Quarks y antiquarks

Como vimos en el post anterior, los hadrones están compuestos por otras partículas más pequeñas llamadas quarks, las cuales se consideran (hasta el momento) auténticamente elementales. Los quarks no se encuentran aislados en el Universo, sino que siempre están confinados dentro de los hadrones, unidos mediante el intercambio de unos bosones llamados "gluones" (ver Las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales). Actualmente se conocen seis tipos de quarks: Up (arriba), Down (abajo), Strange (extraño), Charm (encanto), Bottom (fondo) y Top (cima), y sus correspondientes antiquarks. Los quarks se representan con la inicial de sus nombres, y los antiquarks con la misma letra con una raya encima.

Representación de los seis tipos de quarks, sus antipartículas y sus cargas de color.

Los mesones son partículas formadas por una pareja quark-antiquark, mientras que los bariones (como el protón y el neutrón) se componen de 3 quarks cada uno (ver el post anterior). En la materia ordinaria sólo participan los quarks Up y Down, el resto de variedades se observan en la radiación cósmica que alcanza la Tierra y en los aceleradores de partículas.

Quarks que participan en algunas de las partículas conocidas

Las principales propiedades que presentan los quarks son:

• Masa: está en el rango que va desde los 1,5 del quark Up hasta los más de 170.000 del quark Top (unidades medidas en MeV/c²)*.
• Carga: sólo existen dos valores de carga posible: +2/3 (u, c, t) y -1/3 (d, s, b).
• Isospín Débil: toma el valor de +1/2 (u, c, t) o -1/2 (d, s, b). El isospín débil indica que si se desintegra un quark de tipo u (u, c, t), siempre producirá uno del tipo d (d, s, b), y viceversa.
• Sabor: indica a qué otro tipo puede cambiar un quark determinado.
• Carga de Color: es una propiedad que determina cómo interaccionan los quarks entre sí, es decir, si se atraen o repelen, con qué fuerza lo hacen y cómo se comporta esa interacción con la distancia o las características del entorno. Como esta propiedad puede tomar tres valores distintos, los científicos decidieron asignarles los nombres de los tres colores básicos: rojo, verde y azul, y sus complementarios a los antiquarks.

Recientes extensiones del Modelo Estándar de la Física de Partículas apuntan a que los quarks podrían estar compuestos de subestructuras. Hasta el momento no existen evidencias empíricas de esta afirmación.

* mega electrón-voltios partido por el cuadrado de la velocidad de la luz

Clasificación de las Partículas Subatómicas

Recordemos que las partículas subatómicas son aquellas cuyo tamaño es inferior al del núcleo atómico (ver el post Acercándonos a lo muy pequeño). Estas partículas se han ido descubriendo poco a poco, a medida que avanzaba la tecnología de los experimentos y detectores en Física de Altas Energías. Actualmente, conocemos la existencia de cientos de estas partículas, por lo que se hace necesario un sistema de clasificación que aporte orden y claridad a este maremágnum aparentemente caótico.

Las partículas subatómicas se clasifican actualmente atendiendo a dos criterios básicos: sus valores de espín y su estructura.

Según su espín, tenemos dos tipos de partículas:

A.- BOSONES: aquellas cuyo espín es de valor entero (1, 2, ...) y no "respetan" el Principio de Exclusión de Pauli, es decir, que podemos encontrar dos de ellas en el mismo estado cuántico. Son bosones el fotón, el gluón y las partículas W⁺, W^- y Z⁰.
B.- FERMIONES: aquellas cuyo espín es de valor semientero (1/2, 3/2, ...) y sí cumplen el Principio de Exclusión de Pauli. Ejemplos de fermiones son el electrón, el protón y el neutrón.

Representación del P. E. Pauli para bosones y fermiones

Según su estructura interna, se dividen en:

A.- LEPTONES: partículas sin estructura interna, es decir, auténticamente elementales. Todas tienen espín semientero (son fermiones). Son leptones el electrón, el muón, el tauón y sus correspondientes neutrinos.
B.- HADRONES: son partículas compuestas por otras elementales. Según su espín, se subdividen en:

1. Mesones: son bosones (espín entero) formados por un quark y un antiquark. Existen unas 140 variedades, entre las que se incluyen el pión, el kaón, etc.
2. Bariones: son fermiones (espín semientero) formados por tres quarks. Dentro de este subgrupo encontramos, entre otros, a protones y neutrones.

Como hemos visto, los hadrones están compuestos por quarks, de los que existen seis variedades: arriba, abajo, extraño, encanto, fondo y cima.

Como veremos más adelante, todas las partículas conocidas tienen sus correspondientes antipartículas, idénticas a ellas en cuanto a masa y espín, pero con carga eléctrica de signo contrario. Cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas se aniquilan, liberando energía y otras partículas.

El electrón, el protón y sus antipartículas

La extraña naturaleza de la Naturaleza (y IV)

Quizás uno de los aspectos más "asombrosos" del apasionante mundo de las partículas elementales (y, por tanto, de la esencia de nuestro Universo) sea el fenómeno conocido como "entrelazamiento cuántico".

