiento.

De la misma manera, Einstein, en su teoría, nos demostraba que el tiempo transcurre más lentamente si viajamos a velocidades cercanas a las de la luz. Tal afirmación dio lugar a la conocida como paradoja de los gemelos. Resulta que dos hermanos gemelos de 28 años de edad se han preparado, uno para arquitecto y el otro para astronauta. El hermano astronauta se dispone a realizar un viaje de inspección hasta Alfa Centauri y su hermano se queda en la Tierra esperando su regreso.

Cuando por fin el astronauta, que a viajado a 250.000 km/s, regresa a la Tierra, desembarca con una edad de 38 años y es recibido por su hermano gemelo que se quedó en la Tierra y que tiene la edad de 80 años. ¿Cómo es posible eso?

Pues ha sido posible porque el hermano que viajó a velocidades cercanas a la de la luz ralentizó el tiempo que transcurrió más lentamente para él que para su hermano de la Tierra. El astronauta viajó hasta Alfa Centauro a 4’3 años luz de la Tierra, ida y vuelta 8’6 años luz. Pero al viajar tan rápido, muy cerca de la velocidad de la luz, transcurrieron sólo 10 años, mientras que en la Tierra pasaron 52 años.

Aunque parezca increíble, esa es la realidad comprobada.

También Einstein postulaba en su teoría que la masa y la energía eran dos aspectos de una misma cosa; la masa sólo era energía congelada. Para ello formulaba su famosa ecuación E = mc².

Todo el Universo es energía

La estructura interna del átomo

En otro artículo, inspirado por el “cuanto” de Planck, Einstein dejó plasmado lo que desde entonces se conoce como “efecto fotoeléctrico”, demostrando que las partículas unas veces se comportan como tales y otras como una onda. Este trabajo le valió el premio Nobel de Física de 1.923, aunque la mayoría de la gente cree que se lo dieron por su teoría de la relatividad. En verdad, si se considera la importancia de sus trabajos, la Relatividad Especial se merecía un premio Nobel y la Relatividad General de 1.915, se merecía otro.

No fue hasta 1905, cuando Albert Einstein, utilizando la idea de Planck de la cuantización de la energía explicó satisfactoriamente el efecto fotoeléctrico. Por este trabajo Einstein recibió el premio Nobel en 1921.

Mientras que Planck utilizó la cuantización de la energía como un truco de cálculo para explicar la radiación del cuerpo negro, Einstein fue más allá e hizo la sugerencia de que la cuantización de la energía es una propiedad fundamental de la energía electromagnética, marcando así los principios de la teoría cuántica.

Einstein supuso que la luz, o cualquier onda electromagnética de frecuencia f, se puede considerar como una corriente de fotones, cada uno de ellos con una energía E. Contradiciendo la física clásica que dice que la energía de la luz está distribuida de modo uniforme sobre el frente de onda, Einstein postula que la energía lumínica se encuentra concentrada en regiones discretas o en paquetes llamados cuantos de luz. De acuerdo con esta explicación, la energía de un haz de luz monocromática llega en porciones de magnitud hf, donde f es la frecuencia de la luz, y h, la constante de Planck.

De todos sus trabajos, el más completo e importante, es el de la relatividad general, de cuya importancia para la física y para la cosmología, aún hoy, cerca de un siglo después, se están recogiendo resultados. Así de profunda, importante y compleja (dentro de su sencillez y belleza) son las ecuaciones de Einstein que un siglo después continua enviando mensajes nuevos de cuestiones de vital importancia. La teoría M también tiene su origen en la relatividad general que curva el espacio y distorsiona el tiempo en presencia de grandes masas, haciendo posible la existencia de agujeros negros y agujeros de gusano que según algunos, serán la posible puerta para viajar a otros universos y a otro tiempo.

Es necesario que los científicos piensen en estas cosas para solucionar los problemas del futuro y cuándo llegue el momento, salir de las encrucijadas a las que, irremediablemente, estamos destinados.

La gente corriente no piensa en estas cuestiones; su preocupación es más cercana y cotidiana, la hipoteca del piso o los estudios de los niños y, en la mayoría de los casos, lo “importante es el fútbol” para evadirse dicen algunos. Es una lástima, pero así son las cosas. No se paran ni a pensar cómo se forma una estrella, de qué está hecha y por qué brilla. Nuestro Sol, por ejemplo, es una estrella mediana, amarilla, del Grupo G-2, ordinaria, que básicamente consume hidrógeno y como en el Big Bang original, lo fusiona en helio. Sin embargo, puesto que los protones en el hidrógeno pesan más que en el helio, existe un exceso de masa que se transforma en energía mediante la fórmula de Einstein E = mc². Esta energía es la que mantiene unidos los núcleos. Esta es también la energía liberada cuando el hidrógeno se fusiona para crear helio. Esta, al fin, es la razón de que brille el Sol.

