LA ARMONIA DE LOS ATOMOS

Si las más refinadas mentes pueden descifrar sólo con dificultad las formas en que opera la naturaleza en sus planos más profundos, ¿cómo podría suponerse que esas formas de operar son simplemente un accidente inconsciente, el producto de una casualidad ininteligible?

Paul Davies. Profesor de Física Especulativa³¹

Los científicos están de acuerdo en general, según los cálculos, en que el Big Bang tuvo lugar hace unos 17 mil millones de años. Toda la materia que constituye el universo fue creada de la nada pero con el designio maravilloso acerca del que hablamos en los dos primeros capítulos. De todos modos, el universo que emergió del Big Bang podía haber sido muy diferente de éste en el que aparecimos nosotros.

Por ejemplo, si los valores de las cuatro fuerzas fundamentales hubiesen resultado distintos, el universo habría consistido solamente de radiación y se habría vuelto un tejido de luz sin estrellas, galaxias, seres humanos y otras cosas. Gracias al extraordinario equilibrio perfecto de esas cuatro fuerzas, pasaron a existir los "átomos", es decir, los "ladrillos" de lo que llamamos "materia".

Los científicos también están de acuerdo en que los dos primeros elementos más simples --el hidrógeno y el helio-- comenzaron a formarse durante los primeros catorce segundos después del Big Bang. Los elementos se formaron como resultado de una reducción en la entropía universal, que estaba causando que la materia se disperse por todas partes. En otras palabras, el universo fue al principio un amontonamiento de átomos de helio e hidrógeno. Si hubiese permanecido así, no habrían existido las estrellas, los planetas, las piedras, el suelo, los árboles o los seres humanos. Habría sido un universo inanimado, exánime, consistente sólo de esos dos elementos.

Pero el carbono, el elemento fundamental de la vida, es mucho más pesado que el hidrógeno y el helio. ¿Cómo pasó a existir?

Al investigar para responder a ello, los científicos se toparon con uno de los descubrimientos más sorprendentes del siglo XX.

La Estructura De Los Elementos

La química es una ciencia que trata de la composición, estructura y propiedades de las substancias, así como de las transformaciones que sobrellevan. La piedra fundamental de la química moderna es la tabla periódica de elementos. Establecida en primer lugar por el químico ruso Dimitri Ivanovich Mendeleiev, los elementos en la tabla periódica están colocados según sus estructuras atómicas. El hidrógeno ocupa el primer lugar en la tabla porque es el más simple de todos los elementos, ya que consiste solamente de un protón y un electrón que gira a su alrededor en el núcleo.

Los protones, en el núcleo del átomo, son partículas subatómicas que poseen una carga eléctrica positiva. El helio, con dos protones, ocupa el segundo lugar en la tabla periódica. El carbono tiene seis protones y el oxígeno ocho. Todos los elementos difieren en el número de protones que contienen.

Otra partícula presente en el núcleo de un átomo es el neutrón. A diferencia de los protones, los neutrones no llevan carga eléctrica: son neutros, y de ahí su nombre.

La tercera partícula básica de que se componen los átomos es el electrón, el cual tiene carga negativa. En todos los átomos existe el mismo número de electrones y protones. Sin embargo, a diferencia de los neutrones y protones, los electrones no están colocados en el núcleo sino que se mueven alrededor de éste a una velocidad muy elevada que mantiene separadas las cargas del átomo.

La diferencia en la estructura atómica (el número de protones y electrones) es lo que hace a los elementos distintos uno del otro.

Una norma crucial de la química (clásica) es que los elementos no se pueden transformar uno en otro. Cambiar o transformar el hierro (con 26 protones) en plata (con 18 protones) requiere sacar ocho protones del núcleo del átomo de hierro. Pero los protones están unidos por la fuerza nuclear fuerte y el número de protones en un núcleo solamente puede modificarse por medio de reacciones nucleares, cosa no posible para nosotros en las condiciones normales terrestres, pues las reacciones aquí son químicas y dependen del intercambio de electrones, sin afectar al núcleo.

