… IMDEA Nanociencia y el Instituto Politécnico de Zurich han logrado observar por primera vez el movimiento correlacionado de electrones y núcleos …

Gracias a los espectaculares avances que la tecnología láser ha experimentado en la última década, hoy es posible visualizar el movimiento de los electrones en el interior de átomos y moléculas. Para esto se utilizan pulsos de luz ultravioleta o de rayos X con una duración de tan sólo unos pocos cientos de atto-segundos (10 ^-18 segundos), que es la escala de tiempo en la que se mueven los electrones de forma natural.

En una molécula, además de los electrones, también se mueven los núcleos atómicos que la componen. En un reciente trabajo publicado en la revista Nature Physics, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) (España), IMDEA Nanociencia e Instituto Politécnico de Zurich observaron por primera vez el movimiento combinado de electrones y núcleos en la molécula de hidrógeno (H₂), demostrando explícitamente que existe una enorme interdependencia entre ellos.

Como electrones y núcleos son los responsables de la formación de enlaces químicos en las moléculas (desde el H₂ al ADN), estos resultados abren la puerta a manipular las propiedades de estos enlaces actuando indistintamente sobre electrones o núcleos en intervalos de tiempos del orden de los atto-segundos.

Observando el movimiento combinado de núcleos y electrones

Las reacciones químicas son consecuencia de la rotura y formación de enlaces entre núcleos atómicos en una molécula, lo que conduce a la formación de otras moléculas distintas. El que los enlaces se formen o se rompan se debe principalmente al movimiento de los electrones, que con su carga eléctrica negativa apantallan la repulsión entre los núcleos de carga eléctrica positiva.

Sin embargo, estos últimos también se mueven, con lo que la reactividad química es en realidad un proceso dinámico que resulta del movimiento combinado de electrones y núcleos. En general, el movimiento de los núcleos es mucho más lento que el de los electrones, porque los primeros son mucho más pesados que los segundos.

La figura muestra que el tiempo que tarda el electrón en abandonar la molécula de hidrógeno depende fuertemente de la energía del protón y viceversa, demostrando el alto grado de correlación que existe entre ambos tipos de movimiento. (Foto: UAM)

Por ejemplo, el núcleo más ligero que existe, el del átomo de hidrógeno (protón, p+), es aproximadamente 1.800 veces más pesado que un electrón (e-). Sin embargo, cuando una molécula absorbe energía de una fuente externa, por ejemplo la luz, los núcleos pueden llegar a moverse casi tan rápido como los electrones (dependiendo de cómo se repartan la energía entre ellos).

  La mecánica cuántica nos mostró un “mundo” asombroso

En estos casos, cabe esperar que el movimiento de núcleos y electrones esté correlacionado, es decir, que el movimiento de unos condicione el movimiento de los otros. Como muchas de las reacciones químicas se inician irradiando las moléculas con luz externa, visualizar este movimiento correlacionado en tiempo real es de enorme importancia para entender cómo se producen tales reacciones.

“En nuestro grupo ya habíamos demostrado anteriormente que la combinación de pulsos de luz de attosegundos y femtosegundos con el denominado esquema bombeo-sonda, donde uno de los pulsos induce una cierta dinámica en un átomo o molécula y el otro toma ‘fotografías’ de la misma en distintos instantes, permitiendo visualizar el movimiento de uno o varios electrones, incluso cuando estos últimos se mueven de forma concertada”, afirma Fernando Martín, investigador de la UAM y director del trabajo.

Observación en tiempo real del movimiento correlacionado de núcleos y electrones

Por su parte, la coautora Alicia Palacios, también investigadora de la UAM, añade: “En este trabajo hemos demostrado que, utilizando un esquema bombeo-sonda en combinación con técnicas de detección de multi-coincidencia en las que se mide simultáneamente la energía y el momento de electrones y núcleos, es posible visualizar a la vez el movimiento de ambos tipos de partículas. Además, este movimiento está en efecto correlacionado”.

Para llegar a esta conclusión, los científicos realizaron un experimento en el que la molécula de hidrógeno se bombardeó con un tren de pulsos ultravioletas de atto-segundos, sincronizado con un pulso infrarrojo de femtosegundos, y variaron el retardo entre ambos tipos de pulsos con una precisión de tan solo unas decenas de atto-segundos.

