EL CODIGO GENETICO DEL UNIVERSO
Aunque nuestra experiencia en la vida cotidiana esté caracterizada por la apariencia de la continuidad, la noción de que la materia está formada por partículas microscópicas en estructuras organizadas, obedeciendo a determinadas leyes, es hoy una evidencia científica experimental conocida. Su aplicación practica ha tenido importantísimas consecuencias, que van desde la comprensión de la bioquímica de la vida, hasta la exploración de diferentes formas de energía (incluyendo su utilización en la medicina); desde el desenvolvimiento de nuevas y casi instantáneos medios de comunicación, hasta la comprensión de los graves problemas ambientales de nuestra era o, más aún, la increíble aventura de intentar percibir si este Universo en que vivimos existe desde siempre y para siempre, o tuvo un inicio y tendrá, un día, un final –quien sabe si para volver a tener otro inicio y otro fin … y así cíclicamente…
¡EN EL BUEN CAMINO!
Abstrayéndonos de esfuerzos de conocimiento afortunadamente más antiguos, y tomando solo en cuenta la llamada civilización occidental, es cierto que los filósofos griegos de la antigüedad ya especulaban sobre la posible divisibilidad de la materia y sobre la existencia de una básica simplicidad responsable de la inmensa variedad que nos rodea. En el Siglo VI a. de C., Demócrito llegó a desarrollar la idea de que toda la materia estaba constituida de minúsculas partes, a las que dio el nombre de átomos –palabra que significa “imposible de dividir”-. Entre tanto, no fue hasta 1.808, con los trabajos de John Dalton, que se fijaron definidamente las bases de la teoría atómica de la materia. Se demostraba que una gran cantidad de substancias se podían descomponer en otras más simples, denominadas como substancias elementales o elementos, que no podían ser descompuestas más; era el caso del hidrogeno, del carbono, del oxigeno, del sodio o del cloro, entre otros.
Dalton propuso que la formación de sustancias compuestas, resultante de la ligación de esos elementos, podía ser explicada si cada uno de ellos estaban formados por átomos –nombre que escogió para homenajear a Demócrito y por considerar que los átomos eran unidades indivisibles- que se asociaban para constituir unidades más complejas (o moléculas).
La investigación continuó durante el siglo XIX, llegando a ser posible calcular la masa de los átomos de cada elemento. Así, en 1.869, Dimitri Mendeleev organizó una tabla –conocida como “Tabla Periódica”-, ordenando todos los elementos conocidos entonces, desde el más ligero (Hidrógeno) hasta el más pesado (Uranio), de acuerdo con sus masas atómicas. El resultado fue sorprendente: los elementos vecinos exhibían propiedades químicas semejantes. La regularidad manifestada en la Tabla Periódica daba indicios sobre la analogía en la constitución fundamental de los átomos de esos elementos.
COMO UN SOL Y SUS PLANETAS
En 1897 quedó experimentalmente demostrada la divisibilidad del átomo, cuando J. J. Thomson descubrió que el filamento de un metal caliente emitía partículas con carga eléctrica negativa. Estas partículas podían ser obtenidas a partir de una tan gran variedad de elementos que Thomson concluyó correctamente que ellas debían existir en todos los elementos. Les dió el nombre de electrones. Pensaba que el átomo era una especia de “puding de pasas”; la masa del puding tenía carga positiva, y los electrones, negativos, se desplegaban como pasas dispersas, de forma que el conjunto tenía carga eléctrica total nula.
En 1911, E. Rutherford descubrió que la carga positiva del átomo, y prácticamente la totalidad de su masa, estaba de hecho concentrada en un pequeñísimo núcleo central, y Niels Bohr propuso para el átomo un modelo semejante al del Sistema Solar: un núcleo central de carga positiva (protones), alrededor del cual gravitarían electrones en “orbitas” bien identificadas.
