Medir el mundo le sirve a la ciencia para poderla describir en lenguaje matemático. Y a partir de aquí hemos sido capaces de hacer predicciones que pasan del papel a la realidad. Es decir, la realidad la convertimos en números, a estos les hacemos un conjuro (que anteriomente ha pasado por el método científico) en forma de matemáticas y obtenemos la magia de una predicción. Probadamente mejor que cualquier otro método de vaticinio que hayamos probado. Pero para ello es muy necesario traducir la realidad a números, y mejor que estos sean lo más exactos posible.
Aquí entra el arte de la medición, los estándares internacionales y la exactitud de estos. Y este es el tema al que nos introduce el autor en este capítulo.
La capacidad para realizar mediciones cada vez más finas, a partir de fragmentos cada vez menores de información, es fundamental para el progreso en muchos campos científicos.
Un objetivo al que se quiere llegar es que toda unidad se defina de forma que un científico pueda enviar por correo electrónico la definición a otro colega en otro continente, y que éste pueda reproducir algo con esas dimensiones exactas, a partir únicamente de la descripción incluida en el mensaje.
Por ejemplo, la unidad de longitud que llamamos metro se ha definido como la distancia que recorre cualquier luz en el vacío en 1/299.792.458 de segundo. Y la unidad de tiempo, el segundo, se basa en los relojes atómicos de cesio que (en cada segundo) cuentan las 9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo 133 del cesio.
Pero este tipo de definiciones no se ha conseguido hacer con el kilogramo que aún se basa en una muestra en la que se comparan todos los prototipos del kilogramo del mundo y se hacen copias basándose en ella.
La oficina de estándares francesa Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) actúa como oficina de estándares de las oficinas de estándares. Y es en ella dónde se cuida y mantiene el Prototipo Internacional del Kilogramo. Que se trata de un cilindro de cinco centímetros de ancho hecho de platino (90%) e iridio, y tiene una masa de exactamente 1,000000... kilogramos.
La densidad del platino hace que se minimice la superficie expuesta al polvo, su dureza mitiga la probabilidad de una mella en él y al ser un buen conductor de la electricidad reduce la acumulación de electricidad estática «parásita» que pudiera acabar con algunos átomos.
Personalmente, “la precisión” en las medidas no me parece “ridícula” (tal como se indica en el título del capítulo), pero las condiciones de custodia y mantenimiento del estándar de peso (sobre todo, tal y como lo narra el autor) sí que me ha parecido que se adecúa más el adjetivo “ridículo”, por las situaciones a las que se ven abocados y el calvario que supone para sus responsables.
Pero a pesar de todos los esfuerzos por no alterar el estándar del BIPM, durante las últimas décadas el kilogramo está encogiendo de forma misteriosa, medio microgramo por año, y nadie sabe por qué.
Los valores numéricos de constantes como la carga del electrón, la fuerza de la gravedad o la velocidad de la luz cambian según la unidad de medida, pero las constantes fundamentales no lo hacen, pues no dependen de estas. Una importante constante adimensional es la de la estructura fina (a la que llamaremos alfa), que está relacionada con la división fina de los electrones, y es la que controla la fuerza con la que los electrones negativos están unidos al núcleo positivo. También determina la fuerza de algunos procesos nucleares. Pero su importancia vital está en que si hubiera sido ligeramente menor justo después del Big Bang, la fusión nuclear en las estrellas nunca habría llegado a ser lo bastante caliente para sintetizar el carbono. Y al contrario, si alfa hubiera sido ligeramente mayor, los átomos de carbono se habrían desintegrado hace muchísimo tiempo, mucho antes de llegar a formar parte de nosotros.
A principios del siglo XX el astrónomo inglés Arthur Eddington comenzó a confeccionar pruebas de que alfa era exactamente 1/136, pero más tarde se reveló que alfa era más cercano a 1/137, aunque en la actualidad alfa es igual a 1/137,0359, más o menos.
Alfa permite que los átomos existan y además les permite que reaccionen con el vigor suficiente para formar compuestos, pues los electrones ni vuelan demasiado libres de su núcleo, ni se pegan a éste con demasiada fuerza. Este balance en su justo punto ha llevado a muchos científicos a la conclusión de que el universo no puede haber dado con su constante de estructura fina por accidente.
En 1976 un científico soviético (hoy americano) llamado Alexander Shlyakhter declaró que alfa estaba aumentando. Esta afirmación la deducía por las investigaciones que realizó en un lugar de África llamado Oklo (Gabón) donde existe el único reactor de fisión nuclear natural que se conoce. Se puso en marcha hace unos 1.700 millones de años y es impulsado solo por uranio, agua y algas.
Las algas de un río cercano a Oklo producían un exceso de oxígeno tras realizar la fotosíntesis. El oxígeno volvía el agua tan ácida que mientras se infiltraba en la tierra por el suelo poroso, iba disolviendo el uranio de la roca madre. Todo el uranio tenía entonces una concentración mayor del isótopo que se usa en las bombas atómicas, el uranio-235; un 3 por ciento en comparación con un 0,7 por ciento en la actualidad. Así que el agua ya era volátil, y cuando las algas bajo el suelo filtraron el agua, el uranio quedó concentrado en un lugar, alcanzando así una masa crítica. Cuando el uranio puro se fisiona, sus átomos disparan neutrones «rápidos» que rebotan en los vecinos como las piedras planas rebotan en el agua. Ésos son los que no valen, los neutrones desperdiciados. El uranio de Oklo inició una reacción nuclear sólo porque el agua del río frenó los neutrones lo bastante para que los núcleos vecinos los pillaran. Sin el agua, la reacción nunca hubiera comenzado. La fisión también produce calor. Y la razón de que no haya un cráter mayor en África en la actualidad es que cuando el uranio se calentó, hizo hervir el agua hasta evaporarla. Sin agua, los neutrones se tornaron demasiado rápidos para poder absorberlos, y el proceso se paró. Sólo cuando el uranio se enfrió pudo entrar de nuevo el agua, y el reactor volvió a entrar en funcionamiento.