Esta secuencia de pulsos produce inevitablemente la ionización y la disociación de la molécula, dando lugar a la emisión de un electrón, un protón y un átomo de hidrógeno. La detección del electrón (e-) y del protón (p+) en coincidencia para todos los retrasos temporales, en combinación con elaborados cálculos mecano-cuánticos, permitió visualizar el movimiento concertado de estas dos partículas en la molécula.

Las gráficas muestran que el tiempo que tarda el electrón en abandonar la molécula de hidrógeno depende fuertemente de la energía del protón y viceversa, demostrando el alto grado de correlación que existe entre ambos tipos de movimiento. (Fuente: UAM)

Es verdaderamente admirable constatar cómo ha ido evolucionando nuestro entendimiento del mundo que nos rodea, de la Naturaleza, del Universo. Hubo un tiempo en el que, los individuos de nuestra especie deambulaban por el planeta pero no sabían comprender el “mundo”, ni podían pensar siquiera en el misterio que representaban los fenómenos naturales que a su alrededor se sucedían.

Pasado el tiempo, pudieron mirar hacia arriba y, la presencia de aquellos puntitos brillantes en la oscura y misteriosa oscuridad de la noche, el paso de los cometas, y otras maravillas que no podían explicar, despertó su curiosidad consciente y comenzaron a plantearse algunas preguntas. Muchas decenas de miles de más tarde, nuestro deambular por el planeta, las experiencias y la observación de la Naturaleza, nos llevó a comprender, algunas de las cosas que antes no tenían explicación.

Pensadores del pasado dejaron la huella de sus inquietudes y los llamados filósofos naturales, hicieron el ejercicio de dibujar el “mundo” según ellos lo veían. Nos hablaron de “elementos” de “átomos” y, aunque no era el concepto que ahora de esas palabras podamos tener, ya denotaba una gran intuición en el pensamiento humano que trataba de entender la Naturaleza y cómo estaban hechas las cosas que nos rodeaban. Ellos, a la materia primigenia la llamaron “Ylem” la sustancia cósmica.

Es cierto que siempre hemos querido abarcar más de lo que nuestra “sabiduría” nos podía permitir. Ahora, en el presente, las cosas no han cambiado y tratamos de explicar lo que no sabemos, y, para ello, si hay que inventarse la “materia oscura”, las “fluctuaciones de vacío”, los “universos paralelos”, los “agujeros de gusano”, o, cualesquiera otros conceptos o fenómenos inexistentes en el mundo material o experimental… ¡qué más da! Lo importante es exponer las ideas que nos pasen por la cabeza que, de alguna manera, pasando el tiempo, se harán realidad. Nuestras mentes, como digo, siempre fueron por delante de nosotros mismos y ha dejado al descubierto esa intuición que nos caracteriza y que, de alguna manera, nos habla de esos hilos invisibles que, no sabemos explicar como pero,  nos conectan con el resto del Universo del que, al fin y al cabo, formamos parte, ¡la que piensa!

Tales de Mileto, uno de los siete sabios de Grecia, nos habló de la importancia del agua para la vida. Él intuyó que sin agua, la vida sería estéril en el planeta. Allí donde el agua corría y se mezclaba con las sustancias de la tierra, unido a los fenómenos naturales y ayudada por el tiempo, hacía posible el surgir de la vida.

Ahora, que hemos podido realizar un cierto avance en el “conocimiento del mundo que nos rodea”, no le damos la verdadera importancia que tienen algunos pensamientos del pasado que, en realidad, son los responsables de que ahora, nos encontremos en el nivel de conocimiento que hemos podido conquistar. Tales de Mileto, uno de los siete sabios de Grecia, fue el primero que dejó a un lado la mitología para utilizar la lógica y, entre otras muchas cosas, indicó la importancia que tenía el agua para la existencia de la vida. Empédocles nos habló de los elementos y Demócrito del a-tomo o átomo., Arquitas de Tarento (filósofo, soldado y músico), el amigo de Platón y seguidor de Pitágoras, ya se preguntaba: ¿Es el Universo infinito?

Él mismo se contestaba diciendo que todo tenía un límite y pensaba en el final que lindaba con el “vacío”, allí donde nada impedía que su espada, lanzada con fuerza en el borde del universo, siguiera su camino sin fin, ninguna fuerza podría pararla y con ninguna clase de materia podría chocar. Así, con esos pensamientos surgidos de la mente humana, podemos constatar que, desde siempre, hemos tratado de saber de qué están hechas las cosas, cómo funciona la Naturaleza y de qué manera funciona el universo que tratamos de comprender.

