En otras ocasiones hemos presentado aquí trabajos que, entre los temas que fueron tratados, entraba el Universo estacionario y también la posibilidad de un final con la presencia del Big Crunch, lo cual, según todos los datos de la cosmología moderna, no será posible dado que, el Universo euclidiano y la Densidad Crítica que se observa no sería suficiente para producir tal final. Por el contrario, la dinámica observada de expansión es cada vez más acelerada y, aunque algunos hablan de la “materia oscura”, en realidad no sabemos a qué se puede deber tal expansión pero, lo cierto es que no habrá colapso final y sí, en cambio, una expansión ilimitada que nos llevará hacia un “enfriamiento térmico” que llegará a alcanzar un máximo de entropía dS = dQ/T, así habrá una gran parte de la energía del Universo que no podrá producir trabajo. Sin embargo, es curioso que siendo eso lo que se deduce de los datos que tenemos, cuando miramos lo que predicen las nuevas teorías basadas en las cuerdas y la mecánica cuántica nos indica que tal escenario es poco creíble.

Todo parece indicar que nada podrá impedir que en las galaxias se sigan produciendo explosiones supernovas que formaran hermosas Nebulosas de las que nacerán nuevas estrellas, toda vez que las galaxias, quedarán aisladas y detendrán su espansiòn y tal hecho, no parece que pueda incidir en la mecánica galáctica de formación de nuevas estrellas. Así, las estrellas más masivas devolverán parte de la materia que las conforman al medio interestelar y la gravedad y la radiación se encargarán de que nuevos ciclos se sigan produciendo. Y, las estrellas menos masivas, como nuestro Sol y otras seguirán sus vidas durante miles de millones de años y, si tiene planetas en su entorno, ¿Quién sabe si estando en la zona habitable no podrá hacer surgir alguna clase de vida? Claro que, el proceso de la dinámica del universo es llegar al frío absoluta de los -273 ºC y, en ese momento, las masas de las estrellas quedarían bloqueadas, los átomos presentes en las Nebulosas perderían su dinámica y nada, en nuestro Universo, tendría movimiento ni energía para crear trabajo, la Entropía sería la dueña y señora de todo y una última estrella habría nacido para quedar colapsada sin poder cumplir su misión de transmutar elementos.

Pero no pocas de todas estas conclusiones son conjeturas que se hacen conforme a los datos observados que llevan a esas consecuencias. En otros panoramas se podría contemplar como en el futuro, las estrellas escaparían lentamente de las galaxias y según algunos cálculos el 90% de la masa estelar de una galaxia habría huido al espacio en unos 10^19 años. El 10% restante habría sido engullido por agujeros negrossupermasivos centrales. El mismo mecanismo haría que los planetas escaparan de su soles y vagaran por el espacio como planetas errantes hasta perderse en el espacio profundo y, los que no lo hagan caeran hacia el centro de sus soles en unos  0^20 años.

Un último estudio ha indicado que el Universo es curvo, no plano como se creía y tal resultado, aunque tendrá que ser verificado, es importante para saber el final que realmente espera a nuestro Universo en ese futuro muy lejano en el que, no sabemos siquiera si nuestra especie andará aún por aquí.

Esa imagen de arriba no sería repetida y las galaxias, los cúmulos se disgregarían debido a interacciones gravitatorias en unos 10^23 años y, en un momento determinado el universo estaría formado por enanas negras, estrellas de neutrones y agujeros negros junto con planetas y pequeñas cantidades de gas y polvo, todo ello, sumergido en una radiación de fondo a 10^-13K. Hay modelos que predicen que los agujeros negros terminarán evaporándose mediante la emisión de la radiación de  Hawking. Una vez evaporado el agujero negro, los demás objetos se convertirían en Hierro en unos 10^1500 años pero también, pasado mucho tiempo, se evaporaran y a partir de este momento el universo se compone de partículas aisladas (fotones, electrones, neutrinos, protones). La densidad tenderá a cero y las partículas no podrán interactuar. Entonces, como no se puede llegar al cero absoluto, el universo sufrirá fluctuaciones cuánticas y podría generar otro universo. ¿Qué locura!

Claro que toda esa teoría podría modificarse si  la “energía oscura” -si finalmente existe- resultara ser negativa, con lo cual el fin se produciría antes. Tampoco se ha contado con la posible inestabilidad del protón. Todo esto está descrito según la física que hoy día se conoce, lo cual nos puede llevar a conclusiones erróneas. Como vereis, tenemos respuestas para todo y, aunque ninguna de ellas pueda coincidir con la realidad, lo cierto es que, el panorama de la cosmología está lleno de historias que, algunas podrán gustar más que otras pero todas, eso sí, están cargadas de una imaginación desbordante.

Claro que, como decía el pensador: “… con el paso de los eones, hasta la muerte tendrá que morir”

Como mi intelecto es más sencillo y no alcanza a ver en esas profundas lejanías, me quedo con lo más tangible y cercano como lo es el hecho cierto de que el Universo tiene que tener miles de millones de años para que haya podido tener tiempo suficiente para que los ladrillos de la vida sean manufacturados en las estrellas.