Newton había sistematizado en su ley de gravitación (siglo XVII) que entre todos los cuerpos con masa actúa la fuerza de la gravedad. Es ésta la fuerza de cohesión del Sistema Solar y de las Galaxias, más importante a escala cósmica. Entretanto, las masas de las partículas constituyentes al átomo son tan pequeñas (10 -27 Kg. en el caso del protón y de 10-31 Kg. en el del electrón) que la fuerza gravitacional entre ellas es despreciable en comparación con otras fuerzas. Así, la cohesión del átomo se debe más bien a la “fuerza electromagnética” que actúa entre cargas eléctricas y que, siendo atractiva para cargas de signo contrario, asegura la ligación ente el núcleo positivo y los electrones (negativos).
Ciertamente las órbitas de los electrones tienen energías bien definidas de acuerdo a la mecánica quántica –rama de la física que estudia las leyes del mundo extremadamente pequeño-.
Los electrones de una órbita con determinada energía solo pueden cambiar a otra si el átomo absorbe o libera cantidades de energía bien determinadas. La distribución de los electrones por niveles concretos de energía en los átomos explica con éxito la regularidad de las propiedades químicas de los elementos, patente en la Tabla Periódica de Mendeleev.
En los años 30, J. Chadwick descubrió el neutrón. El núcleo atómico no estaba constituido solo de protones; incluía también partículas con masa semejante a la de los protones aunque sin carga eléctrica, los neutrones. Para explicar la cohesión del núcleo- que tendería a deshacerse por la fuerza electromagnética de repulsión entre los protones –se propuso la existencia de la “fuerza fuerte”, una fuerza de enorme intensidad, mas de muy corto alcance, independiente de la carga eléctrica, y que confinaría las partículas intranucleares en una pequeñísima región del espacio-.
La materia que conocemos representa una gran diversidad. Todavía los protones, los neutrones y los electrones son indistinguibles entre si. No hay electrones “más pesados”, ni neutrones más “gordos”, o protones ligeramente diferentes unos de otros. Por tanto, átomos con igual numero de protones en el núcleo son átomos del mismo elemento químico: el hidrógeno tiene un protón, el helio dos, el carbono doce, e igual ocurre con los restantes. En un átomo, el número de protones del núcleo es igual al número de electrones que gravitan a su alrededor, lo que justifica su neutralidad eléctrica. Las diferencias y semejanzas que Mendeleev encontró en las propiedades químicas de los elementos ordenados en la Tabla Periódica eran justificadas por las semejanzas y diferencias encontradas en la constitución de los átomos respectivos.
AUNQUE, ENTRETANTO …
…a finales del siglo XIX, Henri Becquerel descubrió el fenómeno de la radioactividad exhibido por algunas substancias. Se trataba de la desintegración espontánea de sus núcleos atómicos en uno o más núcleos diferentes, con emisión de uno o varios de los tres tipos diferentes de radiación: alfa, beta o gamma. Se comprendió posteriormente que esta radiación correspondía a núcleos de helio, a electrones y fotones (“packs” de energía luminosa, también conocidos como “cuantos” de elevada energía), respectivamente.
LA radiación beta corresponde a la desintegración de un neutrón, originando un protón, un electrón y un neutrino. Esta última partícula, idealizada por Pauli y Fermi en 1.931, no fue detectada hasta 1.956. En la naturaleza existen tres tipos de neutrinos, todos son carga eléctrica nula. Actualmente se realizan muchas experiencias con el objetivo de intentar conocer su masa, admitiéndose que sean también nulas o muy próximas a cero. Los neutrinos son muy abundantes en nuestro Universo; no obstante, su interacción con la materia es tan débil que son muy difíciles de detectar. De hecho, un neutrino producido en una desintegración beta en la superficie del Sol puede atravesar la Tierra como si ésta fuese un espacio vacío. La fuerza que gobierna los procesos que envuelven estos neutrinos (y por tanto la radiación beta) es la “fuerza débil”. Su alcance es tan corto que su efecto es cerca de un billón de veces más débil que el de la “fuerza fuerte”.