En la Edad Media existió una "ciencia" llamada "alquimia", predecesora de la química moderna. Los alquimistas, al desconocer la tabla periódica o la estructura atómica de los elementos, pensaban que era posible transformar un elemento en otro. (Un objetivo perseguido, por motivos fáciles de entender, era transformar el hierro en oro). Ahora sabemos que lo que intentaban los alquimistas era imposible en condiciones normales como las de la Tierra: las temperaturas y presiones requeridas para esa transformación son demasiado enormes como para alcanzarlas en un laboratorio terrestre. Pero es posible si se dispone del lugar correcto para hacerlo.

Y el lugar correcto resulta que está en el corazón de las estrellas.

Los Laboratorios De Alquimia Del Universo: Las Gigantes Rojas

La temperatura requerida para superar la renuencia del núcleo a verse modificado es de aproximadamente 10 millones de grados Celsius (grados centígrados). Es por esto que la "alquimia", en el sentido real, tiene lugar solamente en las estrellas. La enorme energía que radian estrellas de tamaño medio como el Sol, es el resultado de que el hidrógeno se convierte en helio por medio de un proceso de fusión.

Teniendo presente esta breve reseña de los elementos químicos retornemos al momento inmediato después del Big Bang. Mencionamos que en el universo existían solamente los átomos de helio e hidrógeno a continuación de la gran explosión. Los astrónomos creen que las estrellas tipo solar (de la cual el Sol es una) se formaron como resultado de nebulosas (nubes) de gas compuestas de hidrógeno y helio, que se comprimieron hasta que se dio inicio a la reacción termonuclear. De ese modo tuvimos las estrellas. Pero el universo seguía sin vida. Para la vida se requerían elementos más pesados, específicamente oxígeno y carbono. Se necesitaba la existencia de otro proceso por medio del cual el hidrógeno y el helio se convirtiesen en otros elementos.

La "planta procesadora" de esos elementos pesados estaba en las gigantes rojas, una clase de estrellas 50 veces más grande que el Sol.

Las gigantes rojas son mucho más calientes que las estrellas tipo solar, característica que les permite hacer algo que otras estrellas no pueden: convertir el helio en carbono. De todos modos, incluso para una gigante roja hacer eso no es algo fácil, como dice el astrónomo Greenstein: "Incluso ahora, cuando disponemos de la respuesta (de cómo se produce), el método empleado se presenta sorprendente"³².

El peso atómico del helio es 2. Es decir, tiene dos protones en el núcleo. El peso atómico del carbono es 6. A la temperatura fantásticamente elevada de las gigantes rojas, tres átomos de helio se fusionan para formar un átomo de carbono. Esta es la "alquimia" que proveyó al universo con sus elementos más pesados después del Big Bang.

Pero como dijimos, ello no es fácil. Es casi imposible persuadir a dos átomos de helio que se junten. Y ya es totalmente imposible conseguir que se junten tres. Entonces, ¿por medio de qué procedimiento se consigue que se junten los seis protones necesarios para el átomo de carbono? Se trata de un proceso de dos pasos. Primero se funden dos átomos de helio en un elemento intermedio con cuatro protones y cuatro neutrones. Después se agrega un tercer (átomo) de helio a este elemento intermedio para formar el átomo de carbono con seis protones y seis neutrones.

El elemento intermedio es el berilio, el cual se da naturalmente en la Tierra. Pero el que se produce en las gigantes rojas es distinto en un sentido especialmente importante: consiste de cuatro protones y cuatro neutrones, en tanto que el berilio terrestre tiene cinco neutrones. El "berilio de las gigantes rojas" es una versión levemente distinta. Es lo que en química se llama un "isótopo".

Ahora nos encontramos con la verdadera sorpresa. El isótopo berilio de la "gigante roja" resulta ser increíblemente inestable. Los científicos lo estudiaron durante años y descubrieron que una vez formado se descompone o destruye en 0.000000000000001 segundo.

¿Cómo es que este isótopo inestable de berilio, que se forma y desintegra en tan corto tiempo, es capaz de unirse con un átomo de helio para convertirse en un átomo de carbono? Es como intentar poner un tercer ladrillo sobre otros dos a los que se los separa en 0.000000000000001 segundo --si es que se tiene la posibilidad de colocar uno sobre el otro-- y hacer una construcción de esa manera. ¿Cómo tiene lugar ese proceso en las gigantes rojas? Los físicos se rascaron la cabeza durante decenios tratando de encontrar una respuesta, sin conseguirlo. Finalmente el astrofísico norteamericano Edwin Salpeter encontró una pista para este misterio en el concepto de "resonancia atómica".