Las leyes de la gravitación nos dice que la edad del universo está directamente ligada a otras propiedades que manifiesta, como su densidad, su temperatura y el brillo del cielo. Puesto que el Universo debe expandirse durante miles de millones de años, debe tener una extensión visible de miles de millones de años-luz. Puesto que su temperatura y densidad disminuyen a medida que se expande, necesariamente se hace más frío y disperso. Ahora sabemos que la densidad del Universo es hoy día de poco más de 1 átomo por m³ de espacio.

Traducida en una medida de las distancias medias entre estrellas o galaxias, esta densidad tan baja muestra porque no es tan sorprendente que otros sistemas estelares estén tan alejados y sea difícil el contacto con extraterrestres. Si existen en el Universo otras formas de vida avanzada (como creo), entonces, al igual que los seres de la Tierra habrán evolucionado sin ser perturbadas por los seres de otros mundos hasta que puedan llegar a lograr una fase tecnológica avanzada.

Además, la muy baja temperatura de la radiación hace algo más que asegurar que  el espacio sea un lugar frío: también garantiza la oscuridad del cielo nocturno. Durante siglos los científicos se han preguntado por esta sorprendente característica del Universo. Si ahí fuera en el espacio hubiera un número enorme de estrellas, entonces cabría pensar que mirar hacia arriba al cielo nocturno sería un poco como mirar un bosque denso.

                                               Millones de estrellas en un sólo cúmulo globular

Cada linea de visión debería terminar en una estrella. Sus superficies brillantes cubrirían cada parte del cielo haciéndolo parecido a la superficie del Sol. Lo que nos salva de ese cielo brillante es la expansión del Universo y la lejanía a la que se encuentran las estrellas entre sí. Para encontrar las condiciones necesarias que soporte la complejidad viviente hicieron falta diez mil millones de años de expansión y enfriamiento.

La Densidad de materia ha caído hasta un valor tan bajo que aun sim toda la materia se transformase repentinamente en energía radiante no advertiríamos ningún resplandor importante en el cielo nocturno. La radiación es demasiado pequeña y el espacio a llenar demasiado grande para que el cielo parezca brillante otra vez. Hubo un tiempo cuando el Universo era mucho más jovencito, menos de cien mil años, en que todo el cielo era brillante, tan brillante que ni estrellas ni átomos ni moléculas podían existir, la podría radiación los destruía. Y, en ese tiempo, no podrían haber existido observadores para ser testigo de ello.

Con algunas estrellas por aquí y por allá, alguna que otra Nebulosa (incluso algunas brujas), el Universo es oscuro y frío.

Pero estas consideraciones tienen otros resultados de una Naturaleza mucho más filosófica. El gran tamaño y la absoluta oscuridad del Universo parecen ser profundamente inhóspitos para la vida. La apariencia del cielo nocturno es responsable de muchos anhelos religiosos y estéticos surgidos de nuestra aparente pequeñez e insignificancia frente a la grandeza e inmutabilidad (aparente) de las estrellas lejanas. Muchas Civilizaciones rindieron culto a las estrellas o creyeron que gobernaban su futuro, mientras otras, como la nuestra, a menudo anhelan visitarlas.

Mucho se ha escrito sobre el efecto emocional que produce la contemplación de la insignificancia de la Tierra ante esa inmensidad del cielo salpicado de estrellas, inmersa en una Galaxia que tiene más de cien mil millones y que ahora sabemos, que también tiene, miles de millones de mundos. En efecto, la idea de ese conocimiento es impresionante y puede llegar (en algunos casos) a ser intensamente desagradable y producir sensación de ahogo y hasta miedo. Nuestra imaginación matemática se ve atormentada ante esa inconmensurable grandeza que, nuestras mentes, no llegan a poder asimilar. Y, la sorpresa llegó cuando pudimos descubrir que dentro de nuestro Universo, existía otro a escala infinitesimal que planteaba preguntas que no sabíamos responder.

“Pues bien, tratando de responder a estas preguntas es como nace The Scale of The Universe 2, una visualización interactiva creada por  Cary y Michael Huang; la visualización es sorprendente porque nos permite ir a escalas mínimas y llegar hasta el tamaño aproximado del Universo, comparando cosas que están, de muchas maneras, más allá de nuestra imaginación (sigo pensando que es difícil imaginarse el tamaño real de un átomo, o el de una galaxia).”

Claro que, en eso de lo grande y lo pequeño…, todo puede ser muy subjetivo y, no pocas veces dependerá de la perspectiva con que lo podamos mirar. Podríamos considerar la Tierra como enorme, al mirarla bajo el punto de vista que es el mundo que nos acoge, en el que existen inmensos océanos y grandes montañas y volcanes y llanuras y bosques y ríos y, una inmensa lista de seres vivos. Sin embargo, se nos aparecerá en nuestras mentes como un minúsculo grano de arena y agua si la comparamos a la inmensidad del Universo. Igualmente, podemos ver un átomo como algo grande en el sentido de que, al juntarse con otros, pueden llegar a formar moléculas que juntas, son capaces de formar mundos y galaxias.

