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viernes, octubre 29, 2010

Superman: Leyes universales

Hace poco pusieron en la tele un clásico: Superman. Al verla recordé un monólogo que ya desde pequeño me tenía extrañado. Al inicio de la peli, durante su viaje a la Tierra, el pequeño Kal-El recibe una formación de su padre Jor-El (que luego parece que olvida, ya que de adolescente no sabe quién es ni por qué tiene esos poderes). En el discurso podemos oir una frase que dice más o menos «cada una de las seis galaxias que vas a atravesar, tiene sus propias leyes que rigen espacio y tiempo». Tal y como lo dice, yo entiendo que se refiere a leyes físicas, y no a que cada galaxia tenga un gobierno y cosas así.

Pero tal afirmación va en contra de la ciencia más básica. Las leyes naturales que rigen el universo, y que la ciencia trata de descubrir, son (aunque parezca una perogrullada) universales. El mecanismo de la gravedad, por ejemplo, es igual aquí que en la galaxia de Andrómeda, o en el punto más alejado que nos podamos imaginar. No hay leyes físicas diferentes en cada galaxia.

¿Cómo podemos estar tan seguros si nunca hemos viajado tan lejos para comprobarlo? Pues con un razonamiento muy sencillo. La materia y energía está formada por partículas elementales. Todas las propiedades que podemos medir, todos los fenómenos que podemos observar, tienen su origen en la naturaleza intrínseca de dichas partículas. Existe la gravedad, porque es una propiedad de las partículas elementales. Existe la luz, porque existen los fotones, y son como son. El oxígeno y el hidrógeno se combinan para formar agua, por la distribución de electrones de sus capas externas. Los materiales tienen un punto de fusión y ebullición determinado, por la naturaleza de los enlaces entre sus átomos y moléculas, que viene determinado otra vez por la distribución de los electrones. Y así podemos seguir, y veremos que en última instancia, la causa primera de determinada propiedad o determinado fenómeno, son las propiedades intrínsecas de las partículas elementales. Y las partículas elementales son las mismas, en cualquier punto del universo.

Y nuevamente ¿cómo podemos saberlo? Bueno, aunque estén muy lejos, las galaxias se pueden observar, y podemos obtener información de ellas. El mero hecho de que podamos observarlas es consecuencia de que su luz (y demás radiación electromagnética), llega hasta nosotros. Es decir, recibimos fotones que se emitieron allí. Y obedecen a las mismas leyes que los que se generan por acá. También recibimos de otras galaxias rayos cósmicos, que como ya mencioné en alguna ocasión, son en su mayor parte protones y núcleos de helio (que a su vez son protones y neutrones). Y dichas partículas subatómicas son iguales que las que tenemos aquí.

Y es que la homogeneidad e isotropía del universo forma parte del principio cosmológico, y es algo respaldado por la evidencia empírica. Las leyes físicas son las mismas en cualquier rincón del universo. Aquí, o seis galaxias más allá.

viernes, octubre 22, 2010

MalaCiencia en Radio Villalba

Pues sí, como podéis deducir por el título, MalaCiencia aparecerá en la radio, otra vez ([1] y [2]. Y en esta ocasióin, la idea es tener una sección fija en el programa «Muévete a tu bola» de Radio Villalba, que se emite los sábados de 16:30 a 18:00. Los que no viváis cerca de Villalba, podéis escuchar la emisión vía Internet.

Hoy ya hemos grabado mi primera intervención, por lo que mañana mismo podréis escucharme. Lo que no sé es a qué hora exacta será. Sé que muchos de vosotros no os pasáis por aquí el fin de semana, así que os enteraréis tarde. Pero como sólo será el primero de (espero) muchos programas, ya tendréis más ocasiones.

miércoles, octubre 13, 2010

Iron Man 2: Elementos químicos

Carátula de la película

Hace unos días ví la película Iron Man 2 (sí, atrás quedó el tiempo en el que podía ir a los estrenos; ahora tengo que esperar a que salgan en DVD). Como suele ser habitual cuando comento películas, series o cómics de superhéroes, no voy a meterme en la naturaleza misma del superhéroe en sí, sino en algún otro detalle. Como sabéis, Iron Man es Tony Stark, un genio multimillonario que construyó una armadura de combate que le proporciona fuerza, y lanza rayos repulsores con diversos usos (como volar o destrozar cosas). En la versión de la película, tiene incrustado en el pecho una especie de reactor nuclear que funciona con paladio. El reactor le mantiene vivo y proporciona energía a la armadura (todo eso se cuenta en la primera peli, obviamente).

Una de las tramas de la película es el envenenamiento por paladio que sufre poco a poco Tony Stark, al tener el cacharro ese en el pecho. Cerca del final de la película, descubre que su padre (fallecido hace tiempo) le había dejado oculto una especie de «plano» del átomo de un nuevo elemento químico. Estudiando dicho plano, deduce que ese nuevo elemento le permitirá alimentar el reactor de su pecho, sin envenenar su sangre. Así que se monta un acelerador de partículas casero, sintetiza el nuevo elemento, se lo mete en el reactor, y sale a combatir al supervillano de turno.

