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31 marzo 2014

Microcosmos y Macrocosmos

Astrofísica | Ciencia
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La energía se rige por los principios de la termodinámica y, por tanto,  no se crea ni se destruye, solo se transforma. La energía total permanece invariable y está en el origen del Cosmos. Según la ciencia actual, las fluctuaciones cuánticas del vacío dieron origen a la gran explosión primordial (jocosamente calificada por Fred Hoyle como “big bang”).

El Génesis por su parte nos dice que “Al principio la tierra estaba confusa y vacía y las tinieblas cubrían la faz del abismo…después se hizo la luz y la luz se separó de las tinieblas”. Ambos lenguajes tienen algo en común. No sabemos el porqué ni cómo sucedió, pero así surgió el Cosmos.

Es curioso que, a pesar de los miles de años transcurridos entre el Génesis y la física moderna, seguimos sin dar la explicación definitiva de las cosas. A principios del siglo XX reinaba un gran optimismo científico, debido fundamentalmente a los avances en los terrenos de la mecánica industrial  y de la electricidad (aplicación de máquinas  de vapor y motores eléctricos a los procesos industriales). Lord Kelvin, uno de los más famosos físicos de la época, afirmó en 1904 que el campo de la física ya estaba perfectamente delimitado y que sólo quedaban por mejorar los métodos de medición. Sin embargo,  Max Planck había formulado ya para entonces sus hipótesis sobre el calentamiento de un cuerpo negro, que condujeron más tarde al desarrollo de la mecánica cuántica y, en 1905, Einstein publicó su teoría de la relatividad especial. Ambas revoluciones cambiaron significativamente el panorama de la física.

En realidad, a principios del siglo XX, se pusieron las bases de dos físicas diferentes y complementarias, que hasta hoy no se han podido unificar: la relatividad o física de lo muy grande (macrocosmos) y la mecánica cuántica o física de lo muy pequeño (microcosmos). Las dos han supuesto un tremendo avance en la explicación del mundo en que vivimos, pero ambas han creado nuevas incógnitas. La afirmación de Lord Kelvin parecería hoy presuntuosa y vana.

Macrocosmos

Ignoramos el mecanismo exacto que llevó al vacío cuántico a la explosión primordial. Lo cierto y comprobado es que el cosmos, una vez creado, se ha ido expansionando aceleradamente, alejándose las galaxias unas de otras por efecto de una especie de anti-gravedad o “energía oscura” de origen desconocido. El Universo primitivo era extraordinariamente caliente, pero a medida que se fue expansionando y enfriando, el espacio se llenó de nubes de gas, fundamentalmente de hidrógeno, el más simple de los elementos químicos (un solo protón con carga positiva y un electrón con carga negativa). El gas no se distribuyó por el espacio de forma enteramente homogénea y el efecto de la gravedad empezó a concentrarlo alrededor de determinados núcleos, que dieron origen a las futuras estrellas y galaxias. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas de la naturaleza (gravedad, electro-magnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil) pero es implacable en sus efectos.

La concentración y densidad del hidrógeno siguió aumentando sin pausa hasta que el núcleo se vio sometido a una presión (y consiguientemente a una temperatura) suficiente para iniciar un proceso de fusión del hidrógeno y su transformación en helio (el mismo principio en que se basa la bomba H). Cuando se acabó el hidrógeno y aumentaron aún más la presión y la temperatura, el helio inició su propia fusión, transformándose en carbono y oxígeno. El proceso de fusión, si la masa es suficientemente grande, sigue en varias etapas hasta llegar al hierro. El hierro no es susceptible de ulteriores procesos de fusión nuclear. Entonces el núcleo se reduce por efecto de la gravedad, las capas exteriores quedan sin soporte y la estrella explota en forma de una supernova. Las supernovas son el origen de todos los demás elementos químicos por encima del hierro. Nuestro planeta es el resultado de los materiales procedentes de las explosiones de varias supernovas.

