¿De qué están hechas las cosas? III. La energía

 

En las entradas anteriores aprendiste que podemos distinguir dos tipos de contenido en el universo: materia y energía. Aprendiste también de qué está hecha la materia y cuáles son sus piezas –partículas- más fundamentales –te animo a que pares un momento de leer y trates de dibujar el esquema de contenido de la materia en un papel, poniendo las partículas fundamentales de la materia ordinaria y de la materia no ordinaria; si dudas en algo consulta la entrada anterior y si directamente no recuerdas nada, replantéate tu atención cuando lees y toma medidas-.

En esta entrada te contaré un poco sobre la energía. Para hacerlo sencillo, basta con que entiendas que cuando hablamos de energía estamos hablando de las interacciones que sufren los cuerpos. Por ejemplo, cuando sueltas un objeto éste comienza a caer –adquiriendo energía cinética- debido a la interacción gravitatoria entre el objeto y la Tierra. Seguramente, de tus clases de física conozcas muchos tipos de interacciones entre cuerpos: la interacción gravitatoria, la elástica, el rozamiento, la interacción normal entre una superficie y el objeto que descansa sobre ella, cualquier interacción o fuerza de empuje, la interacción eléctrica o de Coulomb…

Lo cierto es que si hacemos como hemos hecho hasta ahora y nos preguntamos por lo más fundamental encontramos que todas esas interacciones son el resultado de sólo cuatro interacciones fundamentales: la interacción gravitatoria, la interacción fuerte, la interacción débil y la interacción electromagnética. Así como la larga lista de elementos químicos se compone en realidad de electrones, quarks up y quarks down, la larga lista de interacciones que conoces se puede reducir exclusivamente a esas cuatro interacciones fundamentales. A nivel macroscópico parece que hay muchos tipos de interacciones –igual que parece que hay muchos tipos de elementos químicos-, pero en el nivel fundamental la lista se reduce a esas cuatro.

Lo que tienes que saber sobre estas cuatro interacciones fundamentales es lo siguiente: cada una de las interacciones fundamentales está asociada con una partícula fundamental, y la interacción entre dos partículas consiste en el intercambio de esta partícula fundamental. 

Veámoslo con un ejemplo: cuando dos partículas de la misma carga se repelen –interacción electromagnética- intercambian la partícula mediadora de la interacción electromagnética: el fotón. Puedes verlo en la figura 4.

Dos electrones -los dos de la izquierda del diagrama, etiquetados como - se acercan el uno al otro. Cuando están lo suficientemente cerca como para interaccionar electromagnéticametne, uno de ellos emite un fotón -etiquetado como -, que viaja hacia el otro y es absorbido por él. Al fotón no se le dibuja ninguna flecha porque puede ser emitido por cualquiera de los dos electrones. Este intercambio del fotón produce un cambio en la dirección de movimiento de los electrones, que ahora se alejan uno del otro -los dos electrones de la derecha-.

Puedes pensar en las partículas mediadoras como mensajeros, que llevan información como “acércate” o “aléjate” entre las dos partículas que interaccionan –las interacciones fundamentales pueden ser tanto atractivas como repulsivas-. La lista de partículas fundamentales de la entrada anterior se completa finalmente con los mediadores de estas cuatro interacciones:

· Interacción electromagnética: la interacción electromagnética ocurre entre partículas cargadas, y puede ser atractiva o repulsiva. Su mediador es el fotón, que es una partícula sin carga y sin masa.

·   Interacción fuerte: ocurre entre los quarks, por ejemplo entre los quarks up y down que forman los protones y los neutrones de los átomos. Su mediador es el gluón –llamado así porque mantiene pegados los quarks que forman el protón y el neutrón, en inglés, los mantiene “glued together”-. La interacción fuerte, como ves, es la responsable de mantener todas las partículas que forman los átomos unidas –y por tanto es imprescindible para que tú te mantengas “unido”-. El gluón, al igual que el fotón, no tiene masa ni carga.

· Interacción débil: pueden sufrirla tanto las partículas fundamentales de la materia ordinaria como las de la materia no ordinaria. Tiene tres mediadores, y los tres tienen masa: uno con carga positiva, llamado bosón , otro con carga negativa, el bosón ,  y uno neutro, el bosón .

·  Interacción gravitatoria: la sufren todas las partículas que tienen masa. A diferencia de las otras tres, su mediador ha sido propuesto pero no ha sido descubierto. Su nombre es el gravitón.

