Capítulo II: Hojeando el "Manual del Usuario del Universo".
Saludos de nuevo, gentiles lectores. Acomódese en su silla pues el
viaje continúa a bordo de nuestra MTI, zarandeados por la furiosa
violencia de los primeros momentos del Bing Bang. Y mientras somos
lanzados hacia el futuro, aún flotan en el aire las preguntas que
dejamos planteadas la semana pasada. Con el fin de responderlas habrá
que ir atando uno por uno distintos cabos, de modo que al final
podamos anudarlos todos en una explicación coherente acerca del como
y porqué de la realidad que habitamos. Sí, el porqué también, en
contra de lo que inicialmente dije vamos a ser valientes y nos
atreveremos también con esta pregunta.
Pero para ello, y sobre todo para saber que ocurre más allá de
las paredes de nuestra MTI mientras flotamos en una turbulenta
oscuridad, debemos de echarle antes una rápida ojeada a las páginas
del “Manual de Usuario del Universo”.
► Leemos unas páginas del “Manual de
Usuario del Universo” (edición abreviada de la versión resumida,
con el permiso de los editores de la Enciclopedia Galáctica, 116th Edition, Encyclopedia Galactica
Publishing Company, Terminus, 1020 FE.):
Primero aclarar que nuestro Cosmos esta formado por una serie de
partículas ¹
gobernadas por 4 fuerzas o interacciones fundamentales que son :
- 1) Fuerza electromagnética: La responsable de la
interacción entre partículas con carga eléctrica. Gracias a sus
peculiaridades los átomos que componen la materia son estables. Su
interior de carga positiva (formado de protones [+] y neutrones [0])
se mantiene así unido con un exterior repleto de pequeños
electrones negativos “orbitando” alrededor. Esta fuerza no solo
dota al átomo de estabilidad, si no que impide que unos se
atraviesen a otros (las cargas [-] que los rodean se repelen entre sí), gracias a lo cual los
objetos son sólidos y Vd. no cae hacia el centro de la Tierra
atravesando su silla, su casa, el suelo, etc... La partícula
“transmisora” de esta interacción es el fotón,
que no tiene masa y viaja a la velocidad de la luz. Los fotones
suelen producirse cuando un electrón pasa de una órbita exterior de
alta energía alrededor del núcleo a otra inferior menos energética.
La ley de la conservación de la energía obliga a que exista un
excedente, que se emite en forma de fotones, los cuales constituyen
aquello que denominamos “radiación electromagnética” (en
función de su distinta frecuencia: luz, microondas, radio, rayos X,
etc...). Si un electrón se aniquila con una partícula igual de
carga contraria llamada positrón, se emiten también fotones en
forma de rayos gamma ².
 |
| Dos electrones intercambiando un fotón y rechazándose entre sí. |
 |
| Un Protón. |
- 2)
Fuerza nuclear fuerte: Hemos visto que el interior del
átomo esta formado por protones de carga [+] junto a neutrones sin
carga. ¿Y como es que cargas [+] no se repelen entre sí y todo
(incluyendo Vd. y yo) vuela por los aires? Pues ello no ocurre
gracias a esta interacción. Me sería demasiado largo y complicado
explicar como funciona ³, pero baste decir que tanto protones como
neutrones tienen una compleja vida interior y están compuestos
por diferentes tipos de otras partículas aún más pequeñas
llamadas “quarks”. Estos pueden ser de tres "colores" que siempre deberán de compensarse entre sí sin que haya exceso de ninguno. La materia ordinaria esta formada por dos tipos de quarks llamados "up" (arriba) y "down" (abajo). En el dibujo vemos un protón, en el caso del neutrón son dos down por un up, siempre con sus colores equilibrados. El caso es que los quarks estan unidos entre sí gracias a los
gluones, la partícula portadora de esta interacción (el "muelle" de la imagen), y que hace
honor a su nombre y los mantiene pegados (“glue” significa
pegamento en inglés, sí, los científicos son así de creativos).