A pesar de no ser uno de los constituyentes fundamentales del átomo, y por tanto de los cuerpos materiales, el neutrino puede representar un papel relevante en la Naturaleza a escala cósmica.
MATERIA Y ANTIMATERIA
En 1.928 Paul Dirac verificó que su teoría quántica implicaba la existencia de particulas de anti-materia. El primer ejemplo de estas anti-partículas fue descubierto en 1.932 por D. Anderson: el positrón, la antipartícula del electrón. Una antipartícula tiene la misma masa que la partícula correspondiente, aunque una carga eléctrica simétrica (es decir, de signo contrario). Por ejemplo, el antiprotón tiene la misma masa del protón, aunque su carga es negativa. ¡Es un protón negativo!
Materia y antimateria pueden aniquilarse mutuamente y convertirse en otras formas de energía. Inversamente, si existe suficiente energía contenida en una pequeña región del espacio-tiempo, puede producirse materia y antimateria en igual cantidad. Aunque puedan crearse y ser detectadas, las antipartículas no parecen ser parte del Universo que conocemos. Nuestros átomos, y por tanto todas las substancias de nuestro mundo físico, son formados por electrones alrededor de protones, y no de positrones que envuelven antiprotones. ¿Por qué no detectamos mundos constituidos de antimateria? Si el Universo se desenvuelve a partir de una singularidad energética (como hoy se admite), ¿no debería haber sido creada, en el proceso de surgimiento tanta antimateria como materia? ¿Por qué no hay señales de antigalaxias, antisoles, anti…? Este es un importante enigma de la Cosmología actual.
¡PARTICULAS Y MAS PARTICULAS!
Como ya indicamos, los electrones se producen sencillamente calentando un pedazo del metal (son ellos lo que crean las imágenes en nuestros televisores), y los protones se obtienen retirando al átomo de hidrogeno su único electrón, por ejemplo usando luz. Para estudiar partículas más exóticas, los científicos tienen que recurrir a otras fuentes posibles: los rayos cósmicos, especialmente protones que constantemente bombardean la Tierra venidos del espacio, y provocando la colisión con los átomos de las capas superiores de la atmósfera, verdaderos manantiales de otras partículas secundarias; los reactores nucleares, donde se desintegran núcleos radioactivos emitiendo una diversidad de partículas, como neutrones, neutrinos, partículas alfa, beta, rayos gamma, entre otras; y finalmente los aceleradores de partículas donde los electrones protones son acelerados y estrellados contra blancos, o unos contra otros, generando series de otras partículas y antipartículas, muchas de las cuales a su vez pueden ser aceleradas separadamente y usadas para crear nuevos productos.
Utilizando estos medios, la Física de partículas descubrió desde los años 30 un verdadero “submundo”, de más de 100 partículas y antipartículas.
En los inicios de la década de los 60, agrupándose las partículas conocidas de acuerdo con las propiedades que evidenciaban, fue posible constatar algo semejante a lo que pasaba con Mendeleev y su Tabla Periódica un siglo antes. Esta sistematización fue propuesto por Ne’eman y Gell-Man, independientemente, y permitió no solo prever la existencia de otras partículas, que fueron siendo descubiertas en los años siguientes, sino también percibir que aquella organización debería tener algo subyacente común en su estructura interna.
¡QUARKS!
En 1.964, Gell-Mann y Zweig verificaron, también de forma independiente, que la sistemática de las partículas descubiertas se tornaba comprensible si ellas estaban constituidas por “quarks”, partículas elementales de carga eléctrica +/- 2/3 e y +/- 1/3 e (siendo e la carga del protón. Los protones y neutrones, por ejemplo, estarían constituidos por combinaciones de quarks, en concreto del quark u (de carga + 2/3 e) y del quark d (de carga-1/3 e); el conjunto uud (carga 2/3 e +2/3 e -1/3e = e) corresponde al protón; el conjunto udd (carga 2/3 e -1/3 e-1/3 e = 0) corresponde al neutrón.