Con todo esto, ya tienes una idea clara y precisa –científica- del contenido completo del universo. Te dejo finalmente el esquema completo, que surge de añadir lo visto en esta entrada con lo que sabíamos de la anterior.

 

 

 

¿De qué están hechas las cosas? II. La materia no ordinaria.

 

A diferencia de la materia ordinaria, la materia no ordinaria se caracteriza porque sus partículas fundamentales no forman estructuras complejas (como átomos o moléculas) sino que se encuentran libres o en agrupaciones sencillas. Las partículas fundamentales de la materia no ordinaria son:

·       Muón y tauón: similares al electrón (carga -1), pero de mayor masa.

·       Neutrinos: partículas sin carga y con una masa muy pequeña que presentan muy poca interacción con las demás partículas -por eso son muy difíciles de detectar-. En una entrada anterior, Teresa os contó cómo Pauli postuló su existencia para resolver el problema del espectro de la desintegración β, y cómo no fueron detectadas hasta varios años después. Para que te hagas una idea de lo “pequeños” que son y lo poco que interaccionan, considera esto: algunos de los neutrinos que llegan a la tierra son emitidos por el sol; de noche, cuando la luz del sol irradia el hemisferio sur, los neutrinos atraviesan toda la tierra, atraviesan tu cuerpo mientras duermes y continúan su viaje, todo ello sin interaccionar con ninguna de las partículas de la tierra, del aire o de tu cuerpo. Con eso puedes imaginarte lo difícil que es atrapar uno –no sin motivo Pauli los denomino “partículas elusivas”-. Existen tres tipos de neutrinos: el electrónico, el muónico y el tauónico -llamados así porque siempre aparecen junto con el electrón, el muón y el tauón-.

·       Quarks: si has estado atento te habrás dado cuenta de que mencioné que en la materia ordinaria encontramos dos tipos de quarks, pero que en realidad hay más tipos. Existen hasta seis tipos de quarks, y los seis se encuentran en la materia no ordinaria –sí, los quarks up y down pueden encontrarse tanto en la materia ordinaria como en la materia no ordinaria-. Los nombres de los cuatro tipos restantes son –aunque no lo creas-: charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo).

·       Antipartículas: todas las partículas fundamentales que hemos mencionado (tanto en la materia ordinaria como en la materia no ordinaria), tienen su antipartícula. La antipartícula de una partícula es una partícula que comparte con ella algunas de sus propiedades (como la masa) pero tiene otras “opuestas” (como la carga). Por ejemplo, para el electrón existe un “antielectrón” –que llamamos simplemente positrón- que tiene la misma masa pero carga opuesta, es decir, +1. Cada quark tiene su antiquark, el muón tiene su antimuon, el tauón tiene su antitauón y los neutrinos tienen sus antineutrinos.

Ahora podemos actualizar el esquema del contenido del universo esquema de la figura 1 al de la figura 3.

.

¿De qué están hechas las cosas? I. La materia ordinaria.

Un buen comienzo para adquirir esa visión global de la ciencia de la que te hablaba en la entrada anterior es preguntarte algo básico: ¿de qué está hecha la materia que ves? ¿De qué estás hecho tú? ¿Y tu ropa? ¿Y el suelo? Como ya he mencionado, según vas profundizando –yendo hacia lo más pequeño-, vas atravesando las diferentes Ciencias Naturales: Biología, Geología, Química y, finalmente, en lo más diminuto, Física. Ya sabes que los seres vivos estamos compuestos de, por ejemplo, células. Incluso sabrás que los orgánulos de estas células están compuestos de moléculas que a su vez están formadas por átomos. Los objetos inertes también están formados por átomos. Pero, ¿y los átomos? ¿Y los protones? Seguramente ves por dónde voy. Lo importante –y algo que todo científico debería conocer- es dónde acaba la lista. Es decir, saber cuáles son las partículas fundamentales –que no están hechas por ninguna otra- que componen todo lo que hay en el mundo. Veamos la imagen completa de estos building blocks.

En la figura 1 puedes encontrar un esquema sencillo pero adecuado de la composición del universo; te animo a que lo incorpores a tu visión científica del mundo y lo vayas completando conforme continuas tus estudios.

En el universo podemos distinguir entre materia y energía. Sobre la energía hablaremos en una entrada posterior; en ésta nos centraremos en la materia. En ella podemos distinguir entre materia ordinaria y materia no ordinaria.