Bueno, pues un efecto secundario de este “pegamento” también
funciona manteniendo unidos a protones y neutrones. Pero solo es
eficaz a una distancia muy pequeña y por eso dichas partículas se
hallan apiñadas en el núcleo del átomo.
- 3)
Fuerza nuclear débil: El objetivo de esta interacción
no es otro que el sabotaje del orden interior de los protones y
neutrones que veíamos antes, sembrando la discordia entre los quarks
y consiguiendo lo que pronosticábamos antes de saber de la fuerza
nuclear fuerte: que el núcleo atómico reviente y el átomo se
desintegre. Los misteriosos bosones W y Z se encargan de ello. Los fenómenos radioactivos que conocemos se basan
principalmente en esta interacción, que permite que los átomos no
sean inmutables, pudiendo romperse y transformarse unos en otros.
Esta fuerza, como su nombre indica, es muy débil.
De lo contrario, la materia sería demasiado inestable.
- 4)
Gravedad: Las otras tres fuerzas han logrado ser
explicadas y unidas mediante el llamado “modelo estándar” ³ de la
física cuántica, pero la gravedad, descrita en su forma actual
gracias a la Teoría General de la Relatividad de Einstein, va a su
rollo y se niega a encajar con las otras. Para Einstein, la gravedad
es una consecuencia natural de la curvatura de la trama que él
describió como espacio-tiempo, de modo que los objetos próximos a
un “hoyo” gravitatorio tenderían a caer hacia él. Podemos así
imaginar a nuestro Sol curvando dicha trama y a la Tierra “cayendo”
en torno a este ahondamiento. En efecto se ha descubierto que, por
ejemplo, los rayos de luz se desvían al pasar cerca de un objeto
masivo como pueda ser una estrella. También se ha documentado un
fenómeno conocido como “lente gravitacional”, que como una lente
normal y corriente, logra ampliarnos imágenes de estrellas y galaxias tremendamente
distantes. No solo el espacio se ve afectado por estas distorsiones,
si no también el tiempo (ambos están unidos).
 |
| La gravedad combando la trama espacio-temporal del universo. |
Prometo que en el
futuro volveré
sobre este tema con el detenimiento que se merece (cuando me toque hablar de los viajes espaciales). No obstante, decir que la
idea de explicar la gravedad mediante el juego de partículas
discretas propio de la física cuántica no termina de funcionar
del todo, siendo este uno de los grandes retos actuales de la física.
► Cerramos el Manual y seguimos.
Pues bien, una vez visto esto, podemos echar ya la vista atrás
hasta hace unos 14.000 millones de años, en el momento inicial del
Big Bang, que partió de un solo punto de volumen cero y densidad
infinita. Dicho punto, denominado “singularidad”, tal y como el
lector sospecha es efectivamente absurdo, lo cual viene a
demostrarnos que las actuales leyes de la física simplemente fallan
al describir el primer instante del universo (cuando se manifiestan los
“efectos cuánticos de la gravedad”). Parece ser que en ese
momento la temperatura era tan alta que todas las fuerzas antes
descritas estaban unidas en una sola, que no hemos sido capaces de
describir (aún) y de la cual las otras cuatro serían diferentes
aspectos que se habrían ido desgajando. Esto último
fue lo que de hecho ocurrió cuando apenas acababa de comenzar el
primer segundo. A partir de aquí, nuestro conocimiento de lo que
sucedió es bastante más preciso. Aún dentro de ese segundo
primigenio, la Interacción Nuclear Fuerte arrejuntó a los quarks
(que hasta entonces danzaban sueltos por ahí) en forma de neutrones
y protones, que como vimos, conformarán el núcleo de los futuros
átomos. A los tres minutos esto ya había ocurrido en la denominada
nucleosíntesis. Precisar sin embargo que en nuestro universo no solo
puede existir la materia, sino también la llamada antimateria, que es
exactamente igual pero con las cargas eléctricas invertidas (el
antiprotón es negativo por ejemplo y el positrón es un electrón
positivo).