En determinadas ocasiones ocurre que, bien de forma natural o artificial, dos partículas elementales (electrones, fotones...) son producidas de forma "entrelazada". Esto quiere decir que, por mucho que se alejen (en el espacio o en el tiempo), cualquier modificación que efectuemos sobre una de ellas, ocurrirá instantáneamente sobre la otra. Nótese que decimos "instantáneamente", es decir, sin que transcurra ningún intervalo temporal apreciable, violando aparentemente la Relatividad Especial al superarse la velocidad de la luz (véase El extraño comportamiento de la luz). Cuando dos partículas se entrelazan, podemos saber el estado de ambas midiendo sólo el de una de ellas. Por ejemplo, si tenemos dos electrones entrelazados, A y B, alejados todo lo que se quiera, y medimos el espín de A, automáticamente sabremos que B tendrá el contrario.

Dos fotones entrelazados (© Anton Zeilinger)

¿Cómo pueden entrelazarse cuánticamente dos partículas? Tal como apuntamos antes, puede ocurrir de forma natural (por ejemplo, cuando un electrón desciende de una vez dos orbitales seguidos, produciendo una pareja de fotones entrelazados), o artificial, como cuando se hace pasar un fotón UV a través de un cristal de beta-borato de Bario, convirtiéndose en dos fotones de mayor longitud de onda que el original y entrelazados.

© European Space Agency

La aparente "violación" de la Relatividad Especial la subsanan los físicos argumentando que lo que se mueve más rápido que la luz no es ninguna clase de materia o energía, sino, simplemente, información. Pero, ¿cómo "sabe" el fotón B, alejado, por ejemplo, 500.000 kilómetros de su compañero, que alguien o algo está actuando sobre el A? La explicación más ortodoxa nos dice que estas dos partículas entrelazadas constituyen, en realidad, un único sistema que conecta ambas partículas (y ambas ondas) de una forma que desconocemos. 

Nadie duda de que estamos ante algo totalmente contrario al sentido común. El propio Albert Einstein se resistió durante toda su vida a creer en esto; incluso ideó el experimento mental conocido como "paradoja EPR" (Einstein, Podolsky y Rosen) para rebatirlo. Sin embargo, numerosas pruebas llevadas a cabo en distintas partes del mundo (como las de Alain Aspect para demostrar las desigualdades de Bell), han demostrado que las conclusiones de la Mecánica Cuántica sobre el entrelazamiento son acertadas. Estas conclusiones son la base de nuevos estudios y disciplinas como la Teleportación Cuántica, la Computación Cuántica y Criptografía Cuántica.

La extraña naturaleza de la Naturaleza (III)

Siguiendo con esta serie de artículos sobre lo extraño que es nuestro Universo cuando profundizamos lo suficiente en sus niveles fundamentales, vamos a comentar el conocido "Principio de Incertidumbre o Indeterminación", formulado por Werner Heisenberg en 1927.

Heisenberg en una clase magistral

Hemos visto en los dos posts anteriores que las partículas elementales son entidades ciertamente "difusas"; son una mezcla de materia y energía ondulatoria que se mantiene en un estado llamado a veces "fantasmal", mientras no se practique sobre ellas algún acto de observación que les permita "definirse".

Esta extraña cualidad se hace aún más patente cuando intentamos medir o determinar el valor de ciertos pares de magnitudes -como la posición y la velocidad (momento) o la energía y el tiempo-, de forma simultánea. Cuanto más precisa sea la medición de una de ellas, menor será la de la otra. De esta manera, si pretendemos saber con total precisión cuál es la posición de un electrón en un momento dado, nos será prácticamente imposible determinar su velocidad (momento), y viceversa.

Indeterminación de la posición(x) y el momento(p) de una partícula

Podemos pensar que esta situación es una consecuencia directa de nuestra incapacidad técnica para realizar este tipo de medidas, pero la realidad es que las partículas elementales no tienen claramente definidas estas magnitudes, hasta que algún observador elige una de ellas para tomar su valor en un instante o intervalo de tiempo, al igual que ocurría con la dualidad onda-partícula.

Como vemos, la Naturaleza se nos muestra más extraña y contraria a nuestra experiencia cotidiana con cada paso que damos para comprenderla. Para aspirar a entender el mundo submicroscópico, debemos despojarnos de nuestros convencionalismos clásicos, abandonar prejuicios y abrir nuestras mentes a nuevas realidades y posibilidades. Quizás algún día consigamos que el Universo nos desvele todos sus secretos y comprendamos cómo y porqué estamos aquí.

