Constantes Universales
Está muy claro que, nuestro mundo es como es, debido a una serie de parámetros que, poco a poco, hemos ido identificando y hemos denominado Constantes de la naturaleza. Esta colección de números misteriosos son los culpables, los responsables, de que nuestro Universo sea tal como lo conocemos que, a pesar de la concatenación de movimientos caóticamente impredecibles de los átomos y las moléculas, nuestra experiencia es la de un mundo estable y que posee una profunda consistencia y continuidad.
Sí, nosotros también hemos llegado a saber que con el paso del tiempo, aumenta la entropía y las cosas cambian. Sin embargo, algunas cosas no cambian, continúan siempre igual, sin que nada les afecte. Esas, precisamente, son las constantes de la naturaleza que, desde mediados del siglo XIX, comenzó a llamar la atención de físicos como George Johnstone Stoney (1826-1911, Irlanda).
Stoney identificó las unidades naturales de las cantidades físicas.
Parece, según todas las trazas, que el Universo, nuestro Universo, alberga la vida inteligente porque las constantes de la naturaleza son las que aquí están presentes, cualquier ligera variación en alguna de éstas constantes habría impedido que surgiera la vida en el planeta que habitamos. El Universo con las constantes ligeramente diferentes habría nacido muerto, no se hubieran formado las estrellas ni se habrían unido los quarks para construir nucleones (protones y neutrones) que formarán los núcleos que al ser rodeado por los electrones construyeron los átomos que se juntaron para formar las células que unidas dieron lugar a la materia. Esos Universos con las constantes de la naturaleza distintas a las nuestras, estarían privados del potencial y de los elementos necesarios para desarrollar y sostener el tipo de complejidad organizada que nosotros llamamos vida.
El electrón tiene una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y una masa de 9,1 × 10-31 kg , que es aproximadamente 1.800 veces menor que la masa del protón o a la del neutrón. El electrón es una partícula elemental (o al menos eso pensamos hoy en día), lo cual significa que no posee ningún tipo de subestructura.
La constante de gravitación universal (G) es una constante física obtenida de forma empírica, que determina la intensidad de la fuerza de atracción gravitatoria de los cuerpos.
La
constante de Planck es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, el físico y matemático alemán Max Planck, uno de los padres de la teoría cuántica. Se denota como
h, y, se define como el cuanto de acción.
La expresión que la define y el valor recomendado por CODATA 2002 es:
Nadie ha sabido responder a la pregunta de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes o llegará un momento en que comience su transformación. Hay que tener en cuenta que para nosotros, la escala del tiempo que podríamos considerar muy grande, en la escala de Tiempo del Universo podría ser ínfima. El Universo, por lo que sabemos, tiene 13.500 millones de años. Antes que nosotros, el reinado sobre el planeta correspondía a los Dinosaurios, amos y señores durante150 millones de años, hace ahora de ello 65 millones de años. Mucho después, hace apenas 2 millones de años, aparecieron nuestros antepasados directos que, después de una serie de cambios evolutivos desembocó en lo que somos hoy.
Todo ello pudo suceder como consecuencia de que, 200 millones de años después del Big Bang se formaron las primeras estrellas que, a su vez, dieron lugar a las primeras galaxias.
El material primario del Universo fue el hidrógeno, el más sencillo y simple de los elementos que componen la tabla periódica. Hoy día, 13.500 millones de años después, continúa siendo el material más abundante del Universo junto al Helio.
Para hacer posible el resurgir de la vida, hacían falta materiales mucho más complejos que el Hidrógeno, este era demasiado simple y había que fabricar otros materiales que, como el carbono, el hidrógeno pesado, el Nitrógeno, Oxigeno, etc., hicieran posible las combinaciones necesarias de materiales diferentes y complejos que, al ser bombardeados por radiación ultravioleta y rayos gammas provenientes del espacio, diera lugar a la primera célula orgánica que sería la semilla de la vida.
¿Quién, entonces, fabricó esos materiales complejos si en el Universo no había nadie?
Buena pregunta. Para contestar tengo que exponer aquí algunas características de lo que es una estrella, de cómo se puede formar, como puede ser, y cuál será su destino final. Veamos:
Lo que conocemos como estrella es una bola de gas luminosa que, durante una etapa de su vida, produce energía por a fusión nuclear del Hidrógeno en Helio. El término estrella, por tanto, no solo incluye estrellas como el Sol, que están en la actualidad quemando hidrógeno, sino también protoestrellas, aún en formación y no lo suficientemente calientes como para que dicha combustión nuclear haya comenzado, y también varios tipos de objetos más evolucionados como estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustible nuclear gastado.
