DIVULGACIÓN: Otra constante destronada

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El Universo... ¿se está desmoronando?
por Marcelo Dos Santos (especial para Axxón)
www.mcds.com.ar

Todos conocemos (o creemos conocer) lo que es un electrón, pero poco sabemos acerca de su descubrimiento.

En 1864, el físico irlandés George Johnstone Stoney declaró, en un congreso científico en Belfast, que la electricidad no era en realidad una entidad continua (una "onda") como se creía hasta ese momento siguiendo los postulados de la física clásica, sino una sucesión de "paquetes" o cargas discretas. Este enorme avance cristalizó en el desarrollo de un concepto con nombre, cuando, en 1891, el mismo Johnston llamó a estas partículas "electrones".

La existencia de los electrones explicaba numerosos fenómenos eléctricos que no podían comprenderse si la electricidad era una onda continua, pero permaneció como teoría hasta que seis años después el inglés Joseph John Thomson descubrió efectivamente unas pequeñas partículas con carga eléctrica negativa a las que identificó de inmediato con los electrones de Johnstone. Admirador del trabajo de Maxwell y estimulado por el descubrimiento de los rayos X, Thomson estaba estudiando los rayos catódicos cuando comprendió que algunos efectos producidos en el interior del tubo se debían a la existencia de un flujo de partículas cargadas negativamente. El hijo de Joseph, George Thomson, recibió el Premio Nobel de Física al demostrar que los electrones, si bien eran partículas como Johnstone había postulado y como su padre había descubierto, "ondulaban" a su vez como si fuesen una onda, por lo que certificó la existencia de la dualidad onda-partícula de estas entidades.

 
Una imagen que hubiera hecho las delicias de Thomson: fotografía de la trayectoria espiral de un único electrón desviado por un campo magnético

La contrapartida positiva del electrón, llamada protón, debió esperar unos años más para ser descubierta. En 1918 el físico neocelandés Ernest Rutherford (que diez años antes había ganado un Premio Nobel al descubrir las partículas alfa y beta y demostrar que la radioactividad siempre iba acompañada de la desintegración de un núcleo atómico) observó que si bombardeaba nitrógeno con partículas alfa (que, aunque él no lo sabía aún, no son más que núcleos de helio, es decir, dos protones y dos neutrones), sus detectores mostraban el impacto de un solo protón. ¿Cómo era posible esto? Rutherford identificó correctamente a este protón como un núcleo de hidrógeno ionizado, y, como en el tubo sólo existían el nitrógeno y las partículas alfa, dedujo con preclara intuición que el protón que golpeaba el detector sólo podía haber provenido de los núcleos de nitrógeno. A continuación, dedujo que, puesto que esta partícula formaba parte del núcleo, era una de las entidades fundamentales de la materia y la bautizó "protón" (en griego, "el primero").

La cuestión es que, finalmente, el físico danés Niels Böhr relacionó el descubrimiento de Rutherford con el de Johnstone y Thomson, y unió a ambos para elaborar su modelo atómico, en el cual cada átomo está compuesto por un protón (o varios) como núcleo y un electrón (o varios) que giran en torno a él, a la manera de un pequeño sistema solar en miniatura. La Era Atómica había comenzado.

El protón y el electrón, como se comprenderá, guardan un perfecto equilibrio eléctrico dentro del átomo que los albergan. Si esto no fuese así, las cargas opuestas (protones positivos y electrones negativos) se atraerían entre sí y la materia como la conocemos sería incapaz de existir. En efecto, la carga eléctrica de un protón es exactamente de 1,602 x 10-19 coulombs, precisamente igual a la del electrón, pero por supuesto con signo contrario. Esto en cuanto a la carga. ¿Y respecto de la masa?

La masa del electrón es bastante pequeña: aproximadamente 9.11 × 10−31 kg. El sentido común nos dice que, si las cargas son iguales, la masa del protón también debiera ser igual. Nada más lejos de la realidad. La masa del protón no es de 9.11 × 10−31 kilos, sino de 1,6726 x 10-27 kg, lo cual, así escrito, puede parecer semejante, pero que en realidad es 1836 veces más grande. El protón es 1836 veces más grande que un electrón, sí, señores. Para que el lector se dé una idea, el planeta Júpiter tiene solamente 310 veces más masa que la Tierra. Cuesta imaginar un átomo donde el núcleo es 1836 veces más masivo que los electrones... pero así es. ¿Por qué? ¿Cuál es la razón de esta igualdad de cargas y de esta desigualdad de masas y tamaños? Nadie lo sabe, y lo interesante es que no parece haber ninguna razón particular para ello. Sin embargo, es así. En todo el universo.

