Sorprendentemente, todo lo que sabemos sobre el Universo se remonta, de alguna manera, a la más humilde de todas las entidades que conocemos: un átomo. Un átomo sigue siendo la unidad de materia más pequeña que conocemos y que aún conserva las características y propiedades únicas que se aplican al mundo macroscópico, incluidas las propiedades físicas y químicas de la materia. Y, sin embargo, un átomo es una entidad fundamentalmente cuántica, con sus propios niveles de energía, propiedades y leyes de conservación. Es más, incluso el humilde átomo se acopla a las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. De una manera muy real, toda la física está a la vista, incluso dentro de un solo átomo. Esto es lo que pueden decirnos sobre el Universo.

Aquí en la Tierra, hay aproximadamente ~90 elementos que se producen de forma natural: restos de los procesos cósmicos que los crearon. Un elemento es fundamentalmente un átomo, con un núcleo atómico hecho de protones y (posiblemente) neutrones y orbitado por una cantidad de electrones igual a la cantidad de protones. Cada elemento tiene su propio conjunto único de propiedades, que incluyen:

y muchos otros. Lo destacable de los átomos es que sólo hay una propiedad que define qué tipