Marie Curie y Pierre Curie 

El 18 de julio de 1898, en la Escuela de Física y Química de París, Pierre Curie, y su esposa, Marie, presentaron una importante Memoria en la Academia francesa de Ciencias. En ella recogieron especialmente las experiencias de Marie, que en su tesis doctoral estudiaba específicamente los llamados “rayos de Becquerel” (radiaciones de naturaleza desconocida, emitidas espontáneamente por algunos metales como el uranio). Esta investigación dio pie al descubrimiento de un metal desconocido, al que decidieron llamar “polonio”, basándose en el nombre del país de origen de Marie.

Marie Curie. Foto: Henri Manuel

En el campo teórico, los progresos en el estudio de la radiactividad, conseguidos gracias al talento y a los esfuerzos de Henri Becquerel y del matrimonio Curie, hicieron posibles los trabajos posteriores de Rutherford, Geiger, Soddy y Villardy para identificar las radiaciones alfa, beta y gamma producidas espontáneamente en los cuerpos radiactivos; y muy pronto la concepción de los modelos atómicos, las teorías atómicas de De Broglie y Schrodinger y la decisiva fisión del núcleo del uranio por Otto Hahn y Fritz Strassman en el año 1939.

En realidad, los químicos descubrieron que aunque las sustancias diferían entre sí por su radiactividad, algunas tenían propiedades químicas idénticas. Por ejemplo, ya en 1.907 los químicos americanos Herbert Newby McCoy y W. H. Ross descubrieron que el radio-torio (uno entre los varios productos de la desintegración del torio) mostraba el mismo comportamiento químico que el torio, y el radio D, el mismo que el plomo, tanto que a veces era llamado radio-plomo. De todo lo cual se infirió que tales sustancias eran en realidad variedades de mismo elemento: el radio-torio, una forma de torio; el radioplomo, un miembro de una familia de plomos; y así sucesivamente.

Torio

En 1.913, Soddy esclareció esta idea y le dio más amplitud. Demostró que cuando un átomo emitía una partícula alfa, se transformaba en un elemento que ocupaba dos lugares más abajo en la lista de elementos, y que cuando emitía una partícula beta, ocupaba, después de su transformación, el lugar inmediatamente superior. Con arreglo a tal norma, el radiotorio descendía en la tabla hasta el lugar del torio, y lo mismo ocurría con las sustancias denominadas uranio X y uranio Y, es decir, que los tres serían variedades del elemento 90. Así mismo, el radio D, el radio B, el torio B y el actinio B compartirían el lugar del plomo como variedades del elemento 82.

Soddy dio el nombre de isótopos (del griego iso y topos, “el mismo lugar”) a todos los miembros de una familia de sustancias que ocupaban el mismo lugar en la tabla periódica. En 1.921 se le concedió el premio Nobel de Química.

El modelo protón-electrón del núcleo concordó perfectamente con la teoría de Soddy sobre los isótopos. Al retirar una partícula alfa de un núcleo, se reducía en dos unidades la carga positiva de dicho núcleo, exactamente lo que necesitaba para bajar dos lugares en la tabla periódica. Por otra parte, cuando el núcleo expulsaba un electrón (partícula beta), quedaba sin neutralizar un protón adicional, y ello incrementaba en una unidad la carga positiva del núcleo, lo cual era como agregar una unidad al número atómico, y por tanto, el elemento pasaba a ocupar la posición inmediatamente superior en la tabla periódica de los elementos. ¡Maravilloso!

Desintegración Alfa y desintegración Beta

¿Cómo se explica que cuando el torio se descompone en radio-torio después de sufrir no una, sino tres desintegraciones, el producto siga siendo torio? Pues bien, en este proceso el átomo de torio pierde una partícula alfa, luego una partícula beta, y más tarde una segunda partícula beta. Si aceptamos la teoría sobre el bloque constitutivo de los protones, ello significa que el átomo ha perdido cuatro electrones (dos de ellos contenidos presuntamente en la partícula alfa) y cuatro protones. (La situación actual difiere bastante de este cuadro, aunque en cierto modo, esto no afecta al resultado).

El núcleo de torio constaba inicialmente (según se suponía) de 232 protones y 142 electrones. Al haber perdido cuatro protones y otros cuatro electrones, quedaba reducido a 228 protones y 138 electrones. No obstante, conservaba todavía el número atómico 90, es decir, el mismo de antes.

Así pues, el radio-torio, a semejanza del torio, posee 90 electrones planetarios, que giran alrededor del núcleo. Puesto que las propiedades químicas de un átomo están sujetas al número de sus electrones planetarios, el torio y el radio-torio tienen el mismo comportamiento químico, sea cual fuere su diferencia en peso atómico (232 y 228 respectivamente).

Geoquímica isotópica del plomo

Los isótopos de un elemento se identifican por su peso atómico, o número másico. Así, el torio corriente se denomina torio 232, y el radiotorio, torio 228. Los isótopos radiactivos del plomo se distinguen también por estas denominaciones: plomo 210 (radio D), plomo 214 (radio B), plomo 212 (torio B) y plomo 211 (actinio B).

Se descubrió que la noción de isótopo podía aplicarse indistintamente tanto a los elementos estables como a los radiactivos. Por ejemplo, se comprobó que las tres series radiactivas anteriormente mencionadas terminaban en tres formas distintas de plomo. La serie del uranio acababa en plomo 206, la del torio en plomo 208 y la del actinio en plomo 207. cada uno de estos era un isótopo estable y corriente del plomo, pero los tres plomos diferían por su peso atómico.

Mediante un dispositivo inventado por cierto ayudante de J. J. Thomson, llamado Francis William Aston, se demostró la existencia de los isótopos estables. En 1.919, Thomson, empleando la versión primitiva de aquel artilugio, demostró que el neón estaba constituido por dos variedades de átomos: una cuyo número de masa era 20, y otra con 22. El neón 20 era el isótopo común; el neón 22 lo acompañaba en la proporción de un átomo cada diez. Más tarde se descubrió un tercer isótopo, el neón 21, cuyo porcentaje en el neón atmosférico era de un átomo por cada 400.

Entonces fue posible, al fin, razonar el peso atómico fraccionario de los elementos. El peso atómico del neón (20, 183) representaba el peso conjunto de los tres isótopos, de pesos diferentes, que integraban el elemento en su estado natural. Cada átomo individual tenía un número másico entero, pero el promedio de sus masas (el peso atómico) era un número fraccionario.

Aston procedió a mostrar que varios elementos estables comunes eran, en realidad, mezclas de isótopos. Descubrió que el cloro, con un peso atómico fraccionario de 35’453, estaba constituido por el cloro 35 y el cloro 37, en la proporción de cuatro a uno. En 1.922 se le otorgó el premio Nobel de Química.

En el discurso pronunciado al recibir el premio, Aston predijo la posibilidad de aprovechar la energía almacenada en el núcleo atómico, vislumbrando ya las futuras y nefastas bombas y centrales nucleares. Allá por 1.935, el físico canadiense Arthur Jeffrey Dempster empleó el instrumento de Aston para avanzar sensiblemente en esa dirección; demostró que 993 de cada 1.000 átomos de uranio eran de uranio 238 (no válido para combustible nuclear). Y muy pronto se haría evidente el profundo significado de tal descubrimiento.

Así, después de estar siguiendo huellas falsas durante un siglo, se reivindicó definitivamente la teoría de Prout. Los elementos estaban constituidos por bloques estructurales uniformes; si no átomos de hidrógeno, sí, por lo menos, unidades con masa de hidrógeno.

¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

              Rutherford

Ha pasado mucho tiempo desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa). El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyen para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo actual; los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus diferentes niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los gluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte. Pero, ¿Qué habrá más allá de los quarks?, ¿las supercuerdas vibrantes? Algún día se sabrá.

Emilio Silvera V.

[?]

La longitud de Planck es la escala de longitud más pequeña posible en el universo, aproximadamente 1.616×10^-35metros. Se calcula a partir de constantes físicas fundamentales: la velocidad de la luz (c),  la constante gravitacional ( G),  y la constante de Planck reducida ( ℏ) . A esta escala, las teorías de la física clásica, como la relatividad general y la mecánica cuántica, ya no se aplican y son dominantes los efectos cuánticos. 

Es fácil caer en la tentación de mirarnos el ombligo y no hacerlo al entorno que nos rodea. Muchas más cosas habríamos evitado y habríamos descubierto si por una sola vez hubiésemos dejado el ego a un lado y, en lugar de estar pendientes de nosotros mismos, lo hubiéramos hecho con respecto a la naturaleza que, en definitiva, es la que nos enseña el camino a seguir.

La edad actual del universo visible ≈ 10⁶⁰ tiempos de Planck.

Tamaño actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ longitudes de Planck.

La masa actual del Universo visible ≈ 10⁶⁰ masas de Planck.

Vemos así que la bajísima densidad de materia en el universo es un reflejo del hecho de que:

Densidad actual del universo visible ≈10^-120 de la densidad de Planck.

Y la temperatura del espacio, a 3 grados sobre el cero absoluto es, por tanto:

Temperatura actual del Universo visible ≈ 10^-30 de la Planck.

Estos números extraordinariamente grandes y estas fracciones extraordinariamente pequeñas nos muestran inmediatamente que el universo está estructurado en una escala sobrehumana de proporciones asombrosas cuando la sopesamos en los balances de su propia construcción.

Con respecto a sus propios patrones, el universo es viejo. El tiempo de vida natural de un mundo gobernado por la gravedad, la relatividad y la mecánica cuántica es el fugaz breve tiempo de Planck. Parece que es mucho más viejo de lo que debería ser.

Pero, pese a la enorme edad del universo en “tics” de Tiempo de Planck,  hemos aprendido que casi todo este tiempo es necesario para producir estrellas y los elementos químicos que traen la vida.

“En el final del universo uno tiene que utilizar mucho el tiempo pretérito…  todo ha sido hecho, ¿sabes?”.

Douglas Adams.

¿Por qué nuestro universo no es mucho más viejo de lo que parece ser? Es fácil entender por qué el universo no es mucho más joven. Las estrellas tardan mucho tiempo en formarse y producir elementos más pesados que son las que requiere la complejidad biológica. Pero los universos viejos también tienen sus problemas. Conforme pasa el tiempo en el universo el proceso de formación de estrellas se frena. Todo el gas y el polvo cósmico que constituyen las materias primas de las estrellas habrían sido procesados por las estrellas y lanzados al espacio intergaláctico donde no pueden enfriarse y fundirse en nuevas estrellas. Pocas estrellas hacen que, a su vez, también sean pocos los sistemas solares y los planetas. Los planetas que se forman son menos activos que los que se formaron antes, la entropía va debilitando la energía del sistema para realizar trabajo. La producción de elementos radiactivos en las estrellas disminuirá, y los que se formen tendrán semividas más largas. Los nuevos planetas serán menos activos geológicamente y carecerán de muchos de los movimientos internos que impulsan el vulcanismo, la deriva continental y la elevación de las montañas en el planeta. Si esto también hace menos probable la presencia de un campo magnético en un planeta, entonces será muy poco probable que la vida evolucione hasta formas complejas.

Las estrellas típicas como el Sol, emiten desde su superficie un viento de partículas cargadas eléctricamente que barre las atmósferas de los planetas en órbitas a su alrededor y, a menos que el viento pueda ser desviado por un campo magnético, los posibles habitantes de ese planeta lo podrían tener complicado soportando tal lluvia de radiactividad. En nuestro sistema solar el campo magnético de la Tierra ha protegido su atmósfera del viento solar, pero Marte, que no está protegido por ningún campo magnético, perdió su atmósfera hace tiempo.