Todos somos uno, y, sin embargo, diferentes. No sabemos mediante qué mecanismos llegan a nuestros cerebros esas ráfagas luminosas del saber que, a unos les hace comprender ciertas cuestiones complejas y, a otros no nos llegan esos fogonazos de luz que alumbren los rincones oscuros existentes en nuestras mentes. Así, para unos es el futbol y para otros las estrellas su mayor preocupación.

Ya hemos comentado alguna vez que los elementos complejos se forman en las estrellas que, desde el hidrógeno, helio, litio, berilio, carbono, neón, etc, hasta el uranio, sin las estrellas no existirían… y nosotros tampoco, ya que nuestra forma de vida está basada en el carbono, un material que tiene su origen en las estrellas y que, al ser de una asombroso adaptabilidad, hace posible la formación del material necesario para la vida.

Aunque, ¿Quién sabe las formas de vida que en el Universo pueden estar presentes? Algunos pudieran ser gigantes de gas, criaturas inteligentes que evolucionan en atmósferas inhóspitas para la vida basada en el carbono, tal vez seres burbuja de gas en Júpiter, cerca de etéreas formas que ni podemos imaginar.

Otros podrían ser viajeros que circulan por el universo cruzando agujeros de gusano, atajos dimensionales para abarcar el cosmos y sembrar su conciencia en diversos sitios de este gran ser holográfico que creemos conocer y, del que, en realidad, sabemos tan poco.

¿Podría ser esa inmensa forma redonda y azulada, un enorme mundo en el que otros seres observan como se acercan osados seres de un planeta llamado Tierra que, con sus rústicas naves y su inmensa ignorancia pretenden conquistar su habitad para envenenarlo como hicieron con el suyo?

Claro que, el Universo es tan enorme e insólito que, todo en lo que podamos pensar, por muy exótico y raro que nos pueda parecer, ahí podría estar, en cualquier rincón olvidado de una lejana galaxia de las que, en el Universo, proliferan por cientos de miles de millones.

No, no estamos en la Tierra ni tampoco ese que brilla es el Sol. Estamos en un mundo lejano alumbrado por una estrella blanca, no amarilla que, con su luz y su calor, puede que llevara la vida al planeta pero, ¿Qué forma de vida será?

Imaginar que, contando desde hoy, han pasado ya 10.000 años, y, en Marte, se ha formado una atmósfera que impide la entrada de la radiación. Del subsuelo, han comenzado a salir extraños seres que, antes, vivían en las oscuras galerías subterráneas de origen volcánico por donde antes pasó las riadas de lava volcánica en el pasado del planeta. Ahora, a la luz del día y con una atmósfera razonablemente idónea para la vida… ¡Podrán evolucionar!

           También estos estaban escondidos en las profundidades marcianas donde el agua corriente lo permitía

En cualquier noticia del futuro podríamos ver esta imagen y debajo de ella: ¡Vida en Europa! Imágenes tomadas por sondas robóticas han captado imágenes de estos seres que, viven en los fondos abisales de la luna de Júpiter. Es asombroso el parecido que tiene con algunos seres que viven en el fondo de nuestros océanos terrestres.

               En nuestro planeta, la vida está hecha de seis componentes: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxigeno, fósforo y azufre… Con pequeñas trazas de otros elementos. Es decir, estamos hecho del material estelar.

Cuestiones tan interesantes como estas son ignoradas por la inmensa mayoría del común de los mortales que, en la mayor parte de los casos tiene una información errónea y deformada de las cosas que se han transmitido de unos a otros de oída, sin base científica alguna y, generalmente, confundiendo los términos y los conceptos. Sería muy deseable que, desde la infancia, como enseñanza obligatoria, todos tuvieran esos conocimientos básicos que podríamos denominar el cánon científico y que, sin ser unos conocimientos profundos, si les diera a cada uno, una noción cercana del mundo en el que viven y de cómo funciona la Naturaleza.

Así las cosas, estamos supeditados a unos pocos enamorados de la ciencia que, muchas veces, en las más ínfimas condiciones, (se les escatima el presupuesto) trabajan e investigan por la propia inercia de su curiosidad y deseo de saber para entregar al mundo (que no lo agradece) el logro de sus desvelos.