Las estrellas se forman a partir de enormes nubes de gas y polvo que a veces tienen hasta años-luz de diámetro. Las moléculas de polvo, unidas a las de los gases, se rozan y se ionizan, se calientan y, la nube comienzo a girar lentamente. El enorme conglomerado, poco a poco se va juntando y la temperatura aumenta. Tal enormidad de materia crea una fuerza gravitatoria que hace contraerse la nube sobre sí misma, su diámetro, y, su temperatura en el núcleo es tal que, se produce la fusión de los protones de Hidrógeno que se transforman en un material más complejo, el Helio, y ese es el momento en que nace la estrella que, a partir de ahí, puede estar miles de millones de años brillando y produciendo energía termonuclear.
¿CUÁL ES LA MASA MÁXIMA DE UNA ESTRELLA?
“En una noticia reciente, publicada en la página web de la ESO, se muestra la masa determinada de una estrella que supera el límite anterior (150 masas solares) por un factor de 2, usando una combinación de datos obtenidos en el observatorio Paranal y con el telescopio espacial Hubble. Se trata de la estrella R136a1 en el centro de la nebulosa “Tarántula” en la Gran Nube de Magallanes. Esto es muy interesante, porque hasta ahora se creyó que cualquier estrella mayor que 150 masas solares se desintegra por el efecto de la presión de radiación que supera a la gravedad. En realidad, también R136a1 está desintegrándose, teniendo ahora “sólo” 260 masas solares, después de una vida corta de 1,5 millones de años. Pero los autores calculan que reunió, cuándo nació, un total de 320 masas solares.”
Eta Carinae que tiene masa de entre 120 y 150 masas solares, Su propia radiación la hace expulsar material al Espacio Interestelar para no ser destruida por su propia radiación.
La masa máxima de las estrellas puede rondar las 120 masas solares, es decir, ser 120 veces mayor que nuestro Sol, y por encima de éste límite, sería destruida por la enorme potencia de su propia radiación. La masa mínima para poder ser una estrella se fija en 0’08 masas solares; por debajo de ella, los objetos no serían lo suficientemente calientes en sus núcleos como para que comience la combustión del hidrógeno, y se convertirían en enanas marrones. Las luminosidades de las estrellas varían desde alrededor de medio millón de veces la luminosidad del Sol para las más calientes hasta menos de la milésima de la del Sol para las enanas más débiles. Aunque las estrellas más prominentes visibles a simple vista son más luminosas que el Sol, la mayoría de las estrellas son en realidad más débiles que éste y, por tanto, imperceptibles a simple vista.
EL BRILLO DE LAS ESTRELLAS
La astronomía tiene un problema: los objetos que se desean investigar no son directamente tangibles, como en el caso de los objetos en física, química o biología. Como resultado, la medición de estrellas no es tan fácil como determinar el peso de un cuerpo o el contenido de un líquido. Definitivamente, el brillo de una estrella suena, y en realidad es, mucho más complicado.
- EL BRILLO DE LAS ESTRELLAS
La astronomía tiene un problema: los objetos que se desean investigar no son directamente tangibles, como en el caso de los objetos en física, química o biología. Como resultado, la medición de estrellas no es tan fácil como determinar el peso de un cuerpo o el contenido de un líquido. Definitivamente, el brillo de una estrella suena, y en realidad es, mucho más complicado.
La fotometría juega un papel importante. El brillo de una estrella está indicado por categorías de tamaño. Similar a un identificador de temperatura, hay un cero (0) con valores positivos y negativos. La unidad en la cual se miden esos números, se llama magnitud (mag o m).
EL BRILLO DE LAS ESTRELLAS
La astronomía tiene un problema: los objetos que se desean investigar no son directamente tangibles, como en el caso de los objetos en física, química o biología. Como resultado, la medición de estrellas no es tan fácil como determinar el peso de un cuerpo o el contenido de un líquido. Definitivamente, el brillo de una estrella suena, y en realidad es, mucho más complicado.
La fotometría juega un papel importante. El brillo de una estrella está indicado por categorías de tamaño. Similar a un identificador de temperatura, hay un cero (0) con valores positivos y negativos. La unidad en la cual se miden esos números, se llama magnitud (mag o m).
