La ciencia, actualizada

 

Resumen del libro La sonrisa del átomo y otras historias científicas sobre el universo (Jorge Bolívar, Almuzara, 2013). Se trata de un texto divulgativo que abarca los conocimientos de la física, actualizados hasta nuestros días. Su autor es periodista e historiador de la ciencia.

1. Historia de la ciencia

1.1 De la magia a la ciencia

El ser humano es el único depositario del pensamiento razonado. Las dos características que nos diferencian del resto de seres vivos son: la capacidad de buscar respuestas a cuestiones abstractas (ciencia, filosofía) y el placer estético (arte).

El pensamiento mágico (llamado religioso si está organizado) dotaba de respuestas hasta la llegada del método científico, que lo sustituye. El arte nace del pensamiento mágico; la civilización, del pensamiento religioso; la ciencia, de la llegada del pensamiento racional a partir de la civilización helénica.

1.2 Primera revolución

Tales de Mileto en 585 a.C. rechaza la religión para explicar el mundo y la sustituye por el razonamiento lógico. Pitágoras añade que la realidad tiene un carácter matemático. Sócrates insiste en la razón; Platón exagera, confiando sólo en la lógica y no en los sentidos, negación ésta que dota de filosofía al cristianismo; y Aristóteles pone las cosas en su sitio rechazando la inmortalidad, afirmando que la Tierra es esférica e inaugurando el método de la ciencia experimental. Arquímedes pone en práctica ese método y escribe la primera investigación científica, sentando las bases hasta hoy.

Desde el siglo II a.C. y sobre todo con la llegada del cristianismo, el conocimiento sufre un parón. San Agustín adapta en el siglo IV a Platón y en la Edad Media los avances vienen de Oriente (judíos, musulmanes). En el siglo XIII, Santo Tomás retoma a Aristóteles, adaptándolo a duras penas al cristianismo.

1.3 Segunda revolución

En el siglo XV comienza la segunda revolución científica, de la mano de la astronomía. Ya en el XVI, Copérnico demuestra que la tierra no es el centro y que gira alrededor del sol, cosa que reafirman Galileo y Kepler. Este último aún considera la atracción gravitatoria como magnetismo.

Basándose en los estudios de Kepler, Newton descubre las leyes de la gravedad. Los cuerpos se atraen entre sí. Pero no supo explicar por qué. Ya en el siglo XVIII concluye la segunda revolución científica, pese a los esfuerzos de la Iglesia en su contra.

Sentadas por Newton las bases teóricas de la física, la ciencia se fija en lo diminuto. Los químicos definen la estructura atómica de la materia en el siglo XIX, y explican las bases de los cuatro tipos de energía conocidos: la cinética (por la gravedad de Newton), la luz, el magnetismo y la electricidad. Maxwell descubrió que estas tres últimas eran la misma cosa: ondas electromagnéticas. A fines del XIX, se creía descubierto ya todo, incluido el inexistente éter, una sustancia por la que se propagaban esas ondas.

1.4 Relatividad

Ya en el siglo XX, Einstein demostró que el éter no existe, que la materia es energía concentrada, que la luz (y las demás ondas) tiene una velocidad constante que es el límite máximo de velocidad en el universo y que el espacio y el tiempo son intercambiables. Además, la longitud de los objetos (el espacio) y el tiempo disminuyen a medida que avanza su velocidad, hasta llegar a cero en el límite. Es posible viajar al futuro yendo muy rápido (tu tiempo individual disminuye en relación con el tiempo de los demás), pero imposible viajar al pasado: en la velocidad límite de la luz el tiempo es cero, pero como no se puede acelerar más, el tiempo nunca es negativo.

En 1915, Einstein formuló la Teoría de la Relatividad General, para explicar la incógnita sobre la gravedad: el espacio no es continuo porque la velocidad lo transforma en tiempo y no es uniforme porque la materia lo deforma. La gravedad es consecuencia de la curvatura del espacio producida por la materia. El espacio curvo hace que las ondas electromagnéticas y la luz lo atraviesen en curva. Las leyes de Newton no quedan invalidadas: son un caso particular dentro de las de Einstein, el que vivimos en nuestra velocidad y gravedad terrestres.