Resonancia Y Doble Resonancia

La resonancia es definida como la armonía de frecuencias (vibraciones) de dos materiales distintos.

Un ejemplo simple de la experiencia común nos dará una idea de lo que entienden los físicos por "resonancia atómica". Imagínese que va a hamacar a un niño. El chico se sienta en la hamaca y usted le da un envión para que comience a hamacarse. Para que se mantenga hamacando tiene que seguir dando esos sucesivos enviones desde atrás a la hamaca. Pero la regulación del tiempo que pasa entre envión y envión es importante. Cada vez que la hamaca se le acerca tiene que volver a empujarla con la fuerza del caso en el momento preciso, es decir, cuando la hamaca está en el punto más elevado del lado que usted se encuentra. Si la empuja antes que llegue a ese punto, el resultado es una sacudida o topetazo que altera la armonía o ritmo del movimiento de la hamaca. Si la empuja después que pasó ese punto, se pierde el esfuerzo porque la hamaca ya se está alejando de usted.

A esa "armonía de frecuencias" los físicos la llaman "resonancia". La hamaca tiene una frecuencia. Por ejemplo, llega hasta donde está usted cada 1,7 segundos y entonces cada 1,7 segundos le da un nuevo impulso con los brazos. Por supuesto, si quiere, puede cambiar la frecuencia del movimiento de la hamaca, pero si lo hace también tiene que cambiar la frecuencia del impulso, pues de lo contrario la hamaca no oscilará correctamente³³.

Así como dos o más cuerpos en movimiento pueden resonar, la resonancia también puede ocurrir cuando un cuerpo que se mueve causa la resonancia del otro. Este tipo de resonancia es visto a menudo en los instrumentos musicales y es llamada "resonancia acústica". Por ejemplo, puede ocurrir entre dos violines sutilmente afinados. Si uno de esos violines es tocado en la misma sala en que está el otro, la cuerda del segundo vibrará y producirá un sonido aunque nadie lo esté tocando. Eso sucede porque ambos instrumentos han sido primorosamente afinados a la misma frecuencia y la vibración de uno causa la vibración en el otro³⁴.

En estos dos ejemplos dados, las resonancias son simples y es fácil seguirles la pista. En física hay otras resonancias que no son nada fáciles de detectar. Y en el caso de los núcleos atómicos las resonancias pueden ser bastante complejas y delicadas.

Cada núcleo atómico tiene un nivel de energía natural que los físicos han sido capaces de identificar después de prolongados estudios. Esos niveles son totalmente distintos uno del otro, pero se han observado unos contados ejemplos de resonancia entre núcleos atómicos. Cuando sucede, existe armonía en el movimiento de los núcleos, como en los ejemplos que dimos de la hamaca y los violines. Lo importante en esto es que la resonancia da curso a reacciones nucleares que pueden afectar a los núcleos³⁵.

Al investigar Edwin Salpeter cómo las gigantes rojas producían los átomos de carbono, sugirió que debía haber una resonancia entre los núcleos del helio y del berilio que facilitaba la reacción. Dijo que dicha resonancia favorecía la transformación de los átomos de helio en berilio, cosa que podía explicar la reacción en las gigantes rojas. Sin embargo, investigaciones ulteriores no pudieron respaldar esta idea.