                                        Estamos en un Universo dinámico, nada permanece y todo cambia

Probablemente no es fácil mantener una larga vida en un planeta del Sistema solar. Poco a poco hemos llegado a apreciar cuán precaria es. Dejando a un lado los intentos que siguen realizando los seres vivos de extinguirse a sí mismos, agotar los recursos naturales, propagar infecciones letales y venenos mortales y emponzoñar la atmósfera, también existen serias amenazas exteriores.

Los movimientos de cometas y asteroides, a pesar de tener la defensa de Júpiter, son una seria y cierta amenaza para el desarrollo y persistencia de vida inteligente en las primeras etapas. Los impactos no han sido infrecuentes en el pasado lejano de la Tierra, habiendo tenido efectos catastróficos.  Somos afortunados al tener la protección de la Luna y de la enorme masa de Júpiter que atrae hacia sí los cuerpos que llegan desde el exterior desviándolos de su probable trayectoria hacia nuestro planeta.

La caída en el planeta de uno de estos enormes pedruscos podría producir extinciones globales y retrasar en millones de años la evolución que tantos miles de millones de años le costó al Universo para poder plasmarla en una realidad que llamamos vida.

El secreto reside en el tiempo biológico necesario para desarrollar la vida y el tiempo necesario para desarrollar estrellas de segunda generación y siguientes que en novas y supernovas cristalicen los materiales complejos necesarios para la vida, tales como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono, etc.

Parece que la similitud en los “tiempos” no es una simple coincidencia.  El argumento, en su forma más simple, lo introdujo Brandon Carter y lo desarrolló John D. Barrow por un lado y por Frank Tipler por otro. Al menos, en el primer sistema solar habitado observado, ¡el nuestro!, parece que sí hay alguna relación entre t(bio) y t(estrella) que son aproximadamente iguales; el t(bio) – tiempo biológico para la aparición de la vida – algo más extenso.

La evolución de una atmósfera planetaria que sustente la vida requiere una fase inicial durante la cual el oxígeno es liberado por la foto-disociación de vapor de agua. En la Tierra esto necesitó 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosférico a aproximadamente una milésima de su valor actual.  Cabría esperar que la longitud de esta fase fuera inversamente proporcional a la intensidad de la radiación en el intervalo de longitudes de onda del orden de 1000-2000 ángstroms, donde están los niveles moleculares clave para la absorción de agua.

Este simple modelo indica la ruta que vincula las escalas del tiempo bioquímico de evolución de la vida y la del tiempo astrofísico que determina el tiempo requerido para crear un ambiente sustentado por una estrella estable que consume hidrógeno en la secuencia principal y envía luz y calor a los planetas del Sistema Solar que ella misma forma como objeto principal.

                      Lejos aún en el futuro, un día veremos de cerca otros mundos y otras formas de vida

Tras muchos años tratando de dar respuesta a estas preguntas, los científicos han llegado a la conclusión de que la vida no es un suceso exclusivo de la Tierra, sino que debe ser un fenómeno normal en el cosmos y que, por lo tanto, tienen que indagar sobre su extensión y sus posibles manifestaciones.

A muchos les cuesta trabajo admitir la presencia de vida en el universo como algo natural y corriente, ellos abogan por la inevitabilidad de un universo grande y frío en el que es difícil la aparición de la vida, y en el supuesto de que ésta aparezca, será muy parecida a la nuestra.

¿Vida basada en el Silicio?

¡Mentira! ¡Hace unos años se encontraron bacterias que están basadas en el arsénico!

“No, voz cursiva, pese a lo que afirmaran algunos titulares, lo que se creía haber descubierto eran bacterias que usaban arsénico en su ADN en lugar de fósforo. El estudio se refutó hace tiempo pero, de todas maneras, incluso aunque realmente hubieran sido capaces de sustituir el arsénico de su ADN por fósforo, el código genético de estas bacterias seguiría estando formado por moléculas organizadas en torno a átomos de carbono, con el arsénico como «complemento».”