1.5 Mecánica cuántica

Además de la relatividad, la ciencia actual se asienta en la antes llamada física atómica y hoy mecánica cuántica, que es la que estudia lo que ocurre dentro de los átomos (ver 3.1). Max Planck demostró que la energía no es transportada de forma continua, sino en paquetes llamados cuantos. De ahí lo de cuántica. Einstein dedujo que los cuantos de luz (fotones) se comportan como partículas. La radiación electromagnética transportada por los fotones se divide en microondas, ondas de radio, luz infrarroja, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Energías libres no transportadas por fotones son los rayos alfa (núcleos de helio sin electrones) y rayos beta, corrientes de electrones (la electricidad).

Tanto los electrones como los fotones se manifiestan en igual proporción como onda y como partícula, pudiendo ocupar en el mismo instante lugares distintos del espacio.

Cada partícula de masa posee una determinada longitud de onda en cada instante de su existencia. La longitud de onda de los objetos grandes es muy pequeña, y por eso no los vemos oscilar. Este movimiento, en las partículas subatómicas, no es predecible: depende del azar y no cumple la ley de causa y efecto. Por otro lado, el Principio de Incertidumbre definido por Heisenberg nos dice que no podemos conocer a la vez la posición y el movimiento de una partícula subatómica comportándose como una onda, puesto que al medirla le alteramos su estado. Si detenemos la trayectoria de un electrón, dejará de comportarse como onda y lo hará como partícula.

2. El universo (Cosmología)

2.1 Historia del universo

El universo se expande y parte de un único punto en el que estaba concentrada toda la materia y toda la energía. El momento en el que, hace 13.810 millones de años, ese punto estalló, liberó los dos componentes más elementales de la naturaleza: quarks (partículas subatómicas) y gluones (que compactan los quarks entre sí), creándose la materia. Esa masa ejerce entre sí gravedad, formándose después los protones y los neutrones. Pero antes, surgen también los electrones, que no tienen masa. Todo ello en el primer segundo tras el big bang. 80.000 años después, los átomos se irán uniendo por la gravedad.

Los primeros fotones que escaparon de la sopa primordial (primera agrupación de materia en el universo) fueron los que transportaban las microondas, 380.000 años después del big bang. Esa radiación de fondo de microondas subsiste y se detectó en 1965. Parte de ella produce el chisporroteo de los televisores sin sintonizar.

410.000 años después del big bang surge la luz, al huir de la concentración atómica los primeros fotones del espectro visible.

No tiene sentido preguntarse qué había antes, puesto que el tiempo y el espacio nacieron con el big bang. Primero aparecieron los quásares (núcleos de galaxias en formación compuestos por hidrógeno y helio); en ese entorno, las estrellas.

El universo tiene un tamaño de 93.000 millones de años luz: es grande, pero no infinito. Las estrellas se forman cuando se juntan átomos hasta alcanzar los diez millones de grados. Entonces se produce la fusión nuclear y liberan energía: luz y calor. Con esa luz se alimentan las plantas (fotosíntesis); de ellas, los herbívoros; de ellos, los carnívoros. Nos alimentamos de la energía del sol, nuestra estrella. El sol tiene 5.000 millones de años y durará otros 5.000. Dentro de 5.000 millones de años la Tierra desaparecerá calcinada por el sol, convertido en una estrella gigante roja.

Cuando la vida de una estrella acaba, convierte su hidrógeno en helio y éste en carbono, y estalla creando todos los elementos químicos conocidos. Los que nos forman.

Cuando explota una estrella de una masa superior a 30 veces la del sol, su materia es tan pesada que su propia gravedad llega a deshacer sus quarks y se crea un agujero negro: la forma más extrema de la materia, que concentra su masa en un punto infinito y en el que el tiempo se detiene. No sólo se traga la estrella entera, sino cualquier forma de materia o energía que esté cerca, incluida la luz. No se sabe qué ocurre dentro. (Ver 4.2)

Hace 8.000 millones de años aparecieron los primeros sistemas planetarios, formados por escombros de estrellas. La fecha es la de la muerte de las estrellas de la primera generación.

2.2 Composición del universo

En el universo sólo encontramos el 4,9 por ciento de la materia y energía necesarias para explicar su dinámica. El resto es un 26 por ciento de materia oscura y un 69,1 de energía oscura. La existencia de la materia oscura sólo se conoce por su efecto gravitatorio; la energía oscura es la que impulsa la expansión del universo, mediante su efecto anti gravitatorio, y pese a ello no disminuye, manteniéndose constante.