La extraña naturaleza de la Naturaleza (II)

Uno de los aspectos más curiosos -por decirlo de forma suave- de la extraña naturaleza de las partículas elementales, es el que se desvela en el experimento conocido en Física como "de doble rendija". ¿En qué consiste este experimento?
Supongamos que tenemos un dispositvo que lanza canicas hacia un panel con una estrecha rendija vertical colocado a poca distancia y detrás del cual situamos una pantalla que recoge el impacto de aquellas canicas que atraviesan la rendija. Después de lanzar un buen número de canicas, obtendríamos en la pantalla el siguiente patrón de impactos:

Figura 1

Tendríamos una estrecha banda vertical que representa al conjunto de las canicas que han conseguido atravesar la rendija. Veamos ahora qué ocurre si añadimos una segunda rendija a nuestro panel, paralela a la primera:

Figura 2

Evidentemente, obtendríamos dos bandas verticales paralelas, representativas del conjunto de canicas que ha pasado por cada una de las rendijas.
Pero, ¿qué ocurriría si en vez de canicas dirigimos una onda hacia las rendijas? Imaginemos que mandamos una onda de un fluido; agua, por ejemplo:

Figura 3

Al llegar a la doble rendija, la onda se divide en dos frentes que prosiguen avanzando en su camino hacia la pantalla receptora. En dicho camino, se producen interferencias al cruzarse las crestas y los valles de los diferentes frentes. Ese patrón es el que recoge la pantalla, con zonas claras correspondientes a dos máximos de onda que se han encontrado, y otras oscuras, consecuencia de la anulación que se produce cuando coinciden un máximo y un mínimo de onda. Esas rayas paralelas claras y oscuras es lo que se conoce como un patrón típico de interferencia de ondas.
Bien, ahora vamos a sustituir las canicas y las ondas por un flujo de electrones, que son partículas muy pequeñas, pero con masa. Si disparamos nuestros electrones a través de una sola rendija, obtenemos un patrón de impacto idéntico al de la Figura 1. Si colocamos una rendija doble, esperaríamos encontrar el mismo patrón de la Figura 2, pero lo que obtenemos es una figura de interferencia idéntica a la de la Figura 3.
Pero, ¿cómo pueden unas partículas crear interferencias como si de ondas se tratase? Para dilucidar esta aparente paradoja, los científicos decidieron disparar los electrones no en chorro, sino por separado, de uno en uno, para evitar que interfiriesen unos con otros. Después de mandar muchos de estos electrones individuales a través de la rendija doble, se obtiene, increíblemente, el mismo patrón de interferencia de la Figura 3.

Patrón de interferencias creado por electrones

La explicación más ortodoxa que nos proporciona la Física es que el electrón, que inicia su trayectoria como un partícula unitaria, al llegar a la doble rendija se transforma en una onda de probabilidad y atraviesa las dos rendijas a la vez, interfiriendo consigo misma y participando en crear, por tanto, el típico patrón de la Figura 3. Matemáticamente, cada electrón atraviesa las dos rendijas a la vez, no atraviesa ninguna y atraviesa cada una de las dos individualmente, en lo que se conoce como un estado de "superposición" de probabilidades. Asombrados ante esta situación contraria al sentido común, los físicos decidieron observar más de cerca y comprobar qué es lo que ocurre realmente cuando el electrón pasa por las ranuras. Colocaron un dispositivo medidor cerca de las dos rendijas para ver cuál de ellas atravesaba y ¡oh, sorpresa!, el electrón volvió a comportarse como una pequeña bolita, atravesando sólo una de ellas, originando el patrón de la Figura 2 y no el de la Figura 3. El acto de observar provoca que el electrón "decida" comportarse de una forma u otra, como si "supiera" que está siendo observado y que debe mostrar sólo uno de los estados posibles que antes estaban en superposición. Es lo que se conoce en Física Cuántica como "colapso de la función de onda", siendo el observador el responsable directo de dicho colapso.
Esta extraña característica es común no sólo a los electrones, sino también a fotones, protones, etc. Como ya comentamos en el post anterior, las partículas elementales son una ininteligible mezcla de materia y onda probabilística que, mientras no son observadas, existen como una extraña forma de superposición de estados, y nos muestran una "cara" u otra según la "intención" del experimento que diseñemos. Desde luego, es algo para reflexionar.

La extraña naturaleza de la Naturaleza (I)

Bien sabido es que mientras más profundizamos en el conocimiento de los secretos del mundo que nos rodea, más interrogantes y misterios sin resolver se nos muestran. Cada vez que abrimos una puerta, llegamos a una habitación que tiene otras muchas por abrir. Es la búsqueda incesante del hombre, su insoslayable afán por saber el porqué, el cómo y el cuándo de todas las cosas.

En el año 1900, Max Planck, un físico alemán, publicaba su Teoría Cuántica, dando así el pistoletazo de salida a lo que hoy se denomina "Física Moderna". En dicha teoría, Planck puso de manifiesto que la energía de un sistema cualquiera (un fotón, una reacción química, una estrella...) no puede ser emitida ni absorbida de forma continua en un rango cualquiera de valores, sino que toda esa energía tiene que ser, forzosamente, múltiplo de una unidad fundamental a la que él denominó "cuanto" (quantum, en inglés). De ahí la expresión "Física Cuántica".

Esta conclusión, avalada por todo un inmenso bagaje de pruebas experimentales, es ya de por sí extraordinaria; viene a decir que estamos viviendo en un universo de tipo "discreto" en cuanto a los rangos posibles de energía. Ésta sólo puede presentarse en paquetes cuyos valores son siempre proporcionales a la constante de Planck (6.62606896(33) ×10 ^-34 J.s) y a la frecuencia. Esto es tan extraño, y tan contrario a nuestra experiencia cotidiana, como si una bala disparada por un arma de fuego no pudiese pasar por todas las posiciones espaciales que van desde la embocadura del cañón hasta el blanco, sino que fuese desplazándose a "saltitos", desapareciendo de una posición y apareciendo en otra más distante sin pasar por las intermedias. 