El Universo se expande y nuestras mentes también. Eso que llamamos Tiempo siguió su transcurrir inexorable, los pensamientos de los grandes pensadores se fueron acumulando en un sin fin de conjeturas y teorías que, poco a poco, pudimos ir comprobando mediante la observación, el estudio y la experimentación hasta que pudimos llegar a saber de qué estaban hechas las estrellas y cómo la materia se transmutaba en sus “hornos” nucleares para crear elementos que hicieran posible el surgir de la vida en los mundos (no creo que la vida esté supeditada a este mundo nuestro).

Puede estar representada de muchas maneras pero, materia es

“Materia es todo aquello que tiene localización espacial, posee una cierta cantidad de energía, y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En física y filosofía, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.”

 

El conocimiento que creemos que tenemos sobre cómo está conformada la materia y las fuerzas fundamentales que con ella interaccionan, nos ha llevado a escenificar un Universo algo más comprensible que aquel, que nuestros ancestros imaginaron con la presencia de dioses y divinidades que eran los que, creaban los “mundos” o, el universo mismo, cada vez que soñaban. Es asombroso que hayamos podido llegar hasta la consciencia siendo la línea de salida la “materia inerte”. Sin embargo, el recorrido ha sido árduo y muy largo…, ¡diez mil millones de años han necesitado las estrellas para poder  solidificar los elementos de la vida para crear, en algunos de los muchos mundos presentes en las galaxias, el protoplasma vivo que diera lugar a esa primera célula replicante que comenzara la fascinante aventura de la vida hasta llegar a los pensamientos.

El Universo se contempla a través de nuestros ojos y de otros muchos que en los mundos están observando su evolución. Hizo los arreglos necesarios para la llegada de la Vida. El sabia que íbamos a venir. Cuando observamos el Ajuste Fino del Universo para hacer posible la presencia de la vida, comprendemos que no es debido al Azar. ¿Por qué las Constantes Universales son como son y no de otra manera? Pues eso.

Si nos preguntaran: ¿Es consciente el Universo? Tendríamos que contestar de manera afirmativa, toda vez que, al menos una parte, ¡la que piensa!, representada por seres vivos y que forman parte de ese inmenso universo, sí que lo es. La vida es la consecuencia de la materia evolucionada hasta su más alto nivel y, a partir de ella, ha podido surgir eso que llamamos cerebro del que surge el concepto de mente, ese ente inmaterial y superior que trasciende y va más allá, lo que los filósofos llamaron Ser y quisieron explicar mediante la metafísica. Todavía, no sabemos lo que la vida es y tampoco, podemos explicar,  lo que es la energía, o, por exponer algún concepto de los muchos que denota nuestra ignorancia, tampoco podemos contestar a una simple pregunta: ¿Qué es el Tiempo? ¿Existe en realidad o simplemente es una abstracción de la mente?

Lo cierto es que nuestra especie ha dejado profundas huellas de su deambular por el mundo. Muchos de sus “tesoros y obras” quedaron enterrados en las profundidades del tiempo o inundados por los diluvios que las distintas civilizaciones que fueron nos contaron con sus maravillosas leyendas que, en realidad, trataban de explicar algo que sucedió y que no llegaban a comprender y, para ello, inventaban bonitas historias en las que, narraban hechos que quedaron difuminados por la fantasía hasta el punto de no saber, en el presente, donde termina la realidad y comienza la leyenda y si eran ciertas o no las bonitas “historias” que nos contaron.

Lo cierto es que con frecuencia sucede que al surgir  ideas nuevas que tienden a querer explicar científicamente lo que es la Naturaleza, aparecen viejos datos  que relacionan esas nuevas ideas con aquellos viejos problemas. Tenemos que admitir que todavía “no sabemos” cómo es la realidad del mundo y que, nuestra realidad, no tiene que coincidir con la verdadera realidad que incansables buscamos y que, no siempre podemos “ver” aunque la tengamos delante de nuestros propios ojos.

De hecho, no sabemos explicar ni cómo se pudieron formar las galaxias, y, a pesar de ello, no tenemos empacho de hablar de singularidades y agujeros de gusano o de universos paralelos. ¡La imaginación!, creo que sin ella, no habríamos podido llegar hasta aquí. La imaginación unida a la curiosidad ha sido desde siempre, el motor que nos llevó hacia el futuro.