Y luego está la antimateria, descubierta en 1928. Se trata de una sustancia, aparentemente poco frecuente, que tiene la carga eléctrica contraria a la materia.

El modelo de evolución del universo que recoge todo nuestro conocimiento actual se llama Modelo Lambda CDM: incluye la energía oscura como constante gravitatoria y la materia oscura como principal estado de aglomeración de la masa.

3. El átomo (Mecánica cuántica)

3.1 Estructura del átomo

Un átomo es una estructura compuesta por un núcleo denso formado por protones y neutrones, rodeado por electrones, que se comportan como ondas, en forma de nubes de probabilidad. El espacio entre el núcleo y los electrones es muy grande, así que los objetos están, sobre todo, compuestos de espacio vacío.

El orden del mundo atómico se explica con la teoría atómica cuántica (mecánica cuántica).

3.2 La química

La química estudia las relaciones entre átomos. Cuando la capa externa de un átomo entra en contacto con la de otro, comparten electrones, juntándose para formar moléculas. Las moléculas forman sustancias: hidrógeno, carbono, sal.

La tabla periódica de los elementos (tipos de materia constituidos por átomos de la misma clase) los ordena según el número de partículas subatómicas de cada uno, que se correlacionan mediante electromagnetismo.

3.3 Los quarks

Los protones y los neutrones se componen de partículas más pequeñas, los quarks. En la naturaleza actual hay de dos tipos, llamados arriba y abajo. Dos arribas y un abajo dan un protón; y un arriba y dos abajos un neutrón. Los gluones (que son bosones, partículas sin carga ni masa) aportan la fuerza nuclear fuerte que une los quarks; y los piones transportan la fuerza nuclear fuerte que une los protones; curiosamente, los piones se componen de un quark y un antiquark.

La fuerza nuclear débil es la que cambia los quarks entre arriba y abajo; así, un protón puede transformarse en neutrón y viceversa.

Sin el campo de bosones de Higgs nada tendría masa, todo se movería a la velocidad de la luz y el tiempo estaría permanentemente detenido, lo que no daría lugar a la existencia compleja.

3.4 Las cuatro fuerzas

En un quark (partícula más esencial de todas) actúan cuatro fuerzas: la nuclear fuerte y la nuclear débil (que actúan en el núcleo de átomo), la electromagnética (que posibilita el equilibrio entre el núcleo y los electrones) y la gravedad.

Un fotón es un bosón que sirve para intercambiar la fuerza electromagnética.

Dentro del núcleo del átomo, no sabemos si una partícula es protón o neutrón hasta que no interferimos en el sistema para medirla, porque su naturaleza es mutar sin descanso y así dar lugar a la materia compleja.

La gravedad es menos fuerte que la fuerza electromagnética: esta segunda hace que los objetos no se atraviesen entre sí; los electrones de cada cuerpo se repelen.

La gravedad es la única de las cuatro fuerzas que no se ha podido explicar con el modelo cuántico; no se han hallado ondas gravitatorias ni partículas que la transporten (aunque se ha propuesto un bosón llamado gravitón).

3.5 Clasificación de las partículas

Fermiones: con masa, dan lugar a la materia; y bosones: intercambian las cuatro fuerzas.

Los fermiones más importantes son los protones, neutrones y electrones; los bosones clave son los fotones, los gluones, el bosón de Higgs y los piones.

Existe un Modelo Estándar para la mecánica cuántica, que explica el funcionamiento de los átomos. No incluye la gravedad, que se comporta con sus propias leyes.

Tampoco explica el entrelazamiento de partículas: cuando un fotón se convierte en dos fotones, estén a la distancia que estén, si se altera uno, el otro se altera igual instantáneamente. Pasa también con electrones.

4. La unificación

4.1 Dos teorías en choque

La Teoría de la Gran Unificación demuestra que las fuerzas fuerte, débil y electromagnética eran la misma al iniciarse el universo, y que se empezaron a manifestar de modos distintos al bajar la temperatura. Pero aunque integra esas tres fuerzas, no incluye a la gravedad.