Como dijo Kart Raimund Popper, filósofo británico de origen austriaco (Viena, 1902 – Croydon, 1.994) que realizó sumas importantes trabajos en el ámbito de la metodología de la ciencia: “cuanto más profundizo en el saber de las cosas, más consciente soy de lo poco que sé. Mis conocimientos son finitos pero, mi ignorancia, es infinita“.

                       Material para combatir esa infinita ignorancia, alguno tenemos. ¿Por qué no utilizarlo?

Está claro que la mayoría de las veces, no hacemos la pregunta adecuada porque nos falta conocimiento para realizarla. Así, cuando se hacen nuevos descubrimientos nos dan la posibilidad de hacer nuevas preguntas, ya que en la ciencia, generalmente, cuando se abre una puerta nos lleva a una gran sala en la que encontramos otras puertas cerradas y tenemos la obligación de buscar las llaves que nos permitan abrirlas para continuar. Esas puertas cerradas esconden las cosas que no sabemos y las llaves son retazos de conocimiento que nos permiten entrar en esos nuevos compartimentos del saber.

                                    Creer que estamos solos… Es un enorme error.

Desde tiempos inmemoriales, la Humanidad para avanzar se sirvió de las llaves encontradas por Tales de Mileto, Empédocles, Demócrito, Platón, Pitágoras, Aristóteles… Galileo, Newton… Stoney, Max Planck, Einstein, Heisemberg, Dirac, Feynman,… Witten… y vendrán otros que, con su ingenio y sabiduría, impedirán que todos los demás regresen a las cavernas. Así que ¡a disfrutar de la TV, el fax, los ordenadores, internet, los satélites, los teléfonos móviles tan necesarios. No sabemos cómo funciona todo eso pero ¿Qué más da?

Siempre habrá gente que se preocupe por los demás y harán el trabajo necesario para sacarles las castañas del fuego. Esa gente a la que me refiero, son los “chiflados” científicos, siempre en las nubes todos ellos, y no como los políticos “tan pendiente siempre de solucionar nuestros problemas”. Por desgracia, los primeros dependen de los segundos para que les otorguen presupuestos para investigar. ¡Qué mal está repartido el mundo!

Metido en su rincón ni se acuerda de comer

Ahora que menciono el viaje en el tiempo recuerdo “La máquina del tiempo” de H. G. Wells, en la que el científico se sienta en un sillón situado en su sala de estar, gira unos pocos botones, ve luces parpadeantes y es testigo del vasto panorama de la Historia; coloca la aguja para el pasado o para el futuro, señala el año que desea visitar y las guerras y civilizaciones pasan vertiginosamente ante sus ojos y la máquina se detiene en el año, mes y día que él señaló en una especie de dial.

La verdad es que no era, precisamente, un agujero de gusano

La verdad es que no era, precisamente, un agujero de gusano

Tan rudimentario artilugio contrasta con el que propone Kip S. Thorne. Éste consiste en dos cabinas, cada una de las cuales contiene dos placas de metal paralelas. Los intensos campos eléctricos creados entre cada par de placas (mayores que cualquier cosa posible con la tecnología actual) rizan el tejido del espacio-tiempo, creando un agujero en el espacio que une las dos cabinas. Una cabina se coloca entonces en una nave espacial y es acelerada hasta velocidades cercanas a la de la luz, mientras que la otra cabina permanece en la Tierra. Puesto que un agujero de gusano puede conectar dos regiones del espacio con tiempos diferentes, un reloj en la primera cabina marcha más despacio que un reloj en la segunda cabina. Debido a que el tiempo transcurrirá diferente en los dos extremos del agujero de gusano, cualquiera que entrase en un extremo del agujero de gusano sería instantáneamente lanzado el pasado o al futuro.

                    Las ecuaciones de Einstein nos hablan de la existencia de los agujeros de gusano

Otra máquina del tiempo podría tener el siguiente aspecto. Si puede encontrarse materia exótica y dársele la forma de metal, entonces la forma ideal sería probablemente un cilindro. Un ser humano está situado en el centro del cilindro. La materia exótica distorsiona entonces el espacio y el tiempo a su alrededor, creando un agujero de gusano que se conecta a una parte lejana del universo en un tiempo diferente. En el centro del vértice está el ser humano, que no experimenta más que 1 g de tensión gravitatoria cuando es absorbido en el agujero de gusano y se encuentra así mismo en el otro extremo del universo.