Cuanto de energía (fotón) emitido por un electrón al "bajar" de orbital

Igualmente desconcertante es lo que en Física se conoce como "dualidad onda-partícula", que viene a decir que las partículas elementales (electrones, fotones, etc.) no tienen una única naturaleza definida; si no se las observa, son una mezcla de partícula puntual y onda de energía. Si se prepara algún experimento para que "muestre" su cara verdadera, habrá veces en que se comportarán como onda y otras en que lo harán como partícula, coincidiendo con la intención del experimento.

Partículas preparándose para "actuar" como ondas ante un experimento al respecto

El mundo macroscópico en el que se desenvuelve el hombre parece, a tenor del comportamiento de nuestros constituyentes elementales, una representación muy distorsionada de la realidad. Al perderse los efectos cuánticos cuando aumentamos las escalas de observación (desde una partícula a un ser humano), la realidad que observamos poco o nada tiene que ver con la que subyace a los auténticos componentes básicos del Universo. Confiemos en que la Ciencia llegue un día a abrir todas las puertas que aún permanecen cerradas y a mostrarnos, de forma incuestionable, la auténtica naturaleza de la Naturaleza.

Las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales

Las fuerzas fundamentales son las distintas formas en que las partículas interaccionan entre sí. Hasta ahora, conocemos cuatro tipos de interacciones fundamentales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria.

La interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los quarks para formar otras partículas mayores -como protones y neutrones-. Esta interacción se produce mediante el intercambio de unas partículas mediadoras (bosones) llamadas gluones. Aunque se trata de la interacción más fuerte de las cuatro, su radio de acción se limita a distancias comprendidas dentro del núcleo atómico.

Gluones manteniendo unidos a tres quarks para formar un protón

La interacción nuclear débil es la responsable de la radioactividad y del fenómeno conocido como "decaimiento beta" (neutrones que, emitiendo una partícula beta -un electrón o un positrón- y un antineutrino, se transforman en protones para optimizar el número de éstos en el núcleo atómico). Las partículas mediadoras de esta interacción son los bosones W y Z, que tienen una masa considerable. Es la tercera interacción en cuanto a fuerza relativa y su distancia efectiva es mil veces más pequeña que la nuclear fuerte.

Esquema del decaimiento beta

La interacción electromágnética es la que se produce entre partículas dotadas de carga eléctrica, estando éstas en reposo (fuerza electrostática) o en movimiento (fuerzas eléctrica y magnética combinadas). La partícula mediadora de esta interacción es el fotón, una partícula de masa prácticamente nula y alcance infinito. La fuerza electromágnética es la segunda más intensa después de la nuclear fuerte.

Líneas del campo magnético generado por una corriente eléctrica

La interacción gravitatoria es la más débil de las cuatro, afecta a todos los tipos de partículas, tiene carácter exclusivamente atractivo y su alcance es infinito. Como ya expusimos en el post ¿Pueden curvarse el espacio y el tiempo?, según la Teoría de la Relatividad, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de objetos con masa. Desde el punto de vista del Modelo Estándar, la interacción gravitatoria tendría una hipotética partícula portadora o mediadora, el gravitón, indetectado hasta la fecha.

Deformación espaciotemporal por la presencia de un objeto masivo

En próximos posts trataremos en más profundidad cada una de estas interacciones.

Acercándonos a lo muy pequeño

Después de un primer vistazo a la enormidad del Universo y sus medidas, vamos a iniciar ahora un acercamiento al extremo opuesto: el mundo submicroscópico, el mundo del átomo y sus constituyentes elementales.

Imaginemos que tenemos un trozo de un elemento puro, aluminio, por ejemplo, y lo vamos dividiendo en trozos cada vez más pequeños. Pues bien, a la mínima cantidad de ese elemento que podamos obtener conservando todas sus propiedades y características se le llama "átomo" (del griego átomon, sin partes o indivisible). Durante bastante tiempo se pensó que el átomo era el constituyente más pequeño de la naturaleza, pero los avances científicos mostraron que se podía ir más allá, es decir, que un átomo individual estaba formado por otros componentes más pequeños. Así, hoy sabemos que los átomos tienen una estructura formada por un núcleo central de protones y neutrones, rodeada por una nube probabilística de electrones (ya profundizaremos en esto más adelante), separadas ambas partes por un enorme (en relación a los tamaños de las partículas) espacio vacío. Los protones y neutrones están formados, a su vez, por tres quarks cada uno y se clasifican dentro de las partículas subatómicas, mientras que electrones y quarks forman parte de las partículas elementales (ya que no contienen otros componentes, por lo que sabemos hasta ahora).