A principios de los 80 existían dos teorías físicas comprobadas: la Relatividad General, que explica el mundo macroscópico, y el Modelo Estándar de la mecánica cuántica, que explica el mundo del átomo.

La función de onda de un objeto con masa macroscópica hace que sea estable. Del mismo modo, a distancias subatómicas la gravedad es despreciable. Pero por el hecho de que esas dos teorías físicas funcionen perfectamente en sus respectivos ámbitos no deja de ser necesario encontrar una unificación, que incluya la gravedad.

La clave para entender que las dos teorías son tan difíciles de conciliar es el siguiente ejemplo: la Relatividad General trata al espacio-tiempo como al agua serena, plana. La mecánica cuántica, como un mar embravecido. Esto se debe a la escala: los átomos y sus interiores están en constante movimiento.

Cuando se consiga la unificación, la Relatividad General será un caso concreto de la teoría cuántica, igual que Einstein da cabida a Newton.

4.2 Los límites

El concepto de infinito no es válido en física: la relatividad establece una velocidad máxima; la mecánica cuántica, mediante las llamadas unidades de Planck (longitud, tiempo, masa, temperatura), define lo mayor y lo menor: un tiempo, un espacio -y una energía- mínimos, una masa y densidad máximas y una temperatura límite.

La nanotecnología es un campo prometedor, puesto que trabaja en escalas atómicas, donde las características físicas y químicas de la materia cambian porque entran en acción los efectos cuánticos.

La relatividad implicaba realidades no previstas por Einstein: la expansión del universo, el big bang y los agujeros negros, donde supuestamente se concentraría una masa infinita. Pero las unidades de Planck establecen unos límites.

4.3 El azar

Por otro lado, el Principio de Incertidumbre rompe el esquema de Einstein de soluciones absolutas en una realidad predecible y calculable, puesto que uno de los factores que actúan en la naturaleza es el azar. El indeterminismo supera a la relatividad.

La teoría del caos sienta una base matemática par la indeterminación. Su metáfora es el efecto mariposa, en el que una ligera variación azarosa modifica un sistema completo. Demócrito dijo: “Todo lo que existe en el universo es fruto del azar y de la necesidad”.

La teoría del caos enseña que no se puede calcular la evolución de un sistema orbital formado sólo por tres objetos celestes. La evolución de un sistema de dos objetos que gravitan entre sí puede ser calculada con una precisión cuyo límite es el Principio de Incertidumbre; pero con tres objetos, se forma un sistema caótico imposible de predecir. El sol, la tierra y la luna forman un sistema caótico.

El espacio vacío está realmente ocupado por pares de partículas y antipartículas que nacen y mueren y que por lo tanto tienen una energía equivalente a una masa que produce una gravedad tan leve que no tiene influencia en el universo perceptible y escapa a la relatividad.

La Teoría del Todo, no conseguida, deberá incluir la relatividad.

4.4 Los agujeros negros

En un agujero negro se cumplen las leyes de la termodinámica. Bekenstein usó para demostrarlo en 1972 el concepto de entropía, que calcula la medida de libertad dentro de un sistema. Si la entropía es baja, las partículas tienen poca libertad para combinarse. Si es alta,  hay más posibilidades de interacción. Desde el big bang, la entropía aumenta; por lo tanto, el desorden.

La información contenida en una función de onda es un reservorio de entropía, porque muestra el grado de libertad de que disponía la partícula correspondiente en cada momento.

El horizonte de sucesos de un agujero negro (el límite a partir del cual se empieza a tragar todo) corresponde a la entropía conjunta de todas las partículas que han caído en él. La condensación infinita en el pozo central produce un aumento en el tamaño de su radio de influencia, produciendo una temperatura determinada.

Los pares de partículas y antipartículas que se forman en el horizonte de sucesos se dividen en dos en vez de autodestruirse. Una partícula es tragada y la otra escapa: es la energía que desprende el agujero negro, la radiación Hawking, que demuestra que un agujero negro que no engulla más acabará muriendo, y al morir expulsará la materia que devoró como calor en forma de fotones.

El tiempo se detiene dentro; un fotón viaja cambiando tiempo por espacio, hasta el punto de que el tiempo se detiene para él. El tiempo y el espacio son intercambiables. En el interior de un agujero negro hay mucho espacio para almacenar partículas porque estas dejan de tener longitud, a la vez que el tiempo se detiene.