Cuando observamos el cielo por la noche, el brillo de las estrellas no es el mismo. Lo que vemos es su brillo aparente.
Como he dicho antes, el brillo de las estrellas (la luz y el calor) es el resultado de la conversión de masa en energía (E=mc2) por medio de reacciones nucleares, las enormes temperaturas de millones de grados de su núcleo, hace posible que los protones de los átomos del Hidrógeno se fusionen y se conviertan en átomos de helio. Por cada kilogramo de hidrógeno quemado de esta manera, se convierten en energía aproximadamente siete gramos de masa.
De acuerdo con la famosa ecuación de Einstein (E = mc2 ) se produce la conversión de masa en energía. Las reacciones nucleares no solo aportan la luz y el calor de las estrellas, sino que también producen elementos pesados, más complejos que el hidrógeno y el helio que, posteriormente, son distribuidos por el Universo, cuando al final de la estrella, esta explota en súper NOVA, lanzando sus capas exteriores al espacio que de esta forma, deja “sembrado” de estos materiales el “vació” estelar.
Las estrellas pueden clasificarse de muchas maneras. Una manera es mediante su etapa evolutiva: en presecuencia principal, secuencia principal*, gigante, supergigante, enana blanca, estrella de neutrones y Agujeros negros. Estas últimas son la consecuencia del final de sus vidas como tales estrellas, convirtiéndose en objetos estelares de una u otra clase en función de sus masas originales. Estrellas como nuestro Sol, al agotar el combustible nuclear se transforman en gigantes rojas, explotan en Novas y finalmente quedan como enanas blancas. Si la masa es mayor serán estrellas de neutrones, y, si aún son mayores, su final está en Agujeros Negros.
Otra clasificación es a partir de sus espectros, que indican su temperatura superficial. Otra manera es en Poblaciones I, II y III, que engloban estrellas con abundancias progresivamente menores de elementos pesados, indicando paulatinamente una mayor edad. También evolución estelar y magnitudes aparentes y absolutas y el tipo espectral con la distancia en a.L., es otra de las clasificaciones.
Después de estas clasificaciones genéricas tenemos otras mas particulares y definidas referidas a estrellas binarias, estrellas capullo, con baja velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de alta velocidad, de baja luminosidad, de baja masa, de bario, de bariones, de campo, de carbono, de circonio, de estroncio, de helio, estrella de la población I extrema, de la población intermedia, de la rama gigante asintótica, estrella de litio, de manganeso, de manganeso-mercurio y, viceversa, estrella de metales pesados, de neutrones*, estrellas de quarks (Hipotética con densidad intermedia entre la estrella de neutrones y el agujero negro), estrella de referencia, de silicio, de tecnecio, de tiempo intermedio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del polo, estrella doble, estrella enana, estándar, evolucionada, etc.
La variedad de estrellas es grande y para los estudiosos fascinantes. Tal diversidad es debida a la evolución que desde su formación tiene cada tipo de estrella en función de su masa y de los gases y polvo cósmico que la forman y los que se crean en su núcleo (horno solar) a miles y millones de grados de temperatura capaces de transformar materiales simples como el hidrógeno hacia una gama más compleja y pesada que, finalmente, mediante la explosión de supernova (más temperatura), arroja al espacio materiales que, a su vez, forman nuevas estrellas de 2ª y 3ª generación con materiales complejos. La vida es nuestro planeta, pudo surgir gracias a que en la Tierra había abundancia de estos materiales creados en las estrellas, podemos decir, sin temor a equivocarnos que, nosotros mismos estamos hecho del material creado en las estrellas lejanas que, posiblemente, hace miles de millones de años explotó en súper-novas a millones de a.l de nuestro Sistema Solar.
Pero retomando el tema central de éste primer capítulo, las constantes fundamentales de la naturaleza, tenemos que decir que, precisamente, éstas constantes son las culpables, o mejor, tienen el mérito de que las estrellas brillen en las Galaxias y de que nosotros estemos aquí para mirar a los cielos y contemplar su belleza.
Al principio, mencioné a George J. Stoney, el físico irlandés y pensador excéntrico y original al que, en realidad, debemos la forma de deducir si otros planetas del sistema solar poseían o no una atmósfera gaseosa, como la Tierra, calculando si su gravedad superficial era suficientemente intensa para mantener esa atmósfera.