       No podemos valorar lo grande y lo pequeño sin saber la importancia de cada objeto valorado

Si comparamos una galaxia con un átomo, éste nos parecerá algo ínfimo. Si comparamos esa misma galaxia con el Universo, lo que antes era muy grande ahora resulta ser también muy poca cosa. Si el mundo que nos acoge, en el que la Humanidad ha escrito toda su historia y costado milenios conocer, dado su “inmensidad” para nosotros, lo comparamos con la Nebulosa Orión, nos parecerá ridículo en tamaño y proporción y, sin embargo, cuán importante es para nosotros. Todo puede ser grande o pequeño dependiendo de la perspectiva con que lo miremos y según con qué lo podamos comparar.

Nada es objetivamente grande; las cosas son grandes sólo cuando consiguen tocar la sensibilidad del observador que las contempla, encontrar los caminos hacia su corazón y su cerebro. La idea de que el Universo es una multitud de esferas minúsculas circulando como motas de polvo en un vacío oscuro e ilimitado, podría dejarnos fríos e indiferentes, si no acomplejados y deprimidos, si no fuera porque nosotros identificamos este esquema hipotético con el esplendor visible, la intensidad conmovedora del desconcertante número de estrellas que están ahí, precisamente, para hacer posible nuestra presencia aquí y, eso amigos míos, nos hace ser importantes, dado que demuestra algo irrefutable, formamos parte de toda esta grandeza.

Bueno, no es por nada pero, ¿Quién me puede decir que una imagen como la que arriba podemos contemplar, no es tan hermosa como la más brillante de las estrellas del cielo? Incluso diría que más, ya que se trata del producto o esencia del material que allí se fabricó y que ha podido llegar a su más alto nivel de belleza que, además, tiene consciencia de Ser y genera pensamientos y, ¡sentimientos!

Somos parte del Universo… ¿La que piensa? La que se puso aquí para hacer preguntas y buscar respuestas? Puede ser que algún día (si la Naturaleza nos respeta como especie) podamos contestar estas preguntas que hoy, están profundamente ocultas.

Yo, si tengo que deciros la verdad, no me considero nada insignificante, soy consciente de que formo parte del Universo, como todos ustedes, ni más ni menos, somos una parte de la Naturaleza y, como tales productos de algo tan grande, debemos estar orgullosos y, sobre todo procurar, conocer bien qué es lo que realmente hacemos aquí, para qué se nos han traído y, para ello amigos, el único camino que conozco es, llegar a conocer a fondo la Naturaleza y procurar desvelar sus secretos, ella nos dirá todo cuanto queramos saber.

emilio silvera

[?]

      Si tenemos suerte y podemos perdurar como especie, en las estrellas, en otros mundos,  está el futuro de la especie Humana, allí están los nuevos planetas  que deben habitar los que detrás de nosotros vendrán, y, cuando nuestro Sol esté moribundo y a punto de ser una Gigante roja, para entonces, ya no estaremos aquí y habremos podido conquistar el espacio. Esta nueva manera de mirar el universo nos da nuevas ideas, no todo el espacio son agujeros negros, estrellas de neutrones, galaxias y desconocidos planetas; la verdad es que casi todo el universo está vacío y sólo en algunas regiones tiene agrupaciones de materia en forma de estrellas y otros objetos estelares y cosmológicos; muchas de sus propiedades y características más sorprendentes (su inmenso tamaño y su enorme edad, la soledad y oscuridad del espacio…) son condiciones necesarias para que existan observadores inteligentes como nosotros.

    Intrincadas conformaciones físicas que no podemos explicar han sido detectadas en el Centro Galáctico

No debería sorprendernos la vida extraterrestre; si existe, pudiera ser tan rara y lejana para nosotros como en realidad nos ocurre aquí mismo en la Tierra, donde compartimos hábitat con otros seres vivos con los que hemos sido incapaces de comunicarnos, a pesar de que esas formas de vida, como la nuestra, están basadas también en el carbono. No se puede descartar formas de vida inteligente basadas en otros elementos, como por ejemplo, el silicio.

La baja densidad media de materia en el universo significa que si agregáramos material en estrellas o galaxias, deberíamos esperar que las distancias medias entre objetos fueran enormes.

El 17 de noviembre del 2016. Un equipo internacional de astrónomos descubrió una concentración de galaxias previamente desconocida en la constelación Vela, a la que han llamado el Súper-cluster Vela.

 

La atracción gravitatoria de esta gran concentración de masa en nuestro vecindario cósmico puede tener un efecto importante en el movimiento de nuestro grupo local de galaxias incluyendo la Vía Láctea. También puede ayudar a explicar la dirección y amplitud de la peculiar velocidad del grupo local con respecto al fondo de microondas cósmico.

Los super-acumuladores son las estructuras mas grandes y más masivas conocidas en el Universo. Consisten en racimos de galaxias que se extienden hasta 200 millones de años luz a través del cielo. El super-cluster más famoso es el Shapley Super-cluster, a unos 650 millones de años luz de distancia que contiene dos docenas de racimos de rayos X masivos para los que se han medido miles de velocidades galácticas. Se cree que es el más grande de su tipo en nuestro vecindario cósmico.

Y, a pesar de todas esas ingentes cantidades de masa:

 

El cuadro expresa la densidad de materia del universo de varias maneras diferentes que muestran el alejamiento que cabría esperar entre los planetas, estrellas y galaxias. No debería sorprendernos que encontrar vida extraterrestre sea tan raro.

