Año Internacional de la Astronomía 2009. En España (AIA-IYA2009)

Nuestra colaboración con el Año Internacional de la Astronomía 2009, está centrado básicamente en llevar al público en general conocimientos sobre el Universo, las fuerzas que lo rigen y los objetos que lo pueblan.

Fuerza nuclear fuerte

Su alcance en metros: < 3 × 10^-15, se dice que la propiedad de los quarks conocida como libertad asintótica hace que la interacción entre ellos sea débil cuanto más cerca están los unos de los otros, están confinados con los gluones en un radio o región de:  r » hc/L » 10^{-13 cm.}

Al contrario de las otras fuerzas, esta crece con la distancia. Tiene una fuerza relativa de 10⁴⁰. Es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.

La partícula portadora de la fuerza es el gluón (glue en inglés, es pegamento) que en número de ocho, actúa como un espeso pegamento en forma de muelle que, cuanto más se estira más fuerza genera.

La interacción nuclear fuerte es la mayor, la de más potencia de las cuatro fuerzas fundamentales, es 10² veces mayor que la fuerza electromagnética, aparece sólo entre los hadrones (protones, neutrones, etc). Es la responsable de mantener unidos los nucleones y hacer estable el núcleo de los átomos. Como dijimos al principio, actúa a tan corta distancia como 10^-15 metros, mediado por los mesones virtuales que llamamos gluones.

Fuerza nuclear débil

Su alcance es de < 10^-15  metros, su fuerza relativa de 10²⁸, intervienen en la radiación radiactiva, ocurre entre leptones (electrones, muones, tau y los correspondientes neutrinos asociados) y en la desintegración de los hadrones, la desintegración beta de las partículas y núcleos. Está mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios: en este caso, las partículas W⁺, W^–  y  Z⁰. Esta interacción se describe por la teoría electrodébil que la unifica con las interacciones electromagnéticas.

 Las interacciones electromagnéticas

Tiene un alcance infinito, su fuerza relativa es de 10³⁹, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Unen los átomos para formar moléculas, propaga la luz, las ondas de radio y otras formas de energías.

Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario de las interacciones gravitacionales, puede ser tanto atractiva como repulsiva.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales.

Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tienen una teoría clásica bien definida dada por las ecuaciones de Maxwell.

La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas, se describen con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.*

La interacción gravitacional

La interacción gravitacional, conocida como la fuerza de gravedad, es unas 10⁴⁰ veces más débil que la interacción electromagnética; es la más débil de todas las fuerzas de la naturaleza.

Su alcance, como el de la fuerza electromagnética, es infinito, y su fuerza relativa es de 1. Su función es actuar entre los cuerpos masivos sobre los que ejerce una fuerza atractiva en función de sus masas y de las distancias que los separa, mantienen unidos los planetas alrededor del Sol, las estrellas en las galaxias y nuestros pies pegados a la superficie de la Tierra.

La interacción puede ser comprendida utilizando un campo clásico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre los cuerpos interaccionantes (Ley de Newton).

El hipotético cuanto de gravitación, el bosón denominado gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, la fuerza gravitacional es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener el equilibrio entre los componentes del universo.

Sin la fuerza de gravedad, el universo sería un completo caos, todos los planetas, estrellas y demás objetos cosmológicos estarían vagando sin rumbo por el vacío estelar y las colisiones serían lo cotidiano.

Debido a que las interacciones gravitacionales son de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la relatividad general de Einstein.

Por el momento no hay teoría cuántica de la gravedad que sea satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas, en su versión más avanzada conocida como teoría M de Edward Witten, nos pueda dar una teoría cuántica de la gravedad que sea consistente y nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas.

 Estas  cuatro fuerzas fundamentales que acabo de describir para todos ustedes son las fuerzas que rigen en nuestro universo. Son las fuerzas que interaccionan con toda la materia y el comportamiento de ésta viene dado por dichas interacciones. El universo es como es porque las fuerzas son las que son; si alguna de estas fuerzas fueran mínimamente distintas, si la carga o la masa del electrón variaran sólo una millonésima, el universo sería otro muy distinto y, seguramente, nosotros no estaríamos aquí para contarlo.

Todo el conjunto está sometido a un equilibrio que, entre otras cuestiones, hizo posible la existencia de vida inteligente en nuestro universo, al menos, que sepamos, en un planeta insignificante de un sistema solar insignificante situado en la periferia de una de los cientos de miles de millones de galaxias que pueblan el universo. Estadísticamente hablando, sería casi imposible que no existieran otros muchos planetas, en otros sistemas solares, ocupados por seres inteligentes similares o distintos a nosotros. El problema está en que podamos coincidir en el tiempo y en que podamos, de alguna manera, vencer las distancias que nos separan.