La materia ordinaria es aquella que está compuesta por moléculas, que a su vez están compuestas por átomos. Como ya sabes, los átomos están formados por otras partículas, electrones, protones y neutrones, y se clasifican en los llamados elementos químicos según el número de protones que tienen –lo que seguro que recuerdas que se denomina “número atómico”-. Lo importante para nosotros, sin embargo, es si estas partículas que forman el átomo están hechas de otras partículas aún más pequeñas. La respuesta la puedes encontrar ilustrada en la figura 2.

Como ves, el electrón es una partícula fundamental, es decir, no está compuesta por ninguna otra partícula. Sin embargo, el protón y el neutrón están compuestos por partículas más pequeñas aún que reciben el nombre de quarks. Existen varios tipos de quarks, pero en el protón y en el neutrón encontramos sólo dos tipos: el quark up (arriba) y el quark down (abajo). El quark up tiene carga +2/3, y el quark down tiene carga -1/3. Por eso, el protón, que está formado por dos quarks up y un quark down, tiene carga 2/3+2/3-1/3=1. De igual forma, el neutrón está formado por un quark up y dos quarks down, y por eso tiene carga 2/3-1/3-1/3=0. La conclusión que puedes extraer, pues, es: 

Sin embargo, debes entender que no todo el contenido de universo es materia ordinaria –en otras palabras: no todo está formado por átomos-. Es posible detectar una larga lista de partículas que no son el electrón, el quark up ni el quark down, ni ninguna combinación de ellos. Todas estas partículas son las que forman la materia no ordinaria que mencioné antes. Te contaré sobre ella en la siguiente entrada.

Una visión global de la ciencia

Tenemos que mantenernos de pie y mirar al mundo a la cara: sus cosas buenas, sus cosas malas, sus bellezas y sus fealdades; ver el mundo tal cual es y no tener miedo de él. Conquistarlo mediante la inteligencia y no sólo sometiéndose al terror que emana de él. […]. Debemos mantenernos de pie y mirar al mundo a la cara. Tenemos que hacer el mundo lo mejor posible, y si no es tan bueno como deseamos, después de todo será mejor que lo que esos otros han hecho de él en todos estos siglos. Un mundo bueno necesita conocimiento, bondad y valor; no necesita el pesaroso anhelo del pasado, ni el aherrojamiento de la inteligencia libre mediante las palabras proferidas hace mucho por hombres ignorantes. Necesita un criterio sin temor y una inteligencia libre. Necesita la esperanza del futuro, no el mirar hacia un pasado muerto, que confiamos será superado por el futuro que nuestra inteligencia puede crear.

• Bertrand Russell • 

Como te estás formando para ser científico, seguramente tengas claro que el objetivo de la ciencia es entender el funcionamiento del mundo que nos rodea y en el que vivimos. También sabrás que, dado que ésta es una tarea monumental, la ciencia ha desarrollado varias ramas que se ocupan de aspectos diferentes de la realidad. 

La Física, por ejemplo, tiende a estudiar el comportamiento de la materia inerte –no viva-, ya sea porque vaya a sus estructuras más pequeñas, como átomos y partículas subatómicas –que aunque formen a los seres vivos no se consideran vivas en sí mismas-, ya sea porque vaya a objetos más grandes que no pueden considerarse materia viva -como cuerpos estelares, planetas, bloques, planos inclinados, lentes y todos esos ejemplos que estás encontrando en los problemas y en las prácticas de la asignatura-. 

La Biología, por otro lado, aborda precisamente el estudio de la materia viva tanto a nivel macroscópico –que podemos ver a simple vista-, por ejemplo estudiando el comportamiento de los animales y las plantas, como a nivel microscópico, estudiando los componentes de la materia viva que intervienen en los procesos orgánicos, como las células, las hormonas, los tejidos o los sistemas nerviosos.