El filósofo existencialista Kart Jaspers se sintió provocado por los escritos de Eddington a considerar el significado de nuestra existencia en un lugar particular en una época particular de la historia cósmica.

En su influyente libro “Origen y meta de la historia”, escrito en 1.949, poco después de la muerte de Eddington, pregunta:

“¿Por qué vivimos y desarrollamos nuestra historia en este punto concreto del espacio infinito, en un minúsculo grano de polvo en el universo, un rincón marginal? ¿Por qué precisamente ahora en el tiempo infinito? Estas son cuestiones cuya insolubilidad nos hace conscientes de un enigma.

El hecho fundamental de nuestra existencia es que parecemos estar aislados en el Cosmos. Somos los únicos seres racionales capaces de expresarse en el silencio del Universo. En la historia del Sistema Solar se ha dado en la Tierra, durante un periodo de tiempo infinitesimalmente corto, una situación en la que los seres humanos evolucionan y adquieren conocimientos que incluye el ser conscientes de sí mismos y de existir… Dentro del Cosmos “ilimitado”, en un minúsculo planeta, durante un minúsculo periodo de Tiempo de unos pocos cientos de milenios, algo ha tenido lugar como si este planeta fuera lo que abarca todo, lo auténtico. Este es el lugar, una mota de polvo en la inmensidad del Cosmos, en el que el Ser ha despertado con el hombre”.

           Karl Sagan siempre nos decía que hay vida en otros mundos

Hay aquí algunas grandes hipótesis sobre el carácter único de la vida humana en el Universo (creo que equivocada). En cualquier caso se plantea la pregunta, aunque no se responde, de por qué estamos aquí en el tiempo y lugar en que lo hacemos. Hemos visto que la cosmología moderna puede ofrecer algunas respuestas esclarecedoras a estas preguntas.

En mi anterior trabajo quedaron reflejadas todas las respuestas a estas preguntas. Nada sucede porque si, todo es consecuencia directa de la causalidad. Cada suceso tiene su razón de ser en función de unos hechos anteriores, de unas circunstancias, de unos fenómenos concretos que de no haberse producido, tampoco el tal suceso se habría significado, simplemente no existiría.

          Al principio de todo…Cuando aún no habíamos llegado aquí…No había observadores

Con la vida en nuestro planeta, ocurrió igual. Una atmósfera primitiva evolucionada, la composición primigenia de los mares y océanos con sus compuestos, expuestos al bombardeo continuo de radiación del espacio exterior que llegaba en ausencia de la capa de ozono, la temperatura ideal en relación a la distancia del Sol a la Tierra y otra serie de circunstancias muy concretas, como la edad del Sistema Solar y los componentes con elementos complejos del planeta Tierra, hecho del material estelar evolucionado a partir de supernovas, todos estos elementos y circunstancias especiales en el espacio y en el tiempo, hicieron posible el nacimiento de esa primera célula que fue capaz de reproducirse a sí misma y que, miles de años después, hizo posible que evolucionara hasta lo que hoy es el hombre que, a partir de materia inerte, se convirtió en un ser pensante que ahora es capaz de exponer aquí mismo estas cuestiones. ¡Es verdaderamente maravilloso!

Con el paso del Tiempo, nada permanece igual, todo cambia es…, la Entropía destructora y los sucesos a grandes escalas que en el Universo son constantes.

El entorno cambiante en un universo en expansión como el nuestro, a medida que se enfría y envejece (la entropía) es posible que se formen átomos, moléculas, galaxias, estrellas, planetas y organismos vivos. En el futuro, las estrellas agotaran su combustible nuclear y morirán todas. En función de sus masas serán estrellas enanas blancas (como nuestro Sol), estrellas de neutrones (a partir de 1’5 masas sobre hasta 3 masas solares) y agujeros negros a partir de 3 masas solares. Hay un recorrido de historia cósmica en el que nuestro tipo de evolución biológica debe ocurrir bajo esas circunstancias especiales a las que antes me referí.

¿El destino final?

No podemos saber cuándo, pero sí tenemos una idea muy clara de cómo será dicho final. El universo es todo lo que existe, incluyendo el espacio, el tiempo y la materia. El estudio del universo es la cosmología, que distingue entre el Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría. El universo real está constituido en su mayoría por espacios aparentemente vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas y gas. El universo se está expandiendo, de manera que el espacio entre las galaxias está aumentando gradualmente, provocando un desplazamiento al rojo cosmológico en la luz procedente de los objetos distantes*.

Existe una ¿evidencia? creciente de que el espacio está “o puede” estar lleno de una materia invisible, “materia oscura”, que puede constituir muchas veces la masa total de las galaxias visibles (materia bariónica). Sabemos que el origen más probable del universo está en al teoría conocida como del Big Bang que, a partir de una singularidad de una densidad y energía infinita, hace ahora unos 15 mil millones de años, surgió una inmensa bola de fuego que desde entonces no ha dejado de expandirse y enfriarse.