Hay que pensar en las especies que a lo largo de millones de años se han extinguidos en nuestro planeta. Hace ahora algo más de 65 millones de años que se extinguieron los dinosaurios, que reinaron en nuestro planeta durante 150 millones de años. Podemos decir entonces que nuestra especie es una recién llegada al planeta y, aunque es la primera (así parece ser) que tiene conciencia de ser y algo de “racionalidad”, no sabemos por cuánto tiempo estaremos aquí, si nos extinguiremos antes de tener la oportunidad o los medios de contactar con otras inteligencias, o si nuestra manera de ser no nos lleva a la autodestrucción. Pero somos jóvenes, nuestra presencia más rudimentaria en el planeta (el origen) data de sólo 3 millones de años.

De todas las maneras estamos obligados a continuar avanzando en el conocimiento del universo, de las fuerzas que lo rigen y de la materia y el espacio que lo conforma. En tal empresa están ocupados muchos equipos de científicos, son físicos y matemáticos, astrónomos y astrofísicos, cosmólogos y otros más que tratan de desvelar los secretos muy bien guardados de la naturaleza.

Antes de que Edison y sus colaboradores aprovecharan los descubrimientos de Faraday y las ecuaciones de Maxwell sobre la electricidad y el magnetismo, para explotarlos de manera práctica pasaron unos setenta años.

La civilización moderna depende crucialmente del aprovechamiento de esta fuerza. La fuerza nuclear fue descubierta casi con el cambio de siglo. Pasó todo el siglo XX y estamos en la primera década del XXI, han pasado 100 años y, sin embargo, todavía no tenemos medios de aprovecharla con éxito en reactores de fusión, la energía limpia que produce el Sol.

El próximo paso, el aprovechar la potencia de la teoría de campo unificado, requiere un salto mucho mayor en nuestra tecnología, aunque sea un salto que probablemente tendrá implicaciones muchísimo más importantes.

El problema reside en que obligamos a la teoría de supercuerdas a responder preguntas sobre energías cotidianas, cuando su “ámbito natural” está en la energía de Planck. Energía que sólo fue liberada en el propio instante de la creación. Es decir, la teoría de supercuerdas es una teoría de la propia creación, así nos puede explicar todas las partículas y la materia, las fuerzas fundamentales y el espacio-tiempo, es decir, es la teoría del propio universo.

Durante estos comentarios, frecuentemente he reseñado la palabra “espacio-tiempo” refiriéndome a una geometría que incluye las tres dimensiones espaciales y una cuarta dimensión temporal. En la física newtoniana, el espacio y el tiempo se consideraban como entidades separadas y el que los sucesos fueran simultáneos o no, era una materia que se consideraba como obvia para cualquier observador capacitado.

En el concepto de Einstein del universo físico, basado en el sistema de geometría inventada por H. Minkowski (1864 – 1909), el espacio y el tiempo estaban considerados como enlazados, de manera que dos observadores en movimiento relativo podían estar en desacuerdo sobre la simultaneidad de sucesos distantes. En la geometría de Minkowski (inspirada a partir de la teoría de la relatividad especial de Einstein), un suceso se consideraba como un punto de universo en un continuo de cuatro dimensiones.

Pero hablamos antes de las fuerzas que rigwen el Universo pero, ¿como era al principio?

Al principio, cuando el universo era simétrico, sólo existía una sola fuerza que unificaba a todas las que ahora conocemos, la gravedad, las fuerzas electromagnéticas y las nucleares débil y fuerte, todas emergían de aquel plasma opaco de alta energía que lo inundaba todo. Más tarde, cuando el universo comenzó a enfriarse, se hizo transparente y apareció la luz, las fuerzas se separaron en las cuatro conocidas, emergieron las primeras quarks para unirse y formar protones y neutrones, los primeros núcleos aparecieron para atraer a los electrones que formaron aquellos primeros átomos.  Doscientos millones de años más tarde, se formaron las primeras estrellas y galaxias. Con el paso del tiempo, las estrellas sintetizaron los elementos pesados de nuestros cuerpos, fabricados en supernovas que estallaron, incluso antes de que se formase el Sol. Podemos decir, sin temor a equivocarnos, que una supernova anónima explotó hace miles de millones de años y sembró la nube de gas que dio lugar a nuestro sistema solar, poniendo allí los materiales complejos y necesarios para que algunos miles de millones de años más tarde, tras la evolución, apareciéramos nosotros.