La distinción entre ambas disciplinas parece clara –y en muchos aspectos lo es- pero te dejo aquí dos pequeñas reflexiones:

 • La realidad en la que vivimos es única, no tiene fronteras definidas. Las diferentes ramas de la ciencia hacen distinciones que resultan convenientes para estudiar y entender en buena medida cómo funciona nuestra realidad, pero no debemos olvidar que son distinciones que pertenecen al pensamiento humano, a nuestra forma de conocer, y no al mundo real. La célula que estudia la biología está hecha de las moléculas que estudia la química y éstas a su vez están hechas de los átomos que estudia la física.• 

• El motor de la ciencia es la curiosidad. Cuando dividimos la ciencia en varias ramas, lo hacemos para poder estudiar cada una de las caras de la realidad de manera más sencilla y eficaz, no porque unas nos parezcan más interesantes y otras menos, y queramos dedicarnos a las que nos gustan desechando las que no. La idea es centrarse en un problema, estudiarlo de forma aislada y luego poner los resultados en común –en la “comun-idad” científica-. En la medida de lo posible y aunque te dediques a estudiar lo más específico, trata de lograr una visión científica global del mundo. •

Por mi parte, voy a contribuir a tu visión global con algunas entradas en este blog.  

Corrientes de convección: la cinta transportadora oceánica

Los océanos terrestres constituyen la masa de fluido más grande de nuestro planeta. La convección juega un papel fundamental en el movimiento de esta masa de agua. Al igual que ocurre con el aire, el agua caliente posee una menor densidad que el agua fría, lo que repercutirá en la dinámica oceánica.

Cerca del Polo Norte, el agua de la superficie, que está a una temperatura próxima a los 0ºC, desciende hacia el fondo del océano. El hundimiento de esta capa de agua superficial se ve favorecido por la alta salinidad del agua alrededor de los polos, ya que debido a la formación de bloques de hielo (formados solo por agua y no por sal), el agua que queda sin congelar tiene una concentración salina más alta, y por ello aumenta su densidad. Desde el fondo del océano, este agua se desplaza hacia el ecuador. Cuando encuentra zonas de calentamiento geotérmico, su densidad disminuye y esa masa de agua se ve impulsada hacia arriba, donde se establece una corriente superficial que lleva de nuevo esta capa de agua hacia regiones árticas. 

Las corrientes superficiales se ven afectadas fundamentalmente por dos factores: el viento y la rotación terrestre. Esta última es la responsable de que la circulación superficial en el hemisferio norte se vea desplazada hacia el oeste, bañando la costa este de Estados Unidos, y en el hemisferio sur hacia el este, bañando la costa oeste africana. 

Uniendo todos estos factores: viento, rotación terrestre, temperatura y salinidad del agua, el resultado es lo que se llama Cinta Transportadora Oceánica, que es el modelo aceptado en la actualidad para caracterizar la corriente oceánica en su recorrido por todo el planeta. 

Las corrientes marinas son un factor esencial en la homogeneización de la temperatura oceánica, y por tanto del planeta entero. Representan un ejemplo de convección forzada, ya que el movimiento de la masa de fluido se ve facilitado por agentes externos.

Más sobre el ATP

Os he contado en clase que el Adenosín trifosfato (ATP) es la fuente de energía principal para la mayoría de funciones celulares, de manera que una forma útil de expresar la energía de un proceso es indicar cuántas moléculas de ATP se “gastan”. Veamos cómo funciona esto un poco más en profundidad.

El ATP es un nucleótido, similar a los monómeros que forman los ácidos nucleicos ADN y ARN. Su estructura es sencilla, consta de una base nitrogenada, una pentosa (monosacárido de 5 carbonos) y 3 grupos fosfato (PO₄³⁻).

Los enlaces entre los grupos fosfato son de alta energía. Esto es así porque existe una repulsión muy fuerte entre las abundantes cargas negativas presentes en los grupos fosfato, lo que confiere cierta inestabilidad al ATP. Por eso, tiene una fuerte tendencia a transformarse en otros productos, liberando gran cantidad de energía durante la reacción.


La reacción de hidrólisis del ATP es la siguiente:

donde P no es un átomo de fósforo, sino un grupo fosfato. Esta reacción tiene un incremento de energía libre de Gibbs negativo, por lo cual se denomina exergónica y tiene tendencia a producirse espontáneamente (con algunas salvedades que no comentaré aquí).


¿Cuánta energía proporciona esta reacción? Es variable, pero en las condiciones que se dan en una célula viva, libera aproximadamente ∆G = -14 kcal/mol, que en el Sistema Internacional son unos -57 kJ/mol, lo que supone casi el doble que la energía que liberaría esta misma reacción en condiciones estándar: -30,5 kJ/mol. El valor de la energía suministrada por la hidrólisis del ATP veréis que varía mucho de unos textos a otros, porque depende de las condiciones en las que tiene lugar la reacción. Pero siempre libera energía.