Stargate

Aparentemente, el razonamiento matemático de Thorne es totalmente impecable. Las ecuaciones de Einstein muestran en realidad que las soluciones de agujeros de gusano permiten que el tiempo transcurra a diferentes velocidades en cada extremo del agujero de gusano, de modo que el viaje en el tiempo es posible en principio. El problema reside en crear el agujero de gusano en primer lugar, y como Thorne y sus colaboradores señalan rápidamente, lo difícil está en cómo dominar la energía suficiente para crear y mantener un agujero de gusano, como se ha dicho, con materia exótica que, de momento, no parece fácil de conseguir.

              El Hiperespacio podría ser otra manera de burlar a la velocidad de la luz en el vacío

Normalmente, una de las ideas básicas de la física elemental es que todos los objetos tienen energía positiva. Las moléculas vibrantes, los automóviles en movimiento, los pájaros que vuelan y los misiles propulsados tienen todos energías positivas. (Por definición, el espacio vacío tiene energía nula.) Sin embargo, si podemos producir objetos con “energías negativas” (es decir, algo que tiene un contenido de energía menor que el del vacío), entonces podríamos ser capaces de generar configuraciones exóticas de espacio y tiempo en las que el tiempo se curve en un círculo.

Este concepto más bien simple se conoce con un título que suena complicado: la condición de energía media débil (AWEC). Como Thorne tiene cuidado de señalar, la AWEC debe ser violada; la energía debe hacerse temporalmente negativa para que el viaje en el tiempo tenga éxito. Sin embargo, la energía negativa ha sido históricamente anatema para los relativistas, que advierten que la energía negativa haría posible la antigravedad y un montón de otros fenómenos que nunca se han visto experimentalmente, y que desde luego, nos vendrían como anillo al dedo para solucionar serios problemas.

Kip S. Thorne señala al momento que existe una forma de obtener energía negativa, y esto es a través de la teoría cuántica. En 1.948, el físico holandés Herrik Casimir demostró que la teoría cuántica puede crear energía negativa: tomemos simplemente dos placas de metal paralelas y descargadas. Ordinariamente, el sentido común nos dice que estas dos palcas, puesto que son eléctricamente neutras, no ejercen ninguna fuerza entre sí. Pero Casimir demostró que, debido al principio de incertidumbre de Heisemberg, en el vacío que separa estas dos placas hay realmente una agitada actividad, con billones de partículas y antipartículas apareciendo y desapareciendo constantemente a partir de la nada en ese espacio “vacío”, partículas virtuales que mediante el efecto túnel vienen y van fugaces, tan fugaces que son en su mayoría inobservables, y no violan ninguna de las leyes de la física. Estas “partículas virtuales” crean una fuerza neta atractiva entre las dos placas de Casimir que predijo que era medible.

Cuando Casimir publicó su artículo, se encontró con un fuerte escepticismo. Después de todo, ¿cómo pueden atraerse dos objetos eléctricamente neutros, violando así las leyes normales de la electricidad clásica? Esto era inaudito. Sin embargo, 10 años después, en 1.958, el físico M. J. Sparnaay observó este efecto en el laboratorio, exactamente como predijo Casimir. Desde entonces, ha sido bautizado como el “efecto Casimir”.

Por el momento, aun no hay veredicto sobre la máquina del tiempo de Thorne. Todos están de acuerdo en que el factor decisivo es tener una teoría de la gravedad completamente cuantizada para zanjar la cuestión de una vez por todas. Por ejemplo, Stephen Hawking ha señalado que la radiación emitida en la entrada del agujero de gusano sería muy grande y contribuiría a su vez al contenido de materia y energía de las ecuaciones de Einstein. Esta realimentación en las ecuaciones de Einstein distorsionaría la entrada del agujero de gusano, quizá incluso cerrándolo para siempre. Thorne, sin embargo, discrepa en que la radiación sea suficiente para cerrar la entrada.

Los dos físicos, Hawking y Thorne, muy amigos, tienen una apuesta sobre el tema. ¿Quién la ganará? Puede suceder que la respuesta llegue cuando ninguno de los dos exista. Thorne, a petición de su amigo Carl Sagan, le asesoró en la novela “Contact” que en el cine interpretó Jodie Foster, y en la que una experta astrónoma buscaba contactar con inteligencia extraterrestre y lo consigue, recibiendo los planos para la construcción de una maquina del tiempo mediante el agujero de gusano de Thorne. La película está conseguida y el objetivo perseguido también; un mensaje de lo que, en un futuro (aún lejano) podría ser posible.

Claro que, para ello, antes habrá que conseguir unificar la Relatividad General de Einstein (la gravitación universal), con la Mecánica Cuántica de Planck (el microcosmos, el átomo), lo que de nuevo nos lleva al punto de partida.

emilio silvera

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