A partir del gráfico podemos notar que un átomo es 10.000 veces mayor que su nucleo; o lo que es lo mismo, que entre el núcleo y los orbitales donde podemos encontrar a los electrones hay un espacio vacío 10.000 veces mayor que el diámetro del núcleo. Si éste tuviese el tamaño de una pelota de baloncesto, los electrones orbitarían en una esfera de 2,5 kilómetros de diámetro.

El famoso experimento de Rutherford con la lámina de oro (1911) fue el primero que demostró que, efectivamente, el átomo consiste fundamentalmente en un gran espacio vacío. Entonces, ¿por qué nos parece que las cosas son "sólidas"? Todo es cuestión de escalas y tamaños relativos. Seguiremos hablando de ello en próximos posts.

El extraño comportamiento de la luz

Ya sabemos la enorme rapidez con la que se desplaza la luz (cuya particula portadora es el fotón) en el vacío, unos 299.792 kiómetros por segundo (ver el post La Edad del Universo). Un fotón emitido por el sol tarda poco más de 8 minutos en llegar a la Tierra, tras recorrer un trayecto de casi 150 millones de kilómetros.

Desde luego es una velocidad impresionante, pero más impresionante es que, según las ecuaciones de la Relatividad Especial de Einstein y todas nuestras pruebas experimentales, no hay nada en el Universo que pueda moverse más rápido que la luz, ni siquiera a su mismo nivel. Pero aquí no terminan las sorpresas; resulta que esta velocidad de la luz es "absoluta", es decir, no depende de la velocidad del foco emisor. Imaginemos una potente linterna autopropulsada que puede navegar por el espacio como si fuese una nave estelar. Imaginemos que nosotros estamos mirando por la ventana de una estación espacial en órbita y que la linterna se mueve en línea recta hacia nosotros a un velocidad constante de, pongamos, 100.000 km/s; ¿a qué velocidad nos alcanzará la luz que emite? Si este problema se lo hubiesen planteado a Newton o cualquier físico de los dos siglos posteriores a él, la respuesta hubiese sido: 299.792 + 100.000 = 399.792 km/s. La velocidad de la luz emitida se obtendría sumando la correspondiente a la luz con la del foco emisor (la linterna). De igual forma podríamos calcular la velocidad en el caso de que la linterna se alejase de nosotros a la misma velocidad constante; en este caso, obtendríamos 199.792 km/s (restando, evidentemente, a la de la luz, la velocidad del foco que la emite). Sin embargo, numerosos experimentos -como el de Michelson y Morley- demostraron más allá de toda duda que la física clásica estaba equivocada con la luz; su velocidad es totalmente independiente de la de su foco. 

Mesa óptica usada por Michelson y Morley en su experimento

Esta conclusión fue incorporada por Albert Einstein en su Relatividad Especial, dando como resultado que si la luz se desplaza con una rapidez "absoluta", deben ser el espacio y el tiempo los que tienen que ser "relativos", según la velocidad y dirección del marco de referencia del observador. Es decir, que dos observadores moviéndose uno con respecto al otro, obtendrán mediciones distintas (aunque ambas válidas) sobre distancias y tiempos de un mismo fenómeno observado. Parece paradójico, ¿no? Pues la pruebas experimentales que lo corroboran son abrumadoras, y mucha de la tecnolgía moderna que nos sustenta (los satélites y receptores de GPS, por ejemplo) tiene que diseñarse en base a las ecuaciones relativistas para funcionar correctamente. Seguiremos profundizando en ello.

Estrellas que explotan y siembran vida

En el Universo existen muchos tipos de estrellas, distintas en composición, brillo, edad, tamaño, etc. Nuestro Sol es una estrella mediana -su diámetro es de, aproximadamente, 1.400.000 kilómetros- con una masa de 1,9891 × 10³⁰ kilogramos (unos dos mil cuatrillones de toneladas) y una edad cercana a los 4.570 millones de años. Pero hay "soles" mucho más pequeños, más grandes, más o menos brillantes, más o menos "viejos"...

Tamaño comparativo del Sol con otras estrellas conocidas mayores

La estrellas nacen y mueren (la nuestra "arderá" unos 5.000 millones de años todavía) y, dependiendo fundamentalmente de su masa, tendrán un tipo de muerte u otro. El colapso de nuestro Sol acabará seguramente con su conversión en Enana Blanca, un tipo de astro pequeño, frío e inerte.

Pero, ¿qué ocurriría en el caso de otras estrellas mucho más masivas? En este tipo de estrellas, llega un momento en que la presión de degeneración de los electrones se hace insostenible y deriva en un colapso instántaneo y una explosión posterior que libera cantidades de luz y energía difícilmente descriptibles (esto es lo que se conoce como "supernova"). Se estima que una supernova puede producir 10 trillones de cuatrillones de Julios varias veces seguidas. Antes de esta gigantesca liberación de energía, los sucesivos procesos de fusión nuclear en su interior habrán transmutado el hidrógeno y el helio en otros elementos más pesados, como oxígeno, carbono, calcio, etc., los cuales son liberados al espacio y pasan a formar parte de otros astros en formación, pudiendo así -cuando las circunstancias sean favorables- contribuir al inicio de la vida.