Si en realidad existe “el infinito”, seguro que está en nuestras mentes, o, posiblemente en otras que, como las nuestras, han imaginado cómo ensanchar el mundo y  universo de los pensamientos sin límite alguno, el único límite que existe, amigos míos, es el de nos impone nuestra ignorancia para llegar a comprender lo que la Naturaleza es. En la Naturaleza están todas las respuestas a las preguntas que planteamos y que nadie sabe contestar. En ella, en la Naturaleza, buscan nuestros sabios esas respuestas y, para poder encontrarlas hemos inventado los aceleradores de partículas, los microscopios y telescopios que nos llevan a ese “otro universo” que el ojo desnudo no puede ver pero que, no deja de ser nuestro propio mundo, y, al ser conscientes de ello, también lo somos de nuestras limitaciones. En realidad, la única manera de avanzar es ser consciente de que no sabemos, toda vez que, si creyéramos que ya lo sabiamos todo… ¿para qué seguir buscando?

Todo está hecho de Quarks y Leptones, desde una galaxia hasta el fiero león que habita en la selva. La mesa en la que trabajo, el agua, las sábanas blancas que acoge nuestro cuerpo en el descanso de la noche, la tostada del desayuno y el vaso de leche, toda la materia es de Quarks y Leptones que repartidos en la debida proporción, conforman todo lo material. Ahí entran mis dudas sobre la “materia oscura”, no es de Quarks y tampoco de Leptones, no se sabe de que será, además es invisible, dicen que no emite radiación y sí genera Gravedad… ¡Qué raro es todo eso!

Ya decía aquel Premio Nobel de Física: “La materia oscura es la alfombra bajo la cual, los cosmólogos, barren su ignorancia.”

El pensamiento filosófico es un “mundo” que ensanchó los límites de la mente humana, nos llevó hasta la Ciencia, en un mundo en el que, las semillas de Quarks y Leptones se constituían en un universo material en el que, unas  fuerzas fundamentales interaccionaban para hacer posible el ritmo de todo lo que podemos observar, de todo lo que existe y que llegó, a crear el Espacio-Tiempo y dentro de toda esa inmensidad, ¡los pensamientos y la imaginación! de objetos complejos que llamamos cerebro y transportan mentes creadoras de ideas como la de universos en la sombra, cuerdas cósmicas y otros muchos fantásticos fenómenos que pueblan un paisaje inmenso de “cosas” en constante ebullición que se transforman para crear otras diferentes. Para que eso sea posible, a veces podemos contemplar lugares violentos donde impera un Caos aparente pero, necesario para la creación.

Estamos rodeados de cosas bellas presentes en cualquier lugar al que podamos mirar pero… ¿Prestamos atención? Lo cierto es que, inmersos en nuestros problemas cotidianos: Tengo que cambiar el coche, haber si consigo liquidar la hipoteca, el novio de la niña no acaba de gustarme, este niño nuestro no arrima el hombre con los estudios, haber si mi jefe cae en la cuenta de que es hora de subirme el sueldo….

“Todas las cosas son”

Con esas sencillas palabras, el sabio, elevó a todas las cosas a la categoría de SER. ¿Tendrá memoria la materia? ¿Será posible que eso que llamamos materia “inerte”, no sea en realidad tan inocua ni tan insensible como imaginamos? Es posible que cada estado de la materia sea un paso necesario para poder llegar hasta su estado de consciencia que, en este mundo, se ha revelado en nosotros.

Me viene a la memoria aquellas palabras de otro pensador: “… Que no está muerto lo que duerme eternamente”. Y, seguía diciendo: “Con el paso de los Eones, hasta la muerte tendrá que morir”.

 

Y, en un aparente maremágnum, apareció la vida. “La Vida, una cúpula de vidrio multicolor, mancha el blanco resplandor de la eternidad.” De la misma manera que no llegamos a comprender el Universo, tampoco conocemos lo que la vida es, y, hasta las definiciones que hemos encontrado para explicarla, ni se acercan a la realidad, a la grandiosidad, a la maravillosa verdad que el universo nos muestra a través de la vida, en la que, a veces, subyacen los pensamientos y los mejores sentimientos.

Mientras tanto, nos seguimos preguntando:

¿De dónde venimos? ¿Qué hacemos aquí? Hacia dónde vamos? ¿Somos acaso una especie privilegiada? ¿Siendo parte del Universo, lo comprenderemos alguna vez? ¿Será nuestro instinto de egoísmo necesario para la supervivencia?

Emilio Silvera Vázquez