Fred Hoyle fue el segundo astrónomo en ocuparse de ese tema. Avanzó un paso más en la idea de Salpeter introduciendo el concepto de "resonancia doble". Hoyle dijo que se tenían que producir dos resonancias. Una haría que dos átomos de helio se fusionen y den lugar al berilio; la otra haría que el tercer átomo de helio se una a la formación inestable. Nadie le creyó a Hoyle. La idea de que sucediera una vez una resonancia así, tan precisa, ya era bastante difícil de aceptar. Pero que pudiera ocurrir dos veces ya era directamente impensable. Hoyle prosiguió sus investigaciones durante años y finalmente demostró que estaba en lo cierto: realmente en las gigantes rojas tenía lugar una resonancia doble. En el exacto momento en que dos átomos de helio resonaban en unión, aparecía un átomo de berilio en la fracción de 0,000000000000001 de segundo, tiempo que se necesitaba para producir carbono. George Greenstein descubre porqué esta resonancia doble se trata de un mecanismo extraordinario: "En esta historia hay tres estructuras (atómicas) totalmente separadas --helio, berilio y carbono-- y dos resonancias totalmente disociadas. Es difícil comprender porqué estos núcleos deberían operar de consuno tan fácilmente… Otras reacciones nucleares no operan por medio de una notable cadena de solución de continuidad tan favorable… Es como descubrir resonancias complejas y profundas entre un auto, una bicicleta y un carro. ¿Por qué estructuras tan dispares deberían acoplarse tan perfectamente?. De eso depende nuestra existencia y la de todas las formas de vida del universo"³⁶.

En los años siguientes se descubrió que otros elementos, como el oxígeno, también se formaban como resultado de esas resonancias asombrosas. Aunque Fred Hoyle es un fervoroso materialista, el descubrimiento de dichas "operaciones extraordinarias" lo forzó a admitir en su libro Galaxias, Núcleos y Quasares que las resonancias dobles tenían que ser el resultado de un designio y no de la casualidad³⁷. En otro artículo escribió: "Si usted quisiera producir carbono y oxígeno en cantidades aproximadamente iguales por medio de la nucleosíntetesis estelar, hay dos niveles en los que tendría que reparar; la atención habría que fijarla, precisamente, en dónde realmente se encuentran esos niveles… Una interpretación de los hechos, con sentido común, sugiere que un superintelecto se ha metido con la física, como así también con la química y la biología, y que ninguna fuerza ciega importante se expresa en la naturaleza. Me parece que los números que se obtienen de los cálculos de las realidades son tan arrolladores, aplastantes, como para llegar a la inferencia mencionada de manera indiscutible"³⁸.

Hoyle declaró que la conclusión ineludible de esta franca verdad no le debería pasar inadvertida a otros científicos.

"Creo que todo científico que examine las evidencias no dejará de inferir que las leyes de la física nuclear han sido deliberadamente diseñadas, proyectadas, en lo tocante a las consecuencias resultantes al interior de las estrellas"³⁹.

Esta verdad desnuda fue expresada en el Corán hace mil cuatrocientos años. Dios señala la armonía en la creación de los cielos en el versículo que dice:

¿No habéis visto cómo ha creado Dios siete cielos superpuestos… (Coran. 71:15)

Un Laboratorio De Alquimia Más Reducido: El Sol

La conversión del helio en carbono descrita antes, es la alquimia de las gigantes rojas. En estrellas más pequeñas como nuestro sol, tiene lugar un tipo más simple de alquimia. El sol convierte al hidrógeno en helio y esta reacción es la fuente de energía.

Las existencia de esa reacción no es para nosotros menos esencial que la que se produce en las gigantes rojas. Además, la reacción nuclear del sol es también un proceso concebido, como el que ocurre en las gigantes rojas.

El hidrógeno, el elemento consumido en esta reacción, es el más simple en el universo porque su núcleo consiste de un solo protón. En el núcleo del helio hay dos protones y dos neutrones. El proceso que tiene lugar en el sol es la fusión de cuatro átomos de hidrógeno para convertirse en uno de helio.

Durante ese proceso es liberada una gran cantidad de energía. Casi toda la energía térmica y luminosa que llega a la Tierra es producto de esa reacción nuclear solar.

Al igual que las reacciones que tienen lugar en las gigantes rojas, esta reacción nuclear solar implica una serie de aspectos inesperados, sin los cuales no se produciría. No se pueden presionar cuatro átomos de hidrógeno y convertirlo en uno de helio de manera sencilla. Para conseguirlo, se requiere un proceso de dos pasos, similar al que tiene lugar en las gigantes rojas. En el primer paso, dos átomos de hidrógeno se combinan para formar un núcleo intermedio llamado deuterión y que consiste de un protón y un neutrón.

¿Qué fuerza podría ser suficientemente grande para producir un deuterión uniendo por medio de la presión dos núcleos? Esa fuerza es "la fuerza nuclear fuerte", una de las cuatro fuerzas fundamentales de las que hablamos antes. Se trata de la fuerza física más poderosa del universo, la que es billones de billones de billones de billones de veces más fuerte que la gravitatoria. Solamente dicha fuerza puede producir la unión de los dos núcleos mencionados.