Los quarks fueron descubiertos experimentalmente durante la década de los 70 y el último de ellos, el quark t, solo fue detectado en 1.995. Se conocen hoy 6 tipos de quarks y sus respectivos antiquarks, y en cualquier caso son siempre detectados en asociaciones de un quark y un antiquark, el “mesón”, o de tres quarks, el “barión”, y aunque se haya aplicado enorme esfuerzo en la observación de quarks aislados, nunca se han detectado.
MODELO PATRON (1978 -¿?)
Según el actual Modelo Patrón de la Física, toda la materia que conocemos esta compuesta de tres tipos fundamentales de partículas, quarks, leptones, y bosones o propagadores de fuerza. Para cada quark o leptón, existe siempre un antiquark y un antileptón con carga de signo opuesto. Estas partículas interactúan a través de 4 fuerzas fundamentales (incluida la gravitacional), siendo los bosones las partículas a través de las cuales esa interacción ocurre: los bosones W y Z están asociados a la fuerza nuclear débil; el fotón, la fuerza electromagnética; los gluones, la fuerza fuerte que liga, por ejemplo, los quarks en protones y neutrones, y 1 quark y un antiquark en un mesón. Todas estas partículas son ahora producidas en aceleradores de partículas.
A energías muy elevadas, como las que parecen haber caracterizado los instantes iniciales de formación de nuestro Universo, el modelo patrón prevé que las fuerzas débil y electromagnética sean unificadas en una única fuerza-débil. En el mundo de las bajas energías en que ahora vivimos, estas fuerzas se manifiestan de manera muy diferente; uno de los modelos sobre el mecanismo por el cual ellas se pueden haber diferenciado prevé la existencia de una nueva partícula (el boson Higss), aunque no detectado experimentalmente –tal vez porque su enorme masa ha estado más allá de las posibilidades energéticas de los actuales aceleradores de partículas. Con todo, modelos más complejos prevén no un Higgs, sino una familia de cuatro o más partículas y también que alguno de los quarks puedan tener estructura interna, perdiendo así el estatuto de partículas fundamentales.
…¿Hemos llegado casi a tocar la unidad esencial de constitución de la Naturaleza? ¿Existirá ese bloque fundamental a costa del cuál todo se construye como un creativo juego de “Lego”? ¡Conocemos tanto, y al mismo tiempo, hay tanto que no sabemos! La ciencia ha progresado a una velocidad vertiginosa en conocimiento y comprensión de la estructura de la materia en los dos últimos siglos; en tanto, muchas y fundamentales preguntas continúan sin responder…!
Ellas tienen importantes consecuencias para la compresión de la génesis de nuestro Universo, como será desarrollado en la segunda parte de este artículo (a publicar en próximo número)
Antes de terminar, se nos ocurre reproducir la afirmación, bien digna de consideración, de H.P. Blavatsky en su “Doctrina Secreta”, sobre “la naturaleza ilusoria de la materia y la infinita divisibilidad del átomo”. Ello fue escrito hace casi 120 años, antes de que se experimentase la divisibilidad del átomo y mucho antes de las sucesivas divisiones de las partículas que lo constituyen (ver arriba). Extrañas en la época en que fueron escritas, esas palabras se confrontan hoy con una interrogación que algunos pueden considerar perturbadora y que, todavía, en el actual momento de la ciencia, puede perfectamente ser admitida como una seria hipótesis de trabajo: ¿Será el átomo divisible infinitamente hasta que, nada, objetivamente, quede?
Liliana Ferreira
Licenciada en Física; doctora en Física de Radiación;
Profesora e investigadora en el Departamento de Física de la Universidad de Coimbra.
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