Aunque no podemos negarlo… ¡Nos cuesta admitirlo! ¿No es el Universo igual en todas partes?

Sabemos que todas las formas de vida que pueblan la Tierra (al menos hasta donde podemos saber), están basadas en el Carbono. Si el Universo es igual en todas partes (que lo es), ya que, en todas sus regiones y galaxias, por muy lejos que estén, rigen las mismas leyes y las mismas constantes. Y, siendo así, lo que ha pasado en la Tierra, en las mismas condiciones habrá pasado en otros miles de millones de planetas que, como nuestro mundo, estarán llenos de Vida.

Los biólogos, sin embargo, parecen admitir sin problemas la posibilidad de otras formas de vida, pero no están tan seguros de que sea probable que se desarrollen espontáneamente, sin un empujón de formas de vida basadas en el carbono. La mayoría de las estimaciones de la probabilidad de que haya inteligencias extraterrestres en el universo se centran en formas de vida similares a nosotros que habiten en planetas parecidos a la Tierra y que necesiten agua y oxígeno o similar con una atmósfera gaseosa y las demás condiciones de la distancia entre el planeta y su estrella, la radiación recibida, etc. En este punto, parece lógico recordar que antes de 1.957 se descubrió la coincidencia entre los valores de las constantes de la Naturaleza que tienen importantes consecuencias para la posible existencia de carbono y oxígeno, y con ello para la vida en el universo.

Emilio Silvera Vázquez

[?]

Poco a poco vamos conociendo más de esta máquina compleja que llevamos con nosotros: ¡El Cerebro!

Algo va sabiendo la Neurociencia (Santiago Ramón y Cajal), desde aquellos primeros estudios se han realizado grandes avances en ese inmenso secreto que es el Cerebro Humano.

Se suele decir que nuestro cerebro es la “máquina” más compleja del Universo, y, debe ser verdad, ni nosotros mismos, que lo llevamos con nosotros, lo podemos comprender. Un conjunto de materia viva de la que surgen los pensamientos, las ideas complejas y, sobre todo, los Sentimientos.

Veamos que nos dice el conferenciante.

Emilio Silvera V.

[?]

 A veces respecto a cualquier cosa, parece que nuestra Mente está metida en un mar de niebla que impide “ver”. En ese caso, si se tiene la posibilidad de preguntar al científico que sí ha sabido “ver (entender), es la salida más fácil para solucionar el problema, el nos explicará lo que no entendemos.

Hace unos años, y, con motivo del Año Internacional de la Astronomía, salió aquí el anuncio siguiente:

“Dentro de las actividades del Año Internacional de la Astronomía. En España (AIA-IYA2009), pondremos en marcha una nueva Sección que estará centrada en contestar a todas aquellas preguntas que nos sean formuladas sobre el Universo.

Como comprenderán, se darán respuestas concretas, claras y sencilla, fáciles de entender, y, sin limitación de ninguna clase, se dará respuesta a todo lo que el público quiera saber, como por ejemplo:

• ¿Qué es una Nebulosa? ¿Cómo se forma?
• ¿Qué es una estrella supermasiva?
• – ¿En qué se convierte cuando agota su combustible nuclear?
• – ¿Qué es un Cuásar?
• – – ¿Qué es la materia cósmica?
• – – ¿Qué es la radiación de fondo?
• – ¿Cuántas clases de estrellas pueden existir?
• – ¿Cuánto puede pesar 1 cm³  del material de una estrella de Neutrones?
• – ¿Existen universos paralelos?
• Y, cualquier otra pregunta relacionada con el Universo.

Sí, todo gira en nuestro Universo

Y, de esta manera, podrán, al fin, conocer aquellas cuestiones del Universo que siempre quisieron saber y que, por una u otra cuestión, nadie les explicó.