Pero lo realmente curioso de todo esto es que las investigaciones muestran que la fuerza nuclear fuerte, a pesar de su fortaleza, apenas alcanza para hacer lo que hace. Si fuese levemente más débil no sería capaz de producir la unión de los dos núcleos. Por el contrario, dos protones que se acercasen uno otro se repelerían inmediatamente, con lo que la reacción en el sol se vería frustrada incluso antes de iniciarse. En otras palabras, el sol no existiría como una estrella radiante de energía. Respecto a esto, dice George Greenstein: "Si la fuerza fuerte hubiera sido levemente menor, nunca se habría encendido la luz del mundo"⁴⁰.

Pero, ¿qué hubiera sucedido si la fuerza nuclear fuerte era más fuerte? Para responder a esto tenemos que ver primero de un modo algo más detallado el proceso por el que dos átomos de hidrógeno se convierten en un deuterión. En primer lugar, uno de los protones es despojado de su carga eléctrica y se convierte en un neutrón, proceso que se logra con la "fuerza nuclear débil". Al unirse ese neutrón a un protón forman un deuterión. La fuerza que causa esta unificación es la "fuerza nuclear fuerte". La "fuerza nuclear débil" lo es sólo comparativamente, y le lleva diez minutos realizar la conversión. A nivel atómico se trata de un tiempo inmensamente prolongado y tiene el efecto de disminuir la velocidad de la reacción que tiene lugar en el sol.

Volvamos ahora a nuestra pregunta. ¿Qué sucedería si la fuerza nuclear fuerte fuese más potente? La respuesta es que la transformación en el sol cambiaría dramáticamente porque la fuerza nuclear débil sería eliminada de la reacción.

Si la fuerza nuclear fuerte fuese algo más potente de lo que es, podría fusionar dos protones inmediatamente, sin tener que esperar diez minutos para que un protón se convierta en un neutrón. Como resultado de esa reacción, habría un núcleo con dos protones en vez de un deuterión. A un núcleo así los científicos lo llaman "di-protón". Se trata de una partícula teórica cuya formación de modo natural nunca se ha observado. Pero si la fuerza nuclear fuerte fuese mucho más potente de lo que es, entonces en el sol habría di-protones reales. ¿Y entonces qué? Sucederá que por medio de acabar con la conversión de protón a neutrón, estaríamos eliminando la "válvula reductora" que mantiene al "motor" del sol operando tan lentamente como lo hace. George Greenstein explica cuál sería el resultado de ello: "El sol cambiaría porque la primera etapa en la formación del helio ya no sería la formación del deuterión sino la formación del di-protón. Y esta reacción no involucraría para nada la transformación de un protón en un neutrón. Se eliminaría el papel de la fuerza nuclear débil y solamente estaría implicada la fuerza nuclear fuerte…. y como resultado el combustible del sol se convertiría repentinamente en muy bueno. Pasaría a ser tan potente, tan forzosamente reactivo, que el sol y todas las estrellas similares explotarían"⁴¹.

La explosión del sol causaría que el mundo y todo lo que hay en él estalle en llamas, transformando a nuestro planeta azul en otro quemado en unos pocos segundo. Debido a que la fuerza nuclear fuerte está tan precisamente conformada, calibrada, para no ser mayor ni menor que lo que es, la reacción nuclear del sol se produce al nivel que permite que la estrella radie luz y energía durante miles de millones de años. Ese ajuste preciso es lo que permite que viva el género humano. Si en este arreglo o disposición hubiese la más leve desviación, las estrellas (incluido nuestro sol) no existirían, o de existir, explotarían en un tiempo muy breve.

En otras palabras, la estructura del sol no es accidental ni involuntaria. Todo lo contrario: Dios creó el sol para que la gente viva, como expresa el versículo:

"El sol y la luna siguen cursos (exactamente) computados". (Coran. 55:5)

Protones Y Electrones

Hasta ahora hemos examinado cuestiones concernientes a las fuerzas que afectan los núcleos atómicos. Pero en el átomo hay otro equilibrio importante que debemos considerar: el equilibrio entre el núcleo y los electrones.