Explosión de una supernova (NASA)

Si no fuera por estas explosiones de supernovas, el Universo constaría prácticamente sólo de hidrógeno y helio, con lo que sería imposible la vida tal como la conocemos.

¿Cuántas estrellas y galaxias hay en el Universo?

Aunque se desconoce el número exacto, las últimas estimaciones apuntan a que podrían existir unos 500 mil millones de galaxias en el Universo. Si tenemos en cuenta que una galaxia promedio, como la Vía Láctea, puede albergar unos 400 mil millones de estrellas, el número total puede resultar una cifra mareante: 200 mil trillones de soles. Y recuerda que la masa de todos ellos (junto con los planetas, satélites, asteriodes, cometas, etc.) constituye sólo el 0,6% del conjunto del Universo (ver el post ¿De qué está formado el Universo?).

Cúmulo de Galaxias (NASA/JPL-Caltech)

Está claro que la Cosmología nos abruma con sus distancias, cantidades y tiempos desmesurados. Cuando entremos en el mundo de lo muy pequeño (las partículas subatómicas) veremos que también lo submicroscópico nos asombrará sobremanera, incluso de forma más radical todavía. Nuestro tamaño como seres vivos parece justo a medio camino entre el macro y el micromundo, lo que nos hace quedar estupefactos ante ambos. Sin embargo, y a pesar de que estamos hechos de los mismos componentes básicos que ellos, nuestra evolución nos ha permitido desarrollar capacidades que nos acercan cada día más al descubrimiento de cómo funciona realmente el Universo, desde un cúmulo galáctico a un simple quark.

¿Pueden curvarse el espacio y el tiempo?

La Teoría General de la Relatividad de Einstein demostró matemáticamente que la gravedad, más que una fuerza al estilo newtoniano, es en realidad una consecuencia de la propia geometría del tejido espaciotemporal. Si imaginamos el espaciotiempo como una malla compuesta por tres dimensiones espaciales más una temporal (algo difícil de visualizar), podemos entender la gravedad como la distorsión que sufre esa malla como consecuencia de los elementos masivos (planetas, estrellas, galaxias...) que contiene. Cuanta más masa tiene un cuerpo, más distorsionada o curvada estará la malla del espaciotiempo.

La Tierra, por ejemplo, sigue en su trayectoria alrededor del Sol el camino más recto que puede encontrar (el equivalente a una geodésica cuatridimensional); pero resulta que como el Sol, con su gran masa, curva el espacio (y el tiempo) en torno a él, el camino más recto es una elipse. Sin la presencia de nuestra estrella, la Tierra seguiría una trayectoria recta por el espacio.

Cuando nos encontramos con un objeto extremadamente denso y masivo -como puede ser un agujero negro-, el espaciotiempo se curva tanto que puede llegar a cerrarse sobre sí mismo e, incluso, a desgarrarse, produciendo una "singularidad". Esa curvatura extrema impide que la luz abandone su superficie, de ahí lo de "negro".

Aunque en las imágenes aparecen representadas sólo las dimensiones espaciales, no hay que olvidar que el tiempo se curva y distorsiona a la vez que lo hace el espacio. Las ecuaciones muestran que en el interior de una singularidad el tiempo puede llegar a detenerse totalmente.

Seguiremos profundizando en este tema.

¿Cuántas dimensiones tiene el Universo?

Si quisieramos situar un objeto o un evento en un punto cualquiera del Universo, tendríamos que proporcionar cuatro coordenadas: tres espaciales (largo, ancho y alto) y una temporal (es decir, en qué momento está allí el objeto o ha sucedido el evento). Así pues, en apariencia, viviríamos en un Universo de 4 dimensiones, según nos dicta nuestra experiencia cotidiana.

Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad General y otros autores posteriores (Minkowski entre ellos), demostraron matemáticamente que no podemos hablar de espacio y tiempo por separado, sino que el tejido "real" del Universo es un continuo espaciotemporal cuatridimensional. Las tres dimensiones espaciales y la dimensión temporal están indisolublemente entrelazadas, dando forma a la geometría que el Universo nos muestra.

Representación simbólica del "tejido" espaciotemporal

La gran dificultad que los físicos han tenido (y siguen teniendo) para conjugar los postulados de la Relatividad con los de la Mecánica Cuántica (en su búsqueda de una teoría general de la Gravitación Cuántica que pueda aplicarse a las singularidades), ha sido el elemento clave en la aparición de nuevos paradigmas físicos en los que se hacen necesarias nuevas dimensiones espaciales para que sus ecuaciones sean coherentes. De todos ellos, la Teoría de Cuerdas (o Supercuerdas) es la principal candidata a ofrecer un poco de luz en esta búsqueda. Como veremos en posteriores artículos, esta nueva teoría precisa de un Universo de 10 dimensiones (11 en algunos casos y 26 en otros), para que sus matemáticas tengan sentido. ¿Dónde estarían todas esas otras dimensiones que no podemos percibir? Sus teóricos apuntan la posibilidad de que estén "enrolladas" sobre sí mismas a un nivel tan pequeño (por debajo de la distancia de Planck) que es imposible para nosotros observarlas. Diversos experimentos (entre ellos, en los aceleradores de partículas) tratan de obtener pruebas indirectas de estas dimensiones adicionales.