Pensad en ello y, por favor, podéis ir pensando en la pregunta que os gustaría plantear.

¿Qué pregunta se te ocurre?.”

Os recuerdo que sigue en vigor.

Emilio Silvera V.

[?]

Los físicos nos cuentan cada cosa que… ¿Serán ciertas? Creo que a veces, se dejan llevar y fantasean. ¡Agujeros de Gusano! ¿Dónde? ¿Cómo? Si realmente están ahí ¿Los podremos manejar a muestro antojo?

Decir que por fin, los científicos han descubierto un Agujero de Gusano… Es al menos arriesgado, ¿Quién ha estado allí comprobando su eficacia? ¿Cómo se mantienen abiertas las “bocas” de ambos lados. ¿Es posible que sea transitable y nos lleve a regiones lejanas en poco tiempo?

 

El Puente de Einstein-Rosen es una estructura hipotética que llaman Agujero de Gusano, que actúa como un “atajo” a través del cual se atraviesa el Espacio-Tiempo entre regiones muy distantes del universo, y ya puestos a fantasear, incluso conectaría dos universos distintos.

Las matemáticas de la Relatividad General de Einstein t Rosen lo permite. Funcionaría como un túnel por el que se podría “burlar” (que no vencer) a la velocidad de la luz, facilitando el viaje a distancias cósmicas de manera casi instantánea,  aunque teóricamente serían inestables y requerirían materia exótica para mantenerse abiertos, siendo un concepto popularizado por la ciencia ficción.

Concepto Clave

• Atajo Cósmico: Imagina el espacio-tiempo como una hoja de papel. En lugar de viajar de un punto A a un punto B en la superficie, un puente de Einstein-Rosen dobla el papel y crea un túnel entre ellos, acortando drásticamente el viaje.
• Conexión Agujero Negro-Agujero Blanco: Originalmente, se propuso como una conexión entre un agujero negro (que absorbe) y un agujero blanco (que expulsa materia).
• Solución Matemática: Son soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein, no objetos observados directamente, aunque se investiga su posible existencia.

 

Desafíos y Realidad

• Inestabilidad: Los puentes de Einstein-Rosen teóricos colapsarían instantáneamente.
• Materia Exótica: Para mantenerlos abiertos y estables, se necesitaría “materia exótica” con energía negativa, algo que no se ha detectado.
• Ciencia Ficción: Han capturado la imaginación popular, sirviendo como un concepto central en películas y libros para viajes ultrarrápidos.

En resumen, es un concepto teórico fascinante que explora los límites del espacio-tiempo, ofreciendo una posible vía para viajes interestelares, aunque sigue siendo puramente especulativo. Lo que nos pasa a los humanos, desde siempre, es que, cuando no podemos encontrar una explicación, o, una solución a un problema planteado… ¡Especulamos y Teorizamos!

Vera Rubin descubrió que las estrellas se mueven más rápido en los bordes de las galaxias y eso “ayudó” para el desarrollo de la teoría de la materia oscura. Una materia que nadie ha podido ver, que no se sabe de qué partículas estaría conformada, o, por qué no la podemos ver, y como genera Gravedad pero no emite radiación.

Martinus J.G. Veltman

Como he referido otras veces, el Premio Nobel que arriba se muestra, en relación a este enigma decía:

“La materia oscura es la alfombra, bajo la cual, los cosmólogos barren su ignorancia.”

Así las cosas y si nos retrotraemos en el tiempo, podemos comprobar que, desde siempre, nos ha gustado conjeturar y, a base de repetir muchas veces la misma mentira, nos llegamos a creer que es una verdad,

Agujeros de Gusano, materia oscura, Gravedad cuántica, Teoría del Todo, Las cuerdas vibrantes en once dimensiones…

¿Dónde? Pero eso sí, no podemos negar que imaginación no nos falta.

Emilio Silvera V.

[?]