 |
| Electrón y positrón chocan y emiten rayos gamma. Este proceso es reversible.² |
Si se junta materia con antimateria, las dos se
desintegran en una explosión de radiación. Así pues, en aquellos
momentos ambas fueron como los inmortales... ¡Solo podía quedar
una! Tras una épica lucha ganó la materia (por suerte algún ligero
desequilibrio entre ambas lo permitió) y gracias a ello la
antimateria fue marginada y relegada al exotismo de nuestros
laboratorios y de las novelas de Dan Brawn. ¿Que hubiera pasado si
hubiera sucedido al revés? Pues simplemente que hoy en día
llamaríamos materia a la antimateria y viceversa. Esto fue conocido
como la bariogénesis y sucedió justo un poco antes de la formación
de los primeros núcleos. Y mientras estos últimos se generan y se
expanden junto con el espacio, todo esta bañado por una mezcla de
radiación y electrones libres. Sin átomos que pongan orden,
los fotones y los electrones se hallan “embarullados” y la luz no
puede viajar libremente. Por eso no podemos ver nada desde nuestra
MTI. El universo primitivo es opaco.
Sin embargo lo más interesante esta por llegar. Viajemos 380.000
años en el futuro y descubrámoslo. Dicho y hecho, movemos las
palancas adecuadas, pisamos el pedal y allá vamos. Al llegar a
nuestro destino temporal, una luz cegadora nos golpea. Por suerte los
cristales blindados y polarizados de nuestra MTI evitan que se nos
churrusquen las retinas. Al fin la temperatura ha descendido hasta el
punto (algo más de 3.000º C) en que la Fuerza Electromagnética ha
podido hacer su trabajo y los electrones han empezado a orbitar los
primitivos núcleos, formando átomos. Los fotones quedan al fin
libres de ir adonde quieran y... ¡Hágase la luz! Este instante es
conocido como “la recombinación” y de él aún nos siguen
llegando viejos fotones errantes.
Y aquí comienza lo bueno, puesto que algunos de dichos
fotones primordiales siguen llegando hasta nosotros después de
recorrer nada menos que 46.000 millones de años luz desde el confín
del espacio, que no es poca distancia. Este recorrido corresponde con
el actual radio de nuestro universo, que pese a tener “solo” unos
14.000 millones de años de existencia no ha parado de expandirse
desde entonces. Pues bien, dichos fotones constituyen el denominado
“fondo de radiación de microondas”, que no solo es una de las
principales pruebas del Big Bang, si no que nos ha proporcionado una
espectacular fotografía de como era nuestro universo en ese momento
(cuando aún estaba “recién nacido”).
Todas las ansiadas respuestas a las preguntas que planteábamos en
el capítulo anterior se hallan encerradas en esta foto (a esas
preguntas y también a otras más... “oscuras” que ya veremos).
Solo debemos hacer de Sherlock Holmes e ir desentrañando sus
secretos. En primer lugar mencionamos al conocido como 2º Principio
de la Termodinámica, que es el responsable de que nuestra habitación
se desordene una y otra vez, de que los cables de los auriculares
gusten de liarse en terribles nudos, de que las sábanas se nos
enreden por la noche, etc... y que prescribe que “en todo sistema
cerrado la entropía siempre tenderá a aumentar”. Recordemos que, grosso modo,
asimilábamos entropía al desorden. Por ejemplo, si tenemos pintura
roja y azul separada en capas dentro de un mismo tarro de cristal
estarán ordenadas, pero si agitamos el tarro formaremos una especie
de color púrpura y a ver quien es el listo que vuelve a separar los
colores. Algo así ocurre también con el calor: si una taza de café
esta caliente y su entorno frío, el calor fluirá del primer medio al
segundo hasta que las temperaturas se igualen. Será por desgracia
imposible que la taza de café absorba calor de su entorno para
volver a calentarse. Bien, si la entropía o desorden solo puede
aumentar y no ha hecho otra cosa desde el comienzo del universo...