La relación de masas entre el protón y el electrón (1836 a 1) es una de las constantes fundamentales del universo. Es constante en el sentido de que se considera que no se modifica, y fundamental porque todo el universo está constituido de la misma forma.


Comparación de tamaños entre protón y electrón
 

Se "considera" que no se modifica... ¿Es esto verdad ineluctable?

Parece ser que no. Como hemos visto en un Zapping hace un año (http://axxon.com.ar/zap/281/c-Zapping0281.htm), es posible (más que posible, muuuuy probable) que otra de las constantes básicas del universo, llamada "alfa" o "constante de estructura fina" esté cambiando de valor. Este es un descubrimiento perturbador, porque los alcances de una variación de los valores de estas leyes fundamentales son verdaderamente impredecibles. Hasta puede ser que la realidad como la conocemos deje de existir en cierto punto.

Las piedras de la discordia, en este como en otros casos en que la ciencia se enfrenta a nuevos descubrimientos que ponen en tela de juicio verdades aceptadas como auto de fe hasta el momento, son los cuásares.

Un cuásar es una estrella vieja, viejísima, que manifiesta un increíble corrimiento hacia el rojo, lo que significa que es muy lejana y se está alejando de nosotros a velocidades gigantescas. En verdad, cuando observamos un cuásar, estamos observando los primeros instantes del universo. Un cuásar suele obtener su energía de un agujero negro, y su luz proviene de tan lejos que nos permite observar todo lo que ocurre entre él y nosotros estudiando sus propiedades. La luz de un cuásar se comporta de distintos modos de acuerdo al tipo de materiales que haya atravesado para llegar a nosotrso: no es igual si vino a través del vacío, si pasó por una nube de gas caliente o cualquier otra circunstancia que le haya tocado en suerte. De ese modo, analizando la susodicha luz, podemos saber a ciencia cierta los avatares por lo que pasó en su largo periplo de millones de años.

 
Allá lejos y hace tiempo: visión artística de un cuásar habitado, hace miles de millones de años

Fue así que los científicos estaban estudiando la luz de dos cuásares muy lejanos. Como sabemos, mirara muy lejos equivale a mirar lo que ocurrió hace mucho. Los astrónomos observaron que la luz de los dos cuásares en cuestión habían atravesado, al comienzo de su recorrido —esto es, menos de 2 mil millones de años después del Big Bang, o sea, hace unos 13 mil millones—, una nube de gas hidrógeno helado. Midiendo cuidadosamente las longitudes de onda de esta luz, aprovecharon para estudiar las características de estos átomos de hidrógeno que habían sido "iluminados" por los cuásares, allá lejos y hace tiempo. En otras palabras: la luz del cuásar nos trae datos del hidrógeno "fósil" como fue hace 13 mil millones de años, algo que nunca podríamos estudiar observando el hidrógeno "moderno" que nos rodea en el espacio cercano. La pregunta era: ¿sería igual al hidrógeno de hoy en día? En caso negativo, ¿en qué aspectos podría haber cambiado?

Lo que hicieron los expertos fue una simple (aunque inimaginablemente precisa) comparación: atravesaron en el laboratorio una masa de hidrógeno con la luz de un láser, y luego compararon los resultados con los comportamientos de la luz del cuásar que había atravesado el hidrógeno de hace 13 mil millones de años. Como el lector inteligente habrá adivinado, los resultados entre el láser de hoy y el cuásar de hace mucho fueron ligeramente distintos. No algo monumentalmente, grandiosamente, radicalmente distinto. Una pequeñísima, debilísima, casi despreciable diferencia. Pero diferencia al fin.


Atravesando hidrógeno con un láser para medir su mu

La luz es luz, siempre fue luz y seguirá siendo luz hasta el final de los tiempos. Por lo tanto, la diferencia sólo podía estar en los átomos de hidrógeno que los dos rayos de luz atravesaron. Y aquí retornamos al tema con que abrimos este artículo: la relación de masas entre protones y electrones.