En el proceso, nació el tiempo y el espacio, surgieron las primeros quarks que pudieron unirse para formar protones y electrones que formaron los primeros núcleos y, cuando estos núcleos fueron rodeados por los electrones, nacieron los átomos que evolucionando y juntándose hicieron posible la materia; todo ello, interaccionado por cuatro fuerzas fundamentales que, desde entonces, por la rotura de la simetría original divididas en cuatro parcelas distintas, rigen el universo. La fuerza nuclear fuerte responsable de mantener unidos los nucleones, la fuerza nuclear débil, responsable de la radiactividad natural desintegrando elementos como el uranio, el electromagnetismo que es el responsable de todos los fenómenos eléctricos y magnéticos, y la fuerza de gravedad que mantiene unidos los planetas y las galaxias.

Pero hemos llegado a saber que el universo podrá ser abierto o cerrado. Un universo que siempre se expande y tiene una vida infinita es abierto. Esto es un universo de Friedman que postuló que el nuestro tenía una densidad menor que la densidad crítica.

El universo cerrado es el que es finito en tamaño, tiene una vida finita y en el que el espacio está curvado positivamente. Un universo de Friedman con la densidad mayor que la densidad crítica.

El universo en expansión es el que el espacio entre los objetos está aumentando continuamente. En el universo real, los objetos vecinos como los pares de galaxias próximas entre sí no se separan debido a que su atracción gravitatoria mutua supera los efectos de la expansión cosmológica (el caso de la Vía Láctea y Andrómeda). No obstante, la distancia entre dos galaxias muy separadas, o entre dos cúmulos de galaxias, aumenta con el paso del tiempo y la expansión imparable del universo.

                                                      El Omega negro o la cantidad de materia del Universo

El universo real está en función de la densidad crítica que es la densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión del universo. Un universo con una densidad muy baja se expandirá para siempre, mientras que uno con densidad muy alta colapsara finalmente. Un universo con exactamente la densidad crítica, alrededor de 10^-29 g/cm³, es descrito por el modelo de universo de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. Pero la densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro universo no representa la cantidad necesaria para generar la fuerza de gravedad que se observa en la velocidad de alejamiento de las galaxias, que necesita mucha más materia que la observada para generar esta fuerza gravitatoria, lo que nos da una prueba irrefutable de que ahí fuera, en el espacio entre galaxias, está oculta esa otra materia invisible, la “materia oscura”, que nadie sabe lo que es, cómo se genera o de qué esta hecha. Así que, cuando seamos capaces de abrir esa puerta cerrada ante nuestras narices, podremos por fin saber la clase de universo que vivimos; si es plano, si es abierto e infinito, o si es un universo que, por su contenido enorme de materia es curvo y cerrado.

Pero la respuesta a la pregunta, aún sin saber exactamente cuál es la densidad crítica del Universo, sí podemos contestarla en dos vertientes, en la seguridad de que al menos una de las dos es la verdadera.

El destino final será:

a) Si el universo es abierto y se expande para siempre, cada vez se hará más frío, las galaxias se alejarán las unas de las otras, la entropía hará desaparecer la energía y la temperatura será tal que  alcanzará el cero absoluto, -273ºK. La vida no podrá estar presente.

b) Si el universo es cerrado por contener una mayor cantidad de materia, llegará un momento en que la fuerza de gravedad detendrá la expansión de las galaxias, que poco a poco se quedarán quietas y muy lentamente, comenzaran a moverse en el sentido inverso; correrán ahora las unas hacia las otras hasta que un día, a miles de millones de años en el futuro, todo la materia del universo se unirá en una enorme bola de fuego, el Big Crunch. Se formará una enorme concentración de materia de energía y densidad infinitas. Habrá dejado de existir el espacio y el tiempo. Nacerá una singularidad que, seguramente, dará lugar a otro Big Bang. Todo empezará de nuevo, otro universo, otro ciclo ¿pero aparecemos también nosotros en ese nuevo universo? Al decir nosotros, como podréis comprender, me estoy refiriendo a nuestra especie. ¿Estaremos aquí para entonces?

         Esta pregunta sí que no sé contestarla. Aunque no hay que descartar los universos cíclicos

Así las cosas, no parece que el futuro de la Humanidad sea muy alentador. Claro que los optimistas nos hablan de hiperespacio y universos paralelos a los que, para ese tiempo, ya habremos podido desplazarnos garantizando la continuidad de la especie Humana. Bien pensado, si no fuera así ¿para qué tantas dificultades vencidas y tantas calamidades pasadas? ¿Para terminar congelados o consumidos por un fuego abrasador?

¡Quién pudiera contestar a eso!

emilio silvera

[?]

                      El hombre se ha preguntado durante largo tiempo, “¿de qué está hecho el mundo?”

Ahora sabemos que, no sólo nuestro mundo, sino todo el inmenso Universo, está hecho de pequeños objetos infinitesimales a las que hemos denominado partículas subatómicas y que forman varias familias. Unas son más elementales que otras y según, a qué familia pertenezcan, atienden o se rigen por una u otra fuerza elemental.

Son los constituyentes fundamentales de toda la materia del Universo (por lo menos de toda la materia conocida y que podemos detectar formando estrellas y mundos, galaxias o seres vivos). Hemos podido llegar a saber que, de esas briznas de materia se forman los núcleos que, rodeados de electrones conforman los átomos de la materia.