¿Cómo se utiliza esta energía en la célula? Se lleva a cabo a través del acoplamiento de reacciones. De esta manera, una reacción que no es favorable energéticamente (o endergónica, con ∆G>0), y que por tanto, no tendría lugar ella sola, transcurre simultáneamente a la hidrólisis de un ATP, de modo que el incremento total de la energía libre del conjunto de las dos reacciones sea negativo, y se puedan llevar a cabo.


Pongamos un ejemplo: la bomba de Sodio-Potasio es una proteína que realiza el transporte de iones entre el citoplasma y el interior celular. Para funcionar, necesita un aporte de 44 kJ por cada mol de ATP que interviene. Como el funcionamiento de la bomba está acoplado (por medio de la formación de un intermediario fosforilado inestable) a la hidrólisis del ATP, que nos proporciona 57 kJ/mol, en términos globales, la energía libre es ∆G = -13 kJ/mol, un valor negativo, por lo que la reacción podrá transcurrir sin dificultad.


Muy bien. Ahora nos hemos “gastado” un ATP, degradándolo a ADP, para hacer que la bomba de Sodio-Potasio funcione. En la próxima entrada vamos a ver cómo podemos realizar la reacción inversa para “cargar” el ATP.

Conservación del momento lineal: el descubrimiento del neutrino

En esta entrada quiero mostraros cómo la ley de conservación del momento lineal puede llevarnos a conclusiones muy, muy poderosas.

Las desintegraciones β son aquellas en las que un neutrón se transforma en un protón más un electrón. Sin embargo, hacia 1930, esto planteaba varios problemas. Entre ellos, que no se cumplía la conservación del momento.

Esquema (incompleto) de una desintegración beta

Sabéis que si un objeto que está inicialmente en reposo (por tanto con P_i = 0) se desintegra en dos partes, éstas saldrán despedidas en sentidos opuestos. Es lo mismo que le ocurre al saltamontes que salta en una rama y ésta retrocede, o el calamar que expulsa un chorro de tinta. El objeto retrocede siguiendo exactamente la misma dirección que el animal, pero en sentido opuesto. Además, una vez que las masas están fijadas, las velocidades también lo están. Es decir, que si un objeto se desintegra en dos partes, de masas m y M, si se repite la desintegración y se vuelve a romper en pedazos de masas m y M, las velocidades de cada trozo son las mismas que la  vez anterior. Esto se cumple para desintegraciones en dos pedazos, pero no en tres. Si la descomposición es en tres partes, las velocidades de los productos pueden variar, y además no salen necesariamente alineados.

Desintegración a 2 y 3 cuerpos

En el caso de la desintegración β, si un neutrón se desintegra en un protón y un electrón, estos deberían salir en sentidos opuestos y además, como las masas del protón y el electrón tienen valores fijos, en cada desintegración, la velocidad (o el momento, que es el producto de ésta por la masa) del electrón debería ser la misma.

Sin embargo, esto no era lo que se observaba. El protón (o el núcleo residual) y el electrón no salían formando un ángulo de 180º y además, el momento del electrón variaba enormemente de unas veces a otras. Esto planteó un serio problema a la comunidad científica, ya que las desintegraciones β parecían violar la conservación de momento, que había sido verificada durante cientos de años y era consecuencia ni más ni menos que de las leyes de Newton.

Para resolver esta paradoja, Wolfgang Pauli, un científico austríaco, se atrevió a postular que en realidad el neutrón se desintegraba en 3 partículas, y no en 2. De este modo, se permitía la posibilidad de que la conservación de momento se siguiera cumpliendo. Pero entonces, la pregunta es inmediata, ¿verdad? ¿Por qué no se “ve” (detecta) esta tercera partícula? Pauli postuló que esta tercera partícula no aparecía porque era indetectable con la tecnología del momento. Debía tener además carga neutra para que se conservara la carga durante la desintegración β. Dicha partícula recibió el nombre de neutrino, por su carga neutra y lo pequeña y escurridiza que parecía ser.

No fue hasta 25 años después, en 1956, que se detectaron por primera vez neutrinos en un experimento realizado en un reactor nuclear. Se tardó tanto debido precisamente a lo altísimamente improbable que es que un neutrino interaccione con cualquier tipo de materia. Hoy sabemos muchas más cosas de los neutrinos, que son una de las partículas elementales con propiedades más fascinantes que conocemos. Pero no debemos olvidar que mucho antes de que se descubrieran, la ley de conservación del momento había permitido deducir su existencia.