¿cuanta entropía vemos pues en nuestra foto del universo
primigenio? Pues bien, si recordamos el ejemplo de la taza de café,
notamos que las temperaturas en dicha foto están repartidas de modo
bastante homogéneo, es decir, su entropía es máxima, en un estado
denominado como “equilibrio térmico”. Genial. ¿Que diablos
ocurre? ¿Como ha podido aumentar en nuestro universo la entropía
más allá de su máximo? ¿Puede violarse el 2º Principio de la Termodinámica? De hecho los seres vivos parecemos hacerlo, puesto
que somos capaces de crear orden a partir del desorden. ¿Es eso
posible? Esta es la primera pregunta que responderemos en el próximo
capítulo, pero no será la única. Sin embargo eso será la semana
que viene ;-)
Notas:
¹
: Actualmente los científicos han descubierto un extenso "zoo"
de partículas subatómicas, pero todas ellas están compuestas por
12 partículas fundamentales a modo de piezas básicas de lego.
Dichas partículas se subdividen a su vez en tres familias, sin
embargo solo la primera de ellas tiene relevancia para la materia
ordinaria que nos rodea. Esta familia principal la forman:
-
El Electrón, una partícula muy muy liviana que ya hemos visto que
tiene carga negativa y orbita al rededor del núcleo. La electricidad
en efecto esta formada por grupos de electrones saltando de átomo en
átomo y tiro porque me toca. El exceso o defecto de electrones
"ioniza" a un átomo, alterando su carga eléctrica.
-
Neutrino electrónico: Misteriosa partícula de masa casi inexistente
y dificilísima de detectar (millones de ellos nos atraviesan
continuamente). Se la teorizó para explicar la pérdida de energía
en ciertas carambolas subatómicas con los neutrones antes de su
descubrimiento efectivo. Son producidos por violentos sucesos
cósmicos.
-
Los Quark Up y Quark Down. El segundo pesa el doble, y ambos pesan
muchísimo más que el electrón. Como vemos, de sus combinaciones
surgen protones y neutrones.
Las
otras dos familias están formadas por sendos cuartetos más masivos:
Muón como un electrón pesado, junto con el Neutrino Muónico y los
Quarks Charm (encanto) y Strange (extraño); y la última, la mas
masiva de las tres, con el Tau (electrón mastodóntico), el Neutrino
Tauónico y los enormes Quarks Top (cima) y Bottom (fondo). Sin
embargo estas familias son inestables y solo sabemos de ellas gracias
al esfuerzo de los científicos y a muchas horas de laboratorio.
Estas
12, realmente 4 partículas, cada una con sus distintos parámetros
cuánticos que aquí no pueden explicarse, junto con las partículas
transmisoras de las interacciones fundamentales, forman toda la
materia y leyes físicas que conocemos. El porqué estas partículas
tienen el número y las características que tienen es un problema
fundamental de la física conocido como "problema del sabor"
(los distintos tipos de quarks se llaman sabores), y que sigue
pendiente de resolver. Es como tener el manual de usuario de un DVD
pero no saber por que este es como es. Para más información
ver la última nota.
²
: Esta aniquilación de materia-antimateria generando energía,
también puede darse al revés, produciéndose materia y antimateria
a partir de energía. Recuerdese que tanto materia como energía
están relacionadas gracias a la famosa ecuación de Einstein, E =
mc² (donde "c" es la velocidad de la luz).
³
: Si el lector quiere saber más acerca de estas cuestiones y de
muchas otras aún más interesantes, le recomiento que lea "El
LHC y la frontera de la física", por Alberto Casas y editado
por Catara y por el CSIC.
Bibliografía:
-
"El LHC y la frontera de la física", Alberto Casas,
editado por Catara y por el CSIC.
-
"El Lado Oscuro del Universo", Alberto Casas, editado
por Catara y por el CSIC.
-
"Ciclos del Tiempo", Rogger Penrose, editorial
Debolsillo.
Webgrafía:
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