Representación de dimensiones adicionales enrolladas en cada punto del espacio ordinario

Un poco más sobre el Big Bang

Como ya apuntábamos en anteriores posts, la ciencia acepta hoy, de forma casi unánime, que el Universo actual tuvo su origen hace unos 13.700 millones de años en un evento conocido como Big Bang (Gran Explosión). Este nombre desafortunado (ni fue grande, ni fue una explosión como las que conocemos) se lo debemos al astrofísico Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría que la bautizó así de forma despectiva. Si el Universo se expande (es decir, si las galaxias se alejan cada vez más unas de las otras) como demuestran las observaciones, parece claro que mientras más retrocedamos en el tiempo, más pequeño será su tamaño y más "apretada" estará toda la materia y la energía existentes. Hasta tal punto que, si retrocedemos lo suficiente, todo estaría concentrado en un volumen infinitesimal de energía y temperatura matemáticamente infinitas (o, al menos, indescriptibles), conocido como "singularidad espaciotemporal".

Preguntarnos cómo llegó el Universo a este estado o qué era lo que existía con anterioridad a él son preguntas que la Física actual no puede responder. Las leyes que conforman el marco teórico de esta disciplina no "funcionan" más allá de unas millónésimas de segundo después del Big Bang. Ni siquiera podemos hablar de un tiempo anterior a ese momento, ya que los físicos insisten en que el tiempo se creó también en el Big Bang, junto con el espacio, la energía y la materia que conocemos.

Bien, pues según muchas evidencias empíricas y teóricas, esa singularidad de energía y temperatura infinitas "explotó" de alguna manera, dando lugar al Universo en que vivimos. Desconocemos los mecanismos que causaron este efecto y puede que nunca lleguemos a conocerlos.

Con el tiempo, el Universo se fue enfriando al expandirse, lo que trajo consigo la separación de las cuatro fuerzas fundamentales que conocemos (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria) y la creación de las partículas elementales (quarks, electrones, etc.). Posteriormente los distintos tipos de quarks se unirían para crear protones y neutrones, los cuales formarían más tarde los primeros núcleos de deuterio y de helio y, unos 300.000 años después del Big Bang, otros átomos -fundamentalmente hidrógeno- uniéndose a los electrones.
Aunque, en principio, la materia estaba casi uniformemente distribuida, posteriormente algunas regiones algo más densas crecieron gravitacionalmente aumentando su densidad y formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Esta distribución de materia, energía y fuerzas fundamentales daría lugar, mucho más tarde, a la aparición de la vida, la inteligencia y la consciencia en un pequeño planeta rocoso azul de una galaxia espiral cualquiera.

Evolución del Universo desde el Big Bang

Las tres evidencias principales que apoyan esta teoría del Big Bang (en las que profundizaremos en otros posts) son: el corrimiento hacia el rojo de las galaxias (es decir, la prueba de que se están alejando), la radiación de microondas del fondo cósmico (es el remanente energético de aquella "explosión" primigenia) y la abundancia de elementos ligeros en el Universo actual (en concordancia con la teoría).

Mapa de la radiación de microondas del fondo cósmico (WMAP)

La Energía Oscura

La energía oscura es un tipo hipotético de energía que impregna todo el tejido del Universo, produciendo en éste una presión de signo negativo que aceleraría su expansión, al generar una fuerza gravitacional repulsiva.

Su existencia se dedujo a través de la observación de ciertos tipos de supernovas (explosiones de estrellas muy masivas), que sugerían que la expansión del Universo se estaba acelerando, como empujada por una "fuerza misteriosa"; a esta fuerza se le denominó energía oscura.

Representación de la energía oscura (Center for Cosmological Physics)

Este tipo de energía desconocida, de existir, jugaría también un papel fundamental en el destino final del Universo, pues dependiendo de su naturaleza y de su potencial podría, incluso, llegar a desgarrarlo (Big Rip) en unos 20.000 millones de años. 

Seguiremos profundizando en estas cuestiones.

La Materia Oscura

Se denomina así a un tipo hipotético de materia, de composición desconocida, que no puede ser observada directamente (al menos, con los medios técnicos actuales) al no emitir o reflejar radiación electromagnética suficiente. Sin embargo, sus efectos gravitacionales sobre la materia ordinaria sí que son observables y cuantificables.

Efecto de lente gravitacional creado por la supuesta

interacción entre la materia oscura y la ordinaria

La existencia o no de materia oscura y su cantidad puede resultar crucial para el destino del Universo. Dependiendo de cuánta materia oscura exista, la expansión del Universo podría continuar indefinidamente, podría ralentizarse, detenerse o, incluso, invertirse (Big Crunch).

¿De qué está formado el Universo?

Aparentemente, y así se pensó durante mucho tiempo, el Universo parece formado por un número elevadísimo de galaxias con mucho espacio vacío de por medio; es decir, sus componentes básicos serían la materia ordinaria (protones, neutrones, electrones, etc.), la energía de las distintas reacciones y radiaciones y el vacío. Pero exámenes y cálculos más minuciosos han mostrado que esto no es así.