Las estrellas evolucionan desde que en su núcleo se comienza a fusionar hidrógeno en helio, de los elementos más ligeros a los más pesados.  Avanza creando en el horno termonuclear, cada vez, metales y elementos más pesados. Cuando llega al hierro y explosiona en la forma explosiva de  una supernova. Luego, cuando este material estelar es otra vez recogido en una nueva estrella rica en hidrógeno, al ser de segunda generación (como nuestro Sol), comienza de nuevo el proceso de fusión llevando consigo materiales complejos de aquella supernova.

Puesto que el peso promedio de los protones en los productos de fisión, como el cesio y el kriptón, es menor que el peso promedio de los protones de uranio, el exceso de masa se ha transformado en energía mediante E = mc². Esta es la fuente de energía que subyace en la bomba atómica.

Así pues, la curva de energía de enlace no sólo explica el nacimiento y muerte de las estrellas y la creación de elementos complejos que también hicieron posible que nosotros estemos ahora aquí y, muy posiblemente, será también el factor determinante para que, lejos de aquí, en otros sistemas solares a muchos años luz de distancia, puedan florecer otras especies inteligentes que, al igual que la especie humana, se pregunten por su origen y estudien los fenómenos de las fuerzas fundamentales del universo, los componentes de la materia y, como nosotros, se interesen por el destino que nos espera en el futuro.

Cuando alguien oye por vez primera la historia de la vida de las estrellas, generalmente (lo sé por experiencia), no dice nada, pero su rostro refleja escepticismo. ¿Cómo puede vivir una estrella 10.000 millones de años? Después de todo, nadie ha vivido tanto tiempo como para ser testigo de su evolución.

Sin embargo, tenemos los medios técnicos y científicos para saber la edad que tiene, por ejemplo, el Sol.

Nuestro Sol, la estrella alrededor de la que giran todos los planetas de nuestro Sistema Solar (hay que eliminar a Plutón de la lista, ya que en el último Congreso Internacional han decidido, después de más de 20 años, que no tiene categoría para ser un planeta), la estrella más cercana a la Tierra (150 millones de Km = UA), con un diámetro de 1.392.530 Km, tiene una edad de 4.500 millones de años.

Es tal su densidad, es tal su enormidad que, como se explicó en otro pasaje anterior de este mismo trabajo, cada segundo transforma por medio de fusión nuclear, 4.654.000 toneladas de hidrógeno en 4.650.000 toneladas de helio; las 4.000 toneladas restantes son lanzadas al espacio exterior en forma de luz y calor, de la que una parte nos llega a la Tierra y hace posible la vida. Se calcula que al Sol le queda material de fusión para otros 4.500 millones de años. Cuando transcurra dicho periodo de tiempo, se convertirá en una gigante roja, explotará como nova y se transformará finalmente en una estrella enana blanca. Para entonces, ya no podremos estar aquí.

Cuando mentalmente me sumerjo en las profundidades inmensas del universo que nos acoge, al ser consciente de su enormidad, veo con claridad meridiana lo insignificante que somos, en realidad, en relación al universo, Como una colonia de bacterias que habitan en una manzana, allí tienen su mundo, lo más importante para ellas, y no se paran a pensar que puede llegar un niño que, de un simple puntapié, las envíe al infierno.

Igualmente, nosotros nos creemos importantes dentro de nuestro cerrado y limitado mundo en el que, de momento, estamos confinados. Podemos decir que hemos dado los primeros pasos para dar el salto hacia otros mundos, pero aún nos queda un largo recorrido por delante.

Tendremos que dominar la energía del Sol, ser capaces de fabricar naves espaciales que sean impenetrables a las partículas que a cientos de miles de trillones circulan por el espacio a la velocidad de la luz, poder inventar una manera de imitar la gravedad terrestre dentro de las naves para poder hacer la vida diaria y cotidiana dentro de la nave sin estar flotando todo el tiempo y, desde luego, buscar un combustible que procure velocidades relativistas, cercanas a c, ya que de otra manera, el traslado por los mundos cercanos se haría interminable. Finalmente, y para escapar del sistema solar, habría que buscar la manera de romper la barrera de la velocidad de la luz.

 emilio silvera

* Cualquiera de las teorías cuánticas de campos creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y los potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuerte y débiles utilizan grupos no abelianos. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cronodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes y la teoría electro débil. En la gravedad cuántica, el grupo es mucho más complicado aún que los grupos gange.

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