9.23.2013

De lo realmente grande y lo realmente pequeño

De lo realmente grande y lo realmente pequeño
¿Qué ves significativo ahí? 

Principalmente dos pequeños puntitos (que están muy exagerados, de hecho) y una difusa nube alrededor. 

Representan dos protones y dos electrones en una molécula de hidrógeno. 

¿Puedes ver ahora lo vacío que está el espacio entre los átomos y moléculas que nos componen? Pues entonces ahora viene la pregunta: ¿por qué no nos atravesamos entre sí?

Existe una rama de la física que se dedica a estudiar lo muy grande, que conocemos como “cosmología“.


Otra, sin embargo, y muy distinta de ésta, estudia el funcionamiento de la materia y la energía a escalas inapreciables a simple vista.

Esta es la “mecánica cuántica“, apoyada por teorías recientes y novedosas como la gravedad cuántica y las supercuerdas.
¿Por qué ambos tipos de teorías son tan diferentes?

Cuando analizamos el mundo desde nuestro punto de vista, las leyes de Newton se cumplen casi escrupulosamente: los objetos se caen, la Luna gira alrededor de la Tierra y ésta alrededor del Sol, cuando los objetos chocan rebotan o se rompen, etc…

Sin embargo, si intentamos analizar el comportamiento de estos mismos objetos a escala cada vez mejor, empezamos a observar diferentes fenómenos:

- La gravedad comienza a ser demasiado débil y el resto de fuerzas demasiado grandes. Aunque sea la fuerza predominante a grandes escalas, la electromagnética lo es muchísimo más, con la salvedad de que existen dos cargas opuestas de esa misma fuerza.

A medida que vamos añadiendo cargas (moléculas, átomos, partículas…) al sistema, por estadística promedio éstas se van anulando entre sí, provocando que apenas notemos fuerzas electromagnéticas visibles excepto en los peculiares imanes y otros fenómenos específicos. ¿Es esto totalmente cierto?

No del todo, ya que hay una forma muy sencilla de comprobar la existencia del campo electromagnético y su gigantesco poder. Para ello, debes tener en cuenta la siguiente imagen:

La respuesta es: la energía electromagnética de los átomos. Las cargas de los electrones que recubren todos los átomos se repelen entre sí, con lo cual a pesar de estar vacíos, ejercen una fuerza infinitamente mayor que la de la gravedad.

¿Cuánta gravedad haría falta para que atravesáramos el suelo y nos fundiéramos con él? Probablemente una tan grande que haría hervir el planeta… convirtiéndolo en estrella.

¿Comprendes ahora cuán intensa es la energía electromagnética y qué diferentes comportamientos puede provocar a pequeñas escalas como son las de los átomos? Explosiones, reacciones químicas, la vida… todo ello es resultado de la interacción de los átomos gracias a la energía electromagnética, lo que da cuenta de su poder y riqueza. Pero aún hay más…

Si nos seguimos acercando, encontramos dos fuerzas más en el interior de los átomos: la fuerza fuerte y la fuerza débil.

Ambas son infinitamente más poderosas que la electromagnética y, al mismo tiempo, con un alcance mucho menor. Los protones teóricamente deberían repelerse entre sí, debido a que todos poseen carga positiva (y las cargas de mismo signo se repelen).

Sin embargo, existe un tipo de partículas llamadas gluones que son capaces de “pegar” los protones entre sí con una fuerza mucho mayor que la repulsión.

Si esta misma fuerza actuara a grandes distancias sin interferencias, sería similar a crear un agujero negro con la masa de tan sólo un pequeño planeta, de ahí las gigantescas diferencias que hay entre estudiar el universo a simple vista y bajo el potente microscopio de los aceleradores de partículas.

- La materia y la energía comienzan a ser difíciles de distinguir. La conocida ecuación de Einstein ( E=m.c² ) nos da una idea de la equivalencia entre materia y energía, pero no dice que materia y energía sean exactamente iguales. Más bien, son diferentes estados de una misma cosa. La teoría de cuerdas dice que vibraciones, las religiones dicen que un poder superior.

En todo caso, es algo que comienza a difuminarse a medida que nos acercamos a lo más pequeño. , no hay forma de separar la naturaleza de onda y partícula de cualquier partícula en general, excepto colapsando su función de onda.

Este colapso se produce de forma general a grandes escalas, a las que podemos ver en nuestro día a día. Por tanto, raramente observamos la naturaleza de onda de las partículas.

Además, el fotón es lo más cercano a lo que nosotros entendemos como energía: lo emite el fuego, la bombilla, los cables de fibra óptica, la tostadora y la vitrocerámica, la televisión, lo absorbe los paneles solares y las lentes de los telescopios…

Sin embargo, nos encontramos con que a muy pequeñas escalas comienza a comportarse como partícula: choca contra los átomos y les transfiere inercia o rebota, se pueden atrapar en condensados de Bose-Einstein a velocidades que haríamos nosotros andando…

¿Cuál es su verdadera naturaleza, entonces? ¿Son entonces ambas (energía y materia) expresiones de una misma cosa? Estudiarla nos obliga a crear una nueva teoría sólo para lo muy pequeño, y ahí tenemos la gravedad cuántica, cosmología cuántica, cuerdas y supercuerdas, gran unificación, teoría M…

- Las partículas empiezan a tener comportamientos extraños. ¿Te acuerdas de lo que expliqué sobre qué hacían las partículas con experimentos como el de la doble rendija y otros más elaborados?

Pues todavía hay cosas más extrañas sobre la mecánica cuántica que escapan a toda lógica: las partículas parecen estar en varios sitios a la vez, y al mismo tiempo en una nube de probabilidad más que en un sitio real, sus fenómenos ocurren en instantes que escapan a nuestro concepto del paso del tiempo, el concepto de existencia y no-existencia se difumina más que nunca, las partículas se “comunican” entre sí de forma instantánea por muy lejos que se encuentren y además sin que ningún interceptor pueda jamás ser capaz de saber lo que se dicen y, para más inri y al contrario que nosotros, sí pueden atravesarse entre sí con una cierta probabilidad.

Puedes leer sobre éstos y otros fenómenos en una serie de artículos sobre cuántica en este blog, en los vídeos de la serie del Dr Quantum o en el documental “El Universo Elegante” y su libro homónimo de Brian Greene.

- El aspecto del universo a pequeña escala es completamente diferente. Aunque tiene sus similitudes, como por ejemplo las órbitas de los electrones alrededor de los núcleos de los átomos con las de los planetas alrededor del sol, en realidad corresponden a fuerzas diferentes y, por tanto, el comportamiento aunque similar en algunos aspectos, es completamente diferente en el resto, creando un cosmos absolutamente irreconocible si nosotros pudiéramos vivir en él.

Para hacerte una idea, puedes ver estas dos aplicaciones en flash que te van sumergiendo cada vez en lo más pequeño, para que tengas un fascinante viaje a este mundo:

Nanoviajes – Aventuras a través de los decimales En este flash debes pulsar el botón del maletín para comenzar, ya que despista un poco

Tamaño de las células y otras escalas

Son todas estas y muchas razones más las que nos obligan a explicar el universo de lo muy pequeño de diferente forma a como lo hacemos del que observamos a simple vista.

En el próximo artículo explicaré el por qué igualmente, a gigantescas escalas, el universo debe ser explicado de otra forma diferente pero completamente fascinante.

 -CC http://blog.toranks.es