Pero su pasión real estaba reservada a su idea más preciada: el “electrón”. Stoney había deducido que debía existir un componente básico de carga eléctrica. Estudiando los experimentos de Michael Faraday sobre electrolisis, Stoney había predicho incluso cuál debía ser su valor, una predicción posteriormente confirmada por J.I.Thomson, descubridor del electrón en Cambridge en 1.897, dándole la razón a Stoney que finalmente, a ésta unidad básica de la electricidad, le dio el nombre de electrón con el símbolo e en 1.891 (antes de su descubrimiento).
Casa familiar de Stoney
Círculo familiar
Stoney, primo lejano, y, más viejo, del famoso matemático, científico de computación y criptógrafo Alan Turing, también era tío de George Fitzgerald-Lorentz”, un fenómeno que fue entendido finalmente en el contexto de la teoría de la relatividad especial de Einstein.
Stoney, podemos decir con seguridad, fue el primer que señaló el camino para encontrar lo que más tarde conoceríamos como constantes fundamentales, esos parámetros de la física que son invariantes, aunque su entorno se transforme, ellas, las constantes, continúan inalterables, como sucede, por ejemplo, con la velocidad de la luz c, que sea medida en la manera que sea, esté en reposo o esté en movimiento quien la mide o la fuente de donde parte, su velocidad será siempre la misma, 299.792.458 m/s. Algo análogo ocurre con la Gravedad, G, que en todas partes mide el mismo parámetro. Es la fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado de la distancia de acuerdo a la ley de la inversa del cuadrado.
Profesor de filosofía natural (así llamaban antes de la Física) en el Queen’s Collegue Galway en 1860, tras su retiro se trasladó a Hornsey, al norte de Londres, y continuó publicando un flujo de artículos en la revista científica de la Royal Dublín Society, siendo difícil encontrar alguna cuestión sobre la que no haya un artículo firmado por él.
Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que el mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica. Pensando en que tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas distancias o algún fenómeno: Se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos. Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.
En tal situación, Stoney centró su trabajo en unidades naturales que transcienden los patrones humanos, así que trabajó en la unidad de carga electrónica (según su concepto), inspirado en los trabajos de Faraday como hemos comentado antes. También, como unidades naturales escogió G y C que responde, como se ha explicado, a la Gravedad Universal y la velocidad de la luz en el vacío.
emilio silvera
* Sol fusionando Hidrógeno en Helio. Volver
* 1017kg/m3. El material llega a estar tan junto que protones y electrones se funden y forman neutrones. Volver
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por Emilio Silvera ~
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el 20 de enero del 2010 a las 22:15
Hola amigo Emilio:
Para mi las constantes son el mayor misterio del Universo. Tal como dices ¿quién fabricó las constantes en el inicio del Universo si no había nadie?. Es que creo que esto sólo obliga a replantear la situación del Modelo Cosmológico Estándar. Entiendo un Universo muy complejo donde como dice Prigogine el Orden está por encima del Caos. ¿Y quién creó y mantiene el Orden?. Si hay que buscar respuestas en el Evolucionismo es preciso ir mucho más lejos de Darwin, y más lejos del big-bang. Y materia-energía oscura-materia oscura, con ser mucho, también resultan insuficientes para la complejidad del Universo que es físico y metafísico a la vez.
Amigo Emilio, un abrazo. Ramon Marquès
el 21 de enero del 2010 a las 9:24
Amigo Ramón, son tantas las cosas que no comprendemos que, estamos todo el tiempo lanzando hipótesis de lo que creemos que es, y, como bien sabes, hablamos de simetría cuando una cantidad medible permanece invariante (lo que significa que no cambia) bajo una transformación (que significa una alteración).
Sabemos por ejemplo, que la carga eléctrica de un electrón es 1,6021891 x 10 exp.-19 culombios, y que la masa del protón es de 938,3 MeV, igual a un o,9986 de la masa del neutrón, pero nadie sabe por qué estos números son lo que son y no otros. Así que, tanto en este asunto puntual como en otros muchos, surgen las raices del descontento cuando la frustración nos lleva a comprender la impotencia de nuestras mentes para reconocer algunos de los misterios de la Naturaleza y, desde luego, las constantes universales son un buen ejemplo de ello.
Está claro que los Físicos y otros científicos escuchan, oyen en sus mentes los rumores de perfección del Universo, y, persiguiendo esos cantos de sirenas se introducen en los lugares más intrincados en forma de compolejas ecuaciuones o de aceleradores de partículas tratándo de obtener un sonido claro, algo que sea más que un rumor y que con voz fuerte y clara les explique aquello que aún no comprenden.