Composición porcentual del Universo

Según alcanzamos a comprender ahora, toda esa materia ordinaria de la que estamos hablando (estrellas, planetas, asteroides, etc.) junto con todo el gas interestelar, conforman sólo el 4% del total materia-energía del Universo. El 96% restante se lo reparten entre la "materia oscura" (23%) y la "energía oscura" (73%).

El Universo se expande

Si has leído los posts anteriores sin tener nociones básicas de Cosmología, quizás hayas pensado que, en el momento del Big Bang, el Universo se creó tal como ahora lo vemos. Nada más lejos de la realidad. Todo parece indicar que en el instante "cero" de su creación, nuestro Universo no era más que un punto infinitesimal de densidad infinita (o, al menos, indefinida). A partir de esa "gran explosión" y hasta el momento actual, no ha dejado de crecer, de expandirse, pasando desde un tamaño prácticamente nulo a la esfera de 93.000 millones de años luz de diámetro (aproximadamente) que es ahora.

Hay que hacer notar que el Universo no se expande sobre ninguna "matriz contenedora" que existiera previamente, sino que es el propio espacio (y el tiempo) el que se dilata. Parece ser que no tiene sentido preguntarse por lo que pudiese existir fuera de las fronteras del Universo porque, realmente, éste no tiene fronteras (es autocontenido). Todo lo que existe o pudiera existir tiene que estar "obligatoriamente" dentro. Teóricamente, si pudiésemos partir de la Tierra en línea recta en una nave lo suficientemente rápida, al cabo de un tiempo volveríamos a llegar al mismo punto (es decir, a la Tierra), sin abandonar nuestra trayectoria rectilínea. ¿Cómo te quedas?

Más adelante matizaremos todas estas afirmaciones y apuntaremos otras perspectivas teóricas que han ido surgiendo en los últimos años.

La Edad del Universo

Después de superados el misticismo y la mitología característicos de los primeros intentos de calcular la edad del Universo, durante las últimas décadas se han ido obteniendo cifras cada vez más precisas, basadas en las observaciones y los datos de los más recientes telescopios, tanto orbitales como terrestres. Así, actualmente se acepta que el Universo "nació" hace unos 13.700 millones de años, un periodo de tiempo difícilmente abarcable para la mente humana.

La galaxia más lejana que podemos observar se encuentra a unos 13.000 millones de años luz, una distancia también inabarcable para nuestros limitados cerebros. La luz que ahora nos llega de esa galaxia partió de allí hace 13.000 millones de años, así que, si la luz recorre unos 299.792 kilómetros cada segundo, podemos calcular que, en ese espacio de tiempo, habrá recorrido unos ¡123 mil trillones de kilómetros! ¿No es increíble que podamos detectarla con nuestros telescopios?

El Principio Antrópico

Este principio antrópico (del griego anthropós, hombre), a veces confuso y casi siempre controvertido, puede expresarse de muchas formas distintas, pero su idea fundamental puede resumirse en que "el Universo es como es porque nosotros estamos aquí para observarlo". Tanto desde el punto de vista físico como cosmológico, esta afirmación otorga un papel fundamental a los seres dotados de conciencia dentro de la inmensa maquinaria universal. 

Aunque tiene varias formulaciones (débil, fuerte y final), todas recogen (con un grado ascendente de rotundidad) que las condiciones y variables que se vienen dando desde el principio del Universo (Big Bang) parecen haber sido "afinadas" de forma que, finalmente, hayan permitido la aparición de vida consciente e inteligente en el Cosmos. Esto no tiene nada que ver con la figura de un "creador"; más bien viene a decir que, de todos los Universos posibles que pudieron crearse en el Big Bang, éste es el que tenemos porque unos seres como nosotros están aquí para poder observarlo y plantear las preguntas necesarias para comprenderlo. Interesante, ¿no? Seguiremos ahondando en el tema más adelante.

¿Qué es el Universo?

El Universo es TODO cuanto existe: el espacio, el tiempo, la materia, la energía... No es un contenedor donde se alojan todas esas cosas, porque no existe nada fuera de él (aunque algunas teorías sugieren ideas diferentes, como ya iremos viendo). 

El Universo observable, según el telescopio Planck.

Se supone que antes de que el Universo se creara en el Big Bang (gran explosión) no existía absolutamente nada, ni siquiera espacio o tiempo. La Física actual no puede penetrar con sus afinadas leyes más atrás del momento de la creación, así que, para la ciencia, no tienen mucho sentido preguntas relativas a qué había antes de ese gran estallido.

Apertura del blog

Por fin me he decidido a poner en marcha este blog. En él quiero reflejar algunas cuestiones fundamentales relativas a cómo el Universo va poco a poco despejándonos sus incógnitas, gracias a los grandes avances teóricos y prácticos de la ciencia. Éstos nos muestran que, además de energía, materia y fuerzas fundamentales, el papel del ser humano como observador puede ser una de las claves para desentrañar y comprender los profundos secretos que nuestro Universo guarda aún en su interior. Bienvenidos, viajeros.