Los grupos de  átomos conforman las moléculas que son las unidades fundamentales de los compuestos químicos pero, comencemos por los núcleos atómicos:

Muchas son las veces que aquí mismo he podido explicar, que los quarks u y d se hallan en el interior de los nucleones y, por tanto, su hábitat está en los núcleos atómicos donde se encuentran confinados y, en realidad, no intervienen directamente  en las propiedades de los núcleos. Sin embargo, no podemos olvidar que la fuerza nuclear fuerte está ahí reteniendo a los quarks por medio de los gluones y, eso hace que, el núcleo sea estable.

El núcleo atómico es de carga positiva y está compuesto por nucleones. Los nucleones se dividen en protones y nucleones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva mientras que los neutrones tienen una carga neutra. La importancia del núcleo atómico radica en que constituye la mayor parte de un átomo y sus protones indican el tipo de elemento químico que se observa.

En el núcleo atómico se reúne toda la carga positiva y la masa del átomo. El núcleo atómico se caracteriza por poseer casi la masa total de un átomo (más de 99%).

 

Los núcleos atómicos constituyen un tipo de materia que, aisladamente, de forma individual (si exceptuamos el protón), siempre están en ambientes muy energéticos, por ejemplo, en el interior de las estrellas. En nuestro entorno terráqueo, es raro encontrar núcleos aislados, sino parcial o totalmente confinados dentro de los átomos.

Sabemos que el número de especímenes atómicos es limitado, existiendo ciertas razones para suponer que hacia el número atómico 173 los correspondientes núcleos serían inestables, no por razones intrínsecas de inestabilidad “radiactiva” nuclear, sino por razones relativistas. Ya señalé en otros escritos que, el número de especies atómicas, naturales y artificiales, es de unos pocos miles, en cambio, el número de moléculas conocidas hasta ahora comprenden unos pocos millones de especímenes, aumentando continuamente el número de ellas gracias a la síntesis que se lleva a cabo en numerosos laboratorios repartidos por todo el mundo.

                       Fórmula química y modelo molecular de Hidrógeno, Agua, amoníaco, metano….

Una molécula es una estructura, con individualidad propia, constituida por un conjunto de núcleos y sus  electrones. La molécula más sencilla es la de Hidrógeno que tiene dos electrones, hasta las más complejas como las de las proteínas, con muchos miles de ellos, existen toda una gama de varios millones. Esta extraordinaria variedad de especies moleculares contrasta con la de las especies nucleares e incluso atómicas.

Desde el punto de vista de la información, las especies moleculares la poseen en mucho mayor grado que las nucleares o atómicas. Dejando aparte los núcleos, la información que soportan los átomos se podría atribuir a la distribución de su carga eléctrica, y en particular a los electrones más débilmente ligados. Concretando un poco más, se podría admitir que la citada información la aportan los orbitales atómicos, pues son precisamente estos orbitales los que introducen diferencias “geométricas” entre los diferentes electrones “corticales”.

                                                                          Orbitales atómicos

En términos electrónicos, la información se podría considerar proporcionada por un campo de intensidad y densidad eléctrica, con valles, cimas y collados, es decir, curvas isoeléctricas equivalentes formalmente a las de nivel en topografía. Parece razonable suponer que cuanto más diversos sean los átomos de una molécula, más rica y variada podrá ser la información que pueda soportar. La enorme diversidad de formas, colores, comportamientos, que acompañan a los objetos, incluidos los vivientes, sería una consecuencia de la riqueza en la información que soportan las moléculas. Ello explicaría que las moléculas de la vida sean en general de grandes dimensiones (macromoléculas). La inmensa mayoría de ellas contienen Carbono. Debido a su tetra-valencia y a la gran capacidad que posee dicho átomo para unirse consigo mismo, dichas moléculas pueden considerarse como un esqueleto formado por cadenas de esos átomos.

Molécula de Carbono

Molécula de Silicio

                       Molécula de Fósforo                                   Molécula de Boro

Sí, lo sé, el Carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Cercanos al Carbono en la Tabla Periódica de Elementos, el Silicio, Fósforo y Boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor. Si nos referimos al Silicio, diremos que las moléculas que dicho átomo forma con el Oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos, poseyendo gran nivel de información, difieren, en varios aspectos, de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de Carbono. El mundo de los silicatos es de una gran diversidad, existiendo centenares de especies minerológicas.

Esas diferencias se refieren, fundamentalmente, , a que el enlace químico en el caso de las moléculas orgánicas es covalente, y cuando se forma la sustancia correspondiente (cuatrillones de moléculas) o es un líquido, como es el caso de los aceites, o bien un sólido que funde fácilmente.

Entre las moléculas que lo forman se ejerce unas fuerzas, llamadas de Van der Valls, que, según sabemos, pueden considerarse como residuales de las electromagnéticas, y que son más débiles que éstas. En cambio, en los silicatos sólidos (como el caso del topacio) el enlace covalente o iónico no se limita a una molécula, sino que se extiende en el espacio ocupado por el sólido, resultando un entramado particularmente fuerte.