La estética es, evidentemente, subjetiva y la afirmación de que los físicos buscan la belleza en sus teorías tiene sentido sólo si podemos definir la belleza. Afortunadamente, esto se puede hacer, en cierta medida, pues la estética científica está iluminada por el sol de la simetría.
La simetría es un concepto venerable y en modo alguno inescrutable, que tiene muchas explicaciones en la ciencia y el arte; mucho después de que el físico chino-norteamericano Chen Ning Yang ganase el Premio Nobel por su trabajo en el desarrollo de una teoría de campos basada en la simetría, aún afirmaba que no comprendemos todavía todo el alcance del concepto de simetría.
En Griego, la palabra significa “la misma medida” (syn significa “juntos”, como en sinfonía, una unión de sonidos, y metron, “medición”); así, su etimología nos informa que la simetría supone la repetición de una cantidad medible. Pero la simetría, para los griegos, también significa la “debida proporción”, lo que sugiere que la repetición involucrada debe ser armoniosa y placentera; esto indica que una relación simétrica debe ser juzgada por un criterio estético superior.
En la ciencia del siglo XX se pone de relieve el primer aspecto de la vieja definición; se dice que hay simetría cuando una cantidad medible permanece invariante (lo que significa que no cambio) bajo ninguna transformación o alteración.
Así, de esta manera, se comportan lo que llamamos las constantes universales que bajo ningún cambio o incidencia de energía, fuerza, o cualquier agente exterior inesperado cambiará su situación original que seguirá siendo constante a pesar de lo que a su alrededor se pueda mover. Así la velocidad de la luz será la misma sin tener en cuenta si la fuente se mueve o está en reposo, la carga del electrón permanecerá invariable en cualquier circunstancia y la constante de Planck, h, segurá exhibiendo el mismo valor en culquiera de los escenarios que la podamos encontrar.
Es más, si la carga del electrón variara tan sólo una diezmil millonésima de su valor, seguramente nosotros, no estaríamos aquí, ya que, el Universo sería distinto al que conocemos y tan pequeña alteración en una de las constantes de la Naturaleza incidiría, como un efecto dominó, en todo lo que nos rodea y podemos contemplar.
Así de sencillo, o así de complejo, es el tema de las constantes de la naturaleza que, durante mucho tiempo futuro seguirán siendo un gran misterio para nuestras mentes que, aunque evolucionan junto con el Universo, al igual que este necesita miles de millones de años para que surja, brille y muera una estrella, también nosotros, nuestras mentes, necesitan mucho tiempo para comprender.
Un abrazo amigo Ramón.
el 23 de enero del 2010 a las 3:47
De siempre me llamó la atención el tema de las constantes universales, veo que no soy el único:)
Incluso le daba vueltas pensando que debía haber un conjunto de valores más “amigables”, lo mismo al tratarse de unidades hechas a nuestra medida por eso salían números tan “raros”, pero qué valores podrían tener para quitárnolas?, claro, lo mejor es que sean la unidad, normalizadas, y adaptamos el resto, así no dependerían de nosotros. Luego me enteré que un tal Planck ya había pensado en ello hace algunos años :), y había propuesto lo que a veces se llama “unidades de Dios”. Lo mismo se comenta en próximos capítulos que todavía no he leído.
Desde luego las ecuaciones parecen tener menos ruido y se simplifica, pero no se por qué no es habitual usar este sistema, creo que en algunos casos se usa, pero no siempre, ¿qué problema suponen?
Respecto unos de los temas que comenta Emilio en el artículo, el de la formación de las estrellas a partir de nubes de polvo. Ahí siempre (también) me ha surgido una duda. Se trata de la formación de las primeras estrellas. Una vez ocurrido el Big Bang y supongo que tras la época de estado de plasma, debió existir algún tipo de asimetría en esas nubes de polvo, algo así como grumos o diferencias de densidades en el polvo para que no hubiera compensación, un equilibrio total de fuerzas habría imposibilitado la formación de aglomeraciones originarias de las primeras estrellas, porque un universo homogéneo e isótropo no debería producir esos desequilibrios que han producido por un lado vasto espacio “vacío” y por otro galaxias con sus estrellas. No sé, lo mismo la geometría espacio temporal, las condiciones frontera, desequilibrios cuánticos instantáneos…
Leo con mucha atención los artículos del blog, es lo mejor que he encontrado en física en internet, muchas gracias Emilio.