Bajo la presión de la gravedad,  una estrella en cuyo núcleo han terminado los procesos de fusión termonuclear se “apaga”, transformándose en una enana blanca, una estrella de neutrones o en un agujero negro, según sea el tamaño de la masa de la estrella inicial. Unas ocho veces la masa de nuestro sol parece ser una frontera crítica máxima para que resulte una enana blanca. Por encima de esta masa resultará una estrella de neutrones o un agujero negro. Nuestro sol se transformará algún día en una enana blanca, después de pasar por una etapa transitoria de gigante roja,  que calcinará los planetas interiores del sistema solar,  incluido nuestro planeta.

Las enanas blancas y las de neutrones son estrellas muertas, formadas por materia degenerada. Las primeras por un plasma formado por protones y electrones rápidos y las segundas exclusivamente por neutrones. Ambas categorías tienen una densidad elevadísima y se detectan principalmente por sus efectos gravitatorios sobre las masas circundantes. Los agujeros negros, por su parte, son auténticos monstruos cósmicos que devoran todo lo que tienen alrededor y de los que, por su potente fuerza gravitatoria, no puede escapar ni siquiera la luz. Entre otros posibles lugares, se supone que en el centro de toda galaxia espiral, como nuestra Vía Láctea, hay un agujero negro.

¿Qué pasa con las masas engullidas por los agujeros negros? No lo sabemos. ¿Reaparece cuando se “evapora” el agujero negro por efecto de la llamada radiación de Hawking? ¿Se traslada a un universo paralelo al nuestro? ¿Es éste el camino por el que la materia se transforma íntegramente en energía? Nadie lo sabe. Todo son preguntas pero no hay respuestas.

Microcosmos

Es bien sabido que la materia se compone de átomos y que éstos están formados por protones, neutrones y electrones. Protones y neutrones forman el núcleo del átomo. A su alrededor los electrones se mueven a una distancia de decenas de miles de veces el tamaño del núcleo, es decir, que los átomos están casi vacíos. Es éste el espacio que se ocupa bajo las enormes presiones existentes en las enanas blancas y en las estrellas de neutrones, a las que nos hemos referido antes.

Así como los electrones son partículas simples o elementales, los protones y neutrones están compuestos por piezas más pequeñas llamadas “quarks”, que se presentan en diversos modelos a los que los científicos  han calificado humorísticamente de “sabores”. Los más comunes son el sabor “up” y el sabor “down”.  Además cada sabor existe en tres “colores” diferentes. Ni qué decir tiene que las palabras sabor y color no tienen nada que ver con la acepción normal de los términos. Un protón está compuesto por dos quarks up y un quark down. Los neutrones, por el contrario, están formados por dos quarks down y uno  up. En ambos casos cada quark debe ser de un color diferente.

¿Qué hay más allá de los quarks? Es posible que la física experimental –no la teórica- encuentre alguna respuesta. El acelerador de partículas del CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares) en Ginebra puede que nos ofrezca alguna novedad cuando, dentro de dos años, reanude sus actividades con el doble de potencia (de 7 a 14 tera-electon-voltios) que la que le ha permitido descubrir el famoso bosón de Higgs en 2012. Algunos piensan que las partículas elementales se deben a vibraciones de minúsculos filamentos de energía llamados “cuerdas”. Las distintas frecuencias de su vibración darían origen a los diferentes tipos de partículas. Podría ser el camino por el que la energía se transforma en materia. De momento esto es pura especulación teórica y hemos llegado al límite de nuestros conocimientos sin aclarar demasiado el tema.

Conclusión

La física no es un campo aburrido, fosilizado en un recetario de fórmulas. Es más bien un campo vivo y de actualidad en el que las nuevas generaciones tienen amplio espacio para desplegar su intuición y su imaginación. Para ello es necesario mantener una mente abierta y no dejarse atar por las rutinas del pasado. Lord Kelvin, si viviese hoy, daría cualquier cosa por volver a ser joven en el contexto científico actual.

Ramón Reis

Economista, Madrid (España)

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