Si prescindimos de las orgánicas, el resto de las moléculas que resultan de la combinación entre los diferentes átomos  no llegan a 100.000, frente a los varios millones de las primeras. Resulta razonable suponer que toda la enorme variedad de moléculas existentes, principalmente en los planetas rocosos, se haya formado por evolución de los átomos, como corresponde a un proceso evolutivo. La molécula poseería mayor orden que los átomos de donde procede, esto es, menor entropía. En su formación, el ambiente se habría desordenado al ganar entropía en una cierta cantidad tal, que el resultado fuese un balance final positivo.

                                                           El Carbono es la base de la Vida

Creo que, los átomos que forman células de Carbono que finalmente forman parte de los seres vivientes como nosotros, son las únicas que tienen esa facultad. El Carbono es la base de la vida tal como la conocemos. Sin embargo, el Silicio, según hemos podido ir comprobando, es el material idóneo para crear eso que llamamos “Vida Artificial”, y, esa clase de vida, en el futuro lejano, podría ser y tener tanta importancia como la que hoy tiene la nuestra. No debemos perder de vista las posibilidades del Silicio en ese ámbito de la Inteligencia “No Viviente” que, no necesariamente, significa “no inteligente”, sino todo lo contrario. Las posibilidades de la Inteligencia Artificial puede ser ilimitada y, si me apuráis mucho, incluso nos podrían sobrepasar, a nosotros los humanos, toda vez que, al no ser de carne y huesos, nos llevarían una inmensa ventaja en los muchos achaques que nosotros padecemos y de los que esos “seres” estarían exentos.

Estamos hablando aquí de átomos y de moléculas y, desde luego, siempre ha sido, no ya difícil (que lo es) el aventurarse en el mundo de lo muy pequeño, sino que, hasta podríamos decir que, tal osadía, si no está acompañada de un profundo conocimiento de las leyes de la Naturaleza, sería una locura. Y, las leyes de la Naturaleza, aunque son pocas y nos parecen de sencilla comprensión, en realidad es una sensación muy engañosa, toda vez que, dichas leyes, encierran todos los misterios y secretos del Universo, y, sin embargo, nosotros, pobres ilusos, decimos conocerlas.

fuerza de Van der Valls  crea la tensión superficial del agua que permite al mosquito andar por ella

Conocemos unos cuentos sucesos de los que ocurren en ese “universo” misterioso que llamamos mecánica cuántica y que, es el ámbito donde todo lo muy pequeño desarrolla sus funciones. Allí, desde las denominadas fuerzas de Van der Valls, en una distancia r (aproximadamente proporcional a 1/r exponente 7), nos dice que, si reducimos la distancia entre dos átomos a la mitad, esa fuerza de Van der Valls se hace de 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 128 veces más intensa, eso ocurre en la tensión superficial presente en átomos y moléculas cuando se acercan mucho y quedan unidos a través de esta fuerza.

Muchos otros sucesos y maravillas conocemos de éstos pequeños objetos que llamamos partículas subatómicas y que, se unen para conforman el mundo y el Universo entero. Explicar aquí las fuerzas nucleares débil y fuerte, el electro-magnetismo o la Gravedad de las que tanto hemos hablado, me parecería una repetición innecesaria.

Sin embargo, no estaría demás, dada su importancia para Ciencia, mencionar, aunque sólo sea de pasada, la importancia que para la Ciencia Física tuvo en su momento el cuanto de Planck que inspiró a Einstein su trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le valió el Nobel de Física), el trabajo sobre el electrón que formuló Dirac y que estuvo a la altura de la teoría de la relatividad, o, la intuición de Pauli cuando dedujo la existencia del neutrino para explicar la energía perdida, y, su…

Principio de Exclusión aplicable a los fermiones pero no a los bosones, en virtud del cual, dos partículas idénticas en un sistema, como electrones en un átomo o quark en un hadrón, no puede poseer un conjunto idéntico de números cuánticos, y, de ahí, se deduce lo que pasa en las estrellas que finalizan sus días en la secuencia principal y que, dependiendo de sus masas, se convierten en enanas blancas o estrellas de neutrones, gracias a este principio, ya que, en el primer caso, la degeneración de los electrones y en el segundo de los neutrones, se produce una fuerza que, es suficiente para llevar el equilibrio a la estrella moribunda y parar la fuerza de Gravedad evitando que continúe el proceso de compresión de la estrella.

Está claro que, cuando antes digo “universo” de las partículas, no me quedo corto. Todos conocemos y hablamos de los Protones, Neutrones, Electrones o Quarks, fotones y neutrinos pero, son muchísimas más las partículas que intervienen en ese mundo y, cada una de ellas, tiene su misión que cumplir. ¿Qué sabéis, por ejemplo, de las familias completas de los Leptones, Hadrones y Quarks y todo lo que ello implica. Y, por otra parte, si decimos Fermiones, Bosones, Nucleones, Bariones…¿Sabéis de qué estamos hablando?