Dicho en los términos más simples, los electrones giran alrededor del núcleo. Los electrones tienen carga negativa y los protones positiva. Como cargas opuestas se atraen, los electrones del átomo son arrastrados hacia el núcleo. Pero los electrones se mueven también a una velocidad enorme, cosa que, bajo condiciones normales, provocaría que se alejen del núcleo. Ambas fuerzas (centrípeta y centrífuga) están equilibradas, de modo que los electrones se mueven en sus órbitas alrededor del núcleo.

Los átomos también están equilibrados en término de sus cargas eléctricas: el número de electrones que orbitan es el mismo de protones en el núcleo. (Por ejemplo, el oxígeno tiene ocho protones y ocho electrones). De esta manera la fuerza eléctrica de un átomo se equilibra y el átomo es eléctricamente neutro.

Hasta ahora estamos hablando de física básica. Sin embargo, en esta estructura aparentemente simple hay algo muy importante que muchos pasan por alto. Un protón es bastante más grande que un electrón en tamaño y en peso. Si un electrón fuese de la medida de una nuez, un protón sería del tamaño de un ser humano. Físicamente son totalmente distintos.

¡Pero tienen la misma carga eléctrica!

Aunque esas cargas son opuestas (el electrón negativa, el protón positiva), son iguales en su intensidad. No existe ninguna razón obvia para que esto sea así. Conceptual (y "lógicamente") un electrón debería llevar una carga mucho más pequeña porque es mucho más chico.

Pero si esto fuese cierto, ¿qué sucedería?

Lo que sucedería es que cada átomo en el universo estaría cargado positivamente en vez de ser eléctricamente neutro. Y como cargas iguales se repelen, cada átomo del universo repelería a todo otro átomo. La materia, como la conocemos, no podría existir.

¿Qué sucedería si eso se vuelve real? ¿Qué sucedería si cada átomo empieza a repeler a otro?

Sucederían cosas absolutamente extraordinarias. Empecemos con los cambios que ocurrirían en nuestros cuerpos. Las manos y brazos que sostienen este libro, se romperían al instante. Y no sólo las manos y brazos sino todo el cuerpo: las piernas, los ojos, los dientes. Todas las partes del cuerpo explotarían en un santiamén.

La sala donde está sentado y el mundo que lo rodea se desplomarían de inmediato. Todos los mares, las montañas, los planetas en el sistema solar y todas las estrellas y galaxias del universo se harían añicos y pasarían a formar un polvo cósmico. Y nunca volvería a haber nada en el universo para observar, pues éste se convertiría en una masa de átomos desorganizados empujándose entre sí.

¿Cuánta debería ser la diferencia de las cargas eléctricas entre protones y electrones para que suceda eso tan espantoso? ¿Del uno por ciento? ¿Del uno por mil? George Greenstein trata esta cuestión en El Universo Simbiótico: "Cosas pequeñas, como piedras, personas y otras, estallarían si las dos cargas difiriesen tan sólo en 1/10¹¹. Estructuras más grandes, como la Tierra y el Sol, requieren para su existencia un equilibrio aún más perfecto que el de 1/10¹⁸" ⁴².

Aquí nos encontramos con otro ajuste primoroso que prueba que el universo está creado y diseñado con una intención, un propósito particular. Como sostiene John D. Barrow y Frank J. Tipler en su libro El Principio Cosmológico Antrópico, "hay un gran designio en el universo que favorece el desarrollo de la vida inteligente"⁴³.

Por supuesto, todo diseño prueba la existencia de un "diseñador" consciente. Éste es únicamente Dios, "el Señor de todos los mundos", descrito en el Corán como la única Autoridad, Quien creó el universo de la nada y lo diseñó y moldeó como El deseó. Dice el Corán:

"  …El edificó el cielo. Alzó su bóveda y le dio forma armoniosa. " (Coran. 79:27-28)

Gracias a los equilibrios extraordinarios que hemos visto en ese capítulo, la materia puede permanecer estable. Y esa estabilidad es la evidencia de la perfección de la creación de Dios, como se revela en el Corán:

" Suyos son quienes están en los cielos y en la tierra. Todos Le obedecen. " (Coran. 30:26)