Lo primero que llama la atención es que se hace énfasis en el «plano» (camuflado como maqueta, pero a la vista) y en la «configuración» del átomo. Parece darse a entender que lo que hace único a ese elemento es la disposición espacial de neutrones y protones. Pero un elemento químico está determinado únicamente por el número de protones de su núcleo, y un isótopo de un elemento por el número de neutrones. No importa cómo estén colocados. Es más, ni siquiera podemos saber cómo están colocados, debido al conocido Principio de Indeterminación de Heisenberg. Lo más que podemos saber es cómo se distribuyen en capas los electrones que rodean al núcleo. Pero un elemento tiene siempre la misma distribución de electrones por capas. Es decir, todos los átomos de un elemento concreto, tendrán sus electrones distribuidos de igual forma.

Las cosas se ven mejor con ejemplo, así que vamos a mirar cómo es el carbono, concretamente el carbono-12, que es el más abundante en la naturaleza. El carbono-12 tiene un núcleo con 6 protones y 6 neutrones, rodeado por 6 electrones distribuidos en 2 capas, de forma que hay 2 electrones en la capa más «interna», y 4 en la más «externa». Esta última capa se divide a su vez en dos subcapas, de forma que cada una tiene 2 de los 4 electrones. Las propiedades químicas del átomo de carbono-12 vienen dadas sobre todo por la distribución de electrones, que es siempre la misma en todos los átomos de carbono-12 del universo. Esa distribución es así, por el hecho de que hay 6 electrones. Y el átomo tiene 6 electrones, porque el núcleo tiene 6 protones. Es decir, no hay forma de que los electrones se distribuyan de otra manera. Sabiendo que hay 6, ya sabemos cómo se distribuyen. Si, por ejemplo, estudiamos un átomo de carbono-14, veremos que pese a que tiene 2 neutrones más que su «primo» (siendo radiactivo), al tener el mismo número de electrones (y protones), su distribución por capas es la misma.

Resumiendo un poco, un isótopo concreto de un elemento químico determinado, está perfectamente definido por en número de protones y neutrones de su núcleo. No es necesaria más información, ni un plano de su disposición espacial. Basta con dos numeritos, llamados número atómico (que nos indica el número de protones) y número másico (que nos indica el número de protones y neutrones).

Un detalle curioso es el hecho de que Tony Stark deduce las propiedades del nuevo elemento, contemplando su diagrama. Ciertamente, las propiedades de todo elemento dependen de cómo es el átomo. El número de neutrones y protones determina la estabilidad del mismo (si es radiactivo o no). La disposición de sus electrones determinan sus propiedades químicas, como la forma en la que se enlaza con otros átomos. Y eso a su vez determina características más macroscópicas, como la dureza, la densidad, el color, etc. Pero de momento no hay ninguna regla que nos permita saber la mayoría de propiedades de un elemento a partir de sus números atómico y másico. Si miráis en la Wikipedia algún elemento sintético del que sólo se hayan producido cantidades microscópicas y efímeras, como el rutherfordio o el dubnio, veréis que indica que se desconocen cosas tan básicas como su apariencia o su estado a temperatura ambiente, y sólo se habla de posibilidades. Pero Tony Stark deduce en unos segundos las propiedades de un elemento nuevo mirando cómo es el átomo.

Bueno, hay una propiedad que sí se puede deducir fácilmente del elemento nuevo, y es que sería radiactivo, y con un periodo de semidesintegración muy corto. Y es que cualquier elemento químico nuevo debe ser necesariamente un elemento transactínido, esto es, un elemento que esté más allá de los actínidos en la tabla periódica. Si recordáis la química del colegio, la tabla periódica ordena todos los elementos según su número atómico (el número de protones de su núcleo, recordad). Y resulta que no hay ningún hueco hasta el último elemento conocido a día de hoy, el ununoctio (número atómico 118). Por tanto, el elemento nuevo sintetizado por Tony Stark debe tener un número atómico mayor. Y un elemento así sería inestable, con una vida muy corta, al igual que los demás transactínidos. El motivo es que con núcleos tan grandes, la interacción nuclear fuerte que mantiene unidos los protones y neutrones, deja de ser tan efectiva, y la probabilidad de que la repulsión electromagnética entre protones rompa el núcleo, es muy alta (explicación simplificada, que recordaréis de otro post). Los elementos transactínidos sintetizados hasta ahora tienen periodos de semidesintegración muy cortos. Y cuando digo muy cortos me refiero a segundos o menos aún. Además, al ser sintetizados en laboratorio, las cantidades conseguidas son microscópicas.

El elemento que vemos en la peli, sin embargo parece bastante estable, ya que como mínimo dura durante toda la confrontación final (y es de suponer que mucho más, ya que es lo que mantiene vivo al prota). La cantidad sintetizada es macroscópica, es decir, se puede ver y manipular a simple vista, cuando la realidad es que en un acelerador se producen cantidades microscópicas. Además, Tony Stark lo agarra con unas simples pinzas y lo contempla de cerca sin ninguna protección, pese a que debería de ser un elemento radiactivo (eso sí, lo hacen brillar con una bonita luz azulada).

Y no quiero terminar sin hablar de acelerador de partículas casero que construye, y la peculiar forma que tiene de ajustarlo. Usa un simple nivel para nivelar el aparato, colocando objetos debajo de él, y apunta un laser a ojo, haciendo girar una parte del invento con una enorme llave inglesa. Como imagino que supondréis, la precisión necesaria para hacer funcionar un acelerador de partículas, es bastante mayor que la que se puede conseguir con los medios que vemos.