Por lo que Oklo es un reactor de fisión nuclear que se autorregula, y que ha consumido unos 6.0 kilogramos de uranio a lo largo de más de 150.000 años en dieciséis lugares alrededor de Oklo, en ciclos de encendido y apagado de 150 minutos.
Y cuando en 1976 Shlyakhter comparó los residuos nucleares de Oklo con los residuos modernos, encontró que se había formado demasiado poco de algunos tipos de samario. Y de allá dedució (dando un salto en el vacío) que sólo con que la constante de estructura fina hubiese sido un poco más pequeña cuando Oklo estaba en marcha, sería fácil explicar las discrepancias. Pero los cambios medidos son tan pequeños, y el registro geológico tan fragmentario después de 1.700 millones de años que esto no puede ser prueba suficiente para afirmar que alfa haya cambiado.
No obstante a partir de ese momento el estudio de los cambios en las constantes es hoy un campo de investigación activo. De hecho, tras investigar los sistemas de estrellas llamados quásares y las nubes de polvo interestelar, algunos astrónomos australianos aseguran haber detectado los primeros indicios reales de inconstantes.
Analizando la amplitud producida por el cromo y otros elementos hace miles de millones de años cerca de un quásar y comparándola con la de átomos actuales en el laboratorio, los científicos pueden determinar si alfa ha cambiado desde entonces. Y creen que sus mediciones ultrafinas indican que alfa cambió en un 0,001 por ciento a lo largo de diez mil millones de años. Y aunque es muy poco, la magnitud es menos importante que la posibilidad de que una constante fundamental cambie.
Muchos científicos cuestionan los resultados de Australia, pero si resisten las críticas, o si algún otro de los científicos que trabajan en las constantes variables encontrara pruebas positivas, los científicos tendrían que repensar el Big Bang y la forma en que se explora el cosmos en busca de signos de vida.
Y con ello llegamos a la Paradoja de Fermi. Pues dada la cantidad enorme de estrellas y planetas que hay en cosmos, y el muchísimo tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang, el universo debería estar lleno de vida a rebosar, pero «entonces, ¿dónde están todos?» (se dice que se preguntó Fermi).
El astrofísico Frank Drake en 1961 escribió lo que hoy conocemos como la ecuación de Drake, y que se basa en una serie de conjeturas, muchas de ellas difíciles de evaluar, que pretende calcular la posibildad de vida extraterrestre y inteligente. Y es importante pues sentó los cimientos de la astrobiología.
Con las grandes mejoras recientes en telescopios y otros aparatos de medición del firmamento, los astrobiólogos pueden medir directamente indicios directos de la presencia de vida, buscando elementos como el oxígeno, el carbono o el magnesio (utilizado en la corona del centro de la clorofila o en el funcionamiento del ADN, e implica también presencia de agua líquida).
Pero toda esta búsqueda descansa sobre la suposición de que la ciencia que nos controla aquí vale para otras galaxias y otros tiempos. Pero si la alfa ha cambiado con el tiempo, la vida tal vez no pudiera existir hasta que esta se «relajara» lo bastante para permitir la formación de átomos estables de carbono, y tal vez entonces la vida surgió sin esfuerzo, sin necesidad de apelar a un creador.
Una posibilidad a la que nos lleva esto es que la vida surgió aquí, en un planeta aparentemente nada especial, porque sólo aquí se dieron las estrictas condiciones para la formación de átomos y moléculas resistentes. Esto resolvería la paradoja de Fermi de un solo golpe: nadie ha llamado a nuestra puerta porque no hay nadie.
Pero los indicios actuales no apuntan a que ocupemos un lugar privilegiado en el universo, pues con el descubrimiento de miles de planetas, parece que la Tierra es un lugar muy ordinario.
Aunque el descubrimiento de vida extraterrestre (que requerirá todo el ingenio del que seamos capaces para la medición) sería el más importante de toda la historia y la prueba final de que los seres humanos no somos tan especiales… salvo porque también existimos y podemos entender y hacer esos descubrimientos.
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Y aquí están algunas propuestas para comentar, si os apetece:
- ¿También opináis que es bochornosa la situación actual de la unidad de peso, con un prototipo del kilogramo que se encoge?
- Algunos teólogos dicen que alfa demuestra que un creador ha «programado» el universo para que produzca moléculas y, posiblemente, vida. ¿Qué pensáis?
- ¿Qué pensáis de la Paradoja de Fermi y la posibilidad de que realmente seamos especiales?
¡Que tengáis una feliz semana!
P.D. El siguiente párrafo del capítulo (que tiene poco o nada que ver con el resto de la temática) personalmente ha hecho ganar puntos al autor: «... la precisión que separa a las ciencias «duras» de ciencias sociales como la economía, donde los caprichos y la simple idiotez de los seres humanos hacen que las leyes universales sean imposibles.»
¿¡No os recuerda a mi recurrente argumento sobre «la estupidez humana»!? XD