Pese a que la existencia de los agujeros negros aún no es segura, hay teorías -sin comprobar- asociadas a los agujeros negros. El agujero de gusano sería un tubo que partiría del agujero negro y te llevaría a otro punto del cosmos, o a un universo distinto con las mismas leyes pero al revés. O la de los multiversos, según la que cada agujero negro llevaría a un nuevo universo creado por éste, lo cual daría pie a que existiesen más dimensiones aparte de las cuatro que conocemos.

4.5 Tres hipótesis

La supersimetría (1973) sirve de base para unificar la fuerza de la gravedad con la fuertelectrodébil, llegándose a la teoría de la supergravedad, que considera a la gravedad como única fuerza originaria, que dio lugar a las demás.

La teoría de cuerdas debe mucho a la de la supergravedad. Las partículas no serían puntos sino que tendrían una longitud. Las cuerdas vibrarían y esa vibración sería su razón de ser. Si no vibran, no existen. Pero hay elementos que no encajan y la teoría se ramificó.

Sin embargo, en 1995 Edward Witten lanzó la Teoría-M, que une todas las variedades de la teoría de cuerdas. Aunque está incompleta, es sólida y es la más aceptada actualmente. El universo tiene once dimensiones. Las que percibimos se extendieron durante el big bang y el resto se encuentran enroscadas sobre sí mismas a la longitud de Planck.

La gravitación cuántica de bucles es la tercera apuesta, tras la supergravedad y las cuerdas. En este caso, los componentes mínimos espaciotemporales serían como lazos que se unen entre sí. El espacio-tiempo sería discontinuo, y estaría formado por cuantos, como todo lo demás.

La mayoría de los físicos se inclinan por las cuerdas, pero la gravitación cuántica ofrece estas ventajas: no hay dimensiones adicionales, no hay universos alternativos y ha predicho la velocidad de los fotones, que si son más energéticos se desplazarían más lento en el espacio vacío. Si se comprueba, se fortalecerá esta teoría.

Es posible que la Teoría del Todo sea una combinación de las tres.

5. El futuro

5.1 Herramientas más recientes

El universo tiene una forma esférica o una forma de cono truncado. En el primer caso, su expansión llegaría a enfriar todo y se produciría el big rip, gran desgarro; en el segundo, en un momento dado dejaría de expandirse y empezaría a contraerse hasta llegar al big crunch o gran crujido.

La termodinámica es la parte de la física que estudia el equilibrio de los cuerpos macroscópicos, basado en el intercambio de energías térmicas y de movimiento dentro de un sistema. La Segunda Ley de la Termodinámica enuncia que los procesos termodinámicos sólo se pueden producir hacia el futuro, nunca hacia el pasado. Ello hace que siempre se pierda energía útil, que escapa en libertad: la cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse. Todo lo que ocurre aumenta el desorden.

La respuesta a nuestra curiosidad de saber por qué son así las leyes que observamos es tan simple como que con otras leyes no podríamos haber llegado a existir para plantearlo. Es lógico que investiguemos el cómo, los detalles de nuestro universo; pero es absurdo preguntarse el por qué: la respuesta somos nosotros.

En el Polo Sur hay un detector de neutrinos (partículas elementales sin carga) llamado Ice Cube, que pretende capturar algún neutrino procedente del big bang. Ello podría dar respuestas anteriores al fondo de microondas, que viene de 380.000 años después del big bang.

Según la Relatividad General, la gravedad se transmite en forma de ondas que viajan a la velocidad de la luz a través del campo formado por los gravitones, partículas aún teóricas. Si se descubren las ondas gravitatorias, se tendrá otro sistema para estudiar el universo, además del que nos proveen los fotones y el espectro electromagnético al completo.

5.2 Dos teorías del universo cíclico

La gravitación cuántica de bucles plantea un universo cíclico, en expansión y contracción, con lo que hay un tiempo negativo antes del big bang.

Por fin, Roger Penrose trabaja en su teoría del universo cíclico con conservación de la entropía, cosmología cíclica conforme, que afirma que la entropía proviene de la gravedad, ésta de la existencia de masa, y en el big bang no había aún masa, por lo tanto no había gravedad ni entropía. Los supuestos sucesivos ciclos del universo son llamados eones.