Ese número (1:1.836, en realidad 1.836,153 en la actualidad) se descubrió, precisamente, observando los patrones de absorción de la luz por parte de los átomos de hidrógeno. Para decirlo de manera simple: la forma en que el hidrógeno absorbe la luz depende de este valor. Llamamos a este número m ("mu", la letra griega), y siempre lo consideramos, como queda dicho, una constante. Para más datos, una de las constantes fundamentales del universo.

Sin embargo, así como parece haber evidencia de que la constante de estructura fina ha cambiado, en apariencia tenemos hoy una pequeña evidencia de que, hace 13.700 millones de años, mu era ligeramente diferente. Mu tenía otro valor o, lo que es lo mismo, la relación de masas entre los protones y los electrones de aquella época no era la misma que hoy. O el protón era más grande, o el electrón más chico, o el electrón más grande, o el protón más chico, o ambas, o cualquiera de todas las combinaciones intermedias, o bien existía un fenómeno desconocido y hoy desaparecido que cambiaba en pequeña proporción el valor de mu... La verdad es que no lo sabemos.

La variación de mu —como la variación de alfa— pueden significar que el universo está evolucionando de un modo que no podemos imaginar, y que tal vez otras constantes que consideramos absolutas, inmutables y eternas (como por ejemplo la velocidad de la luz) pueden estar modificándose también. Estos nuevos enigmas podrían, a su vez, prestar apoyo a nuevas teorías como la Teoría de las Cuerdas que postulan la existencia de numerosas dimensiones espaciotemporales más allá de las tres (cuatro si contamos el tiempo) que estamos habituados a observar.

La variación de mu no ha sido grande: aproximadamente dos milésimas partes de un uno por ciento en un lapso de más de 13.000 millones de años. Es casi nada, no es significativa, pero, de ser cierta, comprobaría que nos equivocamos al creer que mu era una constante. Como alfa.

Victor Flambaum, uno de los descubridores de la variación de alfa, manifestó al enterarse de la supuesta variación de mu: "Si estos resultados son correctos, serán revolucionarios. No importa que la variación sea pequeña. Si mu está cambiando, necesitaremos otra física teórica y una nueva cosmología".


Señalado con la flecha, un cuásar lejano de alto corrimiento al rojo, en la galaxia NGC7319

El pequeño cambio del 0,002% en el valor de mu no debe descartarse como una variación mínima. Del mismo modo en que alfa gobierna el modo en que interactúan los átomos con la luz, mu determina la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos a los protones y a los neutrones en el interior de los núcleos atómicos. El numerito en cuestión impide que las fuerzas repulsivas entre los neutrones (todos ellos con la mima carga positiva) provoque que los núcleos se desintegren casi antes de formarse. Otra de las "minucias" que dependen de mu es nada menos que la cohesión de los quarks en el interior de las partículas subatómicas. Así que no deberíamos preocuparnos de los átomos. Si el valor de mu fuese diferente, ni siquiera los protones o neutrones podrían existir. Mu es responsable de mantener la existencia de la realidad. Conserva a los átomos formados, hace girar los cielos sobre nuestras cabezas, las estrellas, galaxias y planetas existen gracias a ella. Sostiene el entramado de la materia.

Pero parece estar cambiando de valor, o haberlo hecho en el remoto pasado. ¿Cómo? ¿Por qué? No lo sabemos. ¿Sigue cambiando actualmente? ¿A qué ritmo? ¿Lo seguirá haciendo en el futuro? ¿Cuáles serán las consecuencias? No lo sabemos.

Antes de alarmarnos por la posible y próxima desaparición de la realidad, conviene recordar que la variación de mu deriva únicamente de la observación de la luz de dos cuásares, siendo que la variación de alfa fue estudiada en 143. Y ni siquiera ella está libre de controversias al día de hoy. Existen resultados que dicen que alfa no ha cambiado, y que todo se debe a errores de observación o a datos malinterpretados.

Es posible que con mu pase lo mismo. El tiempo lo dirá.

Mientras tanto, asistimos con asombro a esta especie de juicio sumario en que algunos científicos "acusan" a las constantes de ser variables bien disfrazadas y nada más.

¿Se demostrarán mu y alfa culpables o inocentes? Esperemos que el tribunal decida pronto, porque la materia y la energía, el mundo y nosotros mismos dependemos de ellas. Si no, exclamaremos —como el célebre personaje de "Fundación"—: "¡El universo se está desmoronando!".


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