                                     En la imagen: Electrón, Muón y Tau y sus neutrinos

El electrón y sus hermanos el muón y la partícula Tau, están acompañados por sus respectivos neutrinos electrónico, muónico y tauónico. Los hadrones se dividen en Bariones y mesones, y, de los segundos en general, la gente sabe poco. Son Los Piones positivos, negativos y neutros, Kaones, también en las mismas vertientes además de largo y corto. La partícula Eta también es un mesón. Compañeros del Protón y del Neutrón como Bariones, están la partícula Lambda, Sigma más, Sigma cero y Sigma menos, Ksi-cero, Ksi-menos y Omega-menos.

Todas ellas tienen su símbolo identificativo, su masa que se específica en MeV, Carga, Espín, Vida Media y, tambiñén cada una de ellas, como era de esperar al ser todas diferentes, tiene su manera de desintegrarse produciendo nuevas partículas.

Trazas de partículas vuelan desde el corazón del experimento ALICE en una de las primeras colisiones a una energía total de 7 TeV. Imagen: CERN

                                    Las primeras colisiones con Atlas y Alice a  7 TeV en el LHC

Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ha presentado hoy los primeros resultados de este gran experimento internacional desde que el pasado mes de marzo alcanzó la mayor energía de colisión de partículas registrada hasta ahora. Los portavoces de LHC destacaron el buen funcionamiento de la máquina, que ha multiplicado el número de colisiones registrado por más de mil, lo que ha permitido “redescubrir” partículas conocidas del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones. Entre los principales resultados se encuentran los primeros indicios de detección del quark ‘top’, la más masiva de las partículas elementales, en lo que sería la primera detección realizada por un laboratorio europeo.

Los primeros resultados del LHC han sido revelados en la 35º Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP 2010), la mayor conferencia del mundo en física de partículas que reúne a más de 1.000 participantes en la capital francesa, y que ha contado hoy con la visita del presidente Nicolas Sarkozy. Los portavoces de los cuatro grandes experimentos del LHC (ALICE, ATLAS, CMS y LHCb) han presentado resultados procedentes de los tres meses de funcionamiento del LHC a 3,5 Teraelectronvoltios (TeV) por haz, una energía tres veces y media mayor que la alcanzada hasta ahora en un acelerador de partículas.

Con estas primeras medidas los experimentos del LHC han redescubierto partículas del Modelo Estándar, la teoría que contiene el conocimiento actual sobre las partículas que forman la materia y las fuerzas que actúan entre ellas. Éste es un paso esencial antes de realizar otros descubrimientos. Entre los miles de millones de colisiones registradas hasta ahora se encuentran “candidatos” de producción del quark ‘top’, en lo que sería la primera vez que esta partícula se observa en un laboratorio europeo. Ésta fue la última partícula elemental descubierta, en 1995 en el Tevatron, el acelerador de partículas de Fermilab (EE.UU.).

Según el Modelo Estándar, el quark ‘top’ es el más masivo de los constituyentes elementales de la materia. Dada su gran masa se necesitan grandes energías para producirlo mediante colisiones de partículas, las cuales sólo se podían alcanzar en Tevatron y, a partir de ahora, en LHC. “Redescubrir nuestros ‘viejos amigos’ en el mundo de las partículas muestra que los experimentos del LHC están bien preparados para entrar en nuevos territorios”, dijo el director general del CERN Rolf Heuer. “Parece que el Modelo Estándar está funcionando como se esperaba. Ahora el siguiente paso es que nos muestre lo que es nuevo”.

Para el CERN, la calidad de los resultados presentados en ICHEP atestigua tanto el buen funcionamiento de LHC como la calidad de los datos grabados por sus experimentos. El LHC, que está aún en su primera etapa de funcionamiento, está realizando continuos progresos hacia sus condiciones finales de operación. La luminosidad, medida de la tasa de colisiones, se ha incrementado en un factor superior a mil desde el final de marzo. Este rápido progreso en la puesta a punto de los haces del LHC se equipara a la velocidad con que los datos procedentes de las miles de millones de colisiones producidas han sido procesados por el Grid, la red de computación global del LHC, lo que ha permitido a los diferentes centros de investigación repartidos por todo el mundo analizar datos de los experimentos.

¿Nos dirá el LHC cómo empezó todo?

No pocas veces, emocionados por descubrimientos profundamente escondidos en lo más profundo de la Naturaleza, llegamos a creernos que tenemos en mundo en nuestras manos. Sin embargo, no es así, la realidad es que estamos a merced del “mundo” (entendiendo por mundo la Naturaleza misma) y que, nuestro entorno se desarrolla tal como “está previsto” sin que nosotros, los humanos de este planeta pueda vanagloriarse de tener un poder que, desde luego, no tiene. Lo mismo nuestro planeta que el resto del entorno planetario o galáctico se rige por unas fuerzas que todavía no hemos llegado a comprender bien. Son inamovibles, se mueven y se rigen por ciclos que están marcados en el “reloj” del Tiempo y, cuando tienen que llegar aparecen y, de sus consecuencias, si miramos atrás podemos tener una idea de cómo funciona todo.

Lo único que nos queda es aprender, estudiar, investigar y observar y, si todo va bien y nada se tuerce, entonces, quizás, en un futuro muy lejano, los habitantes de nuestro mundo pueda contar a las generaciones venideras su larga aventura que comenzó en un planeta llamado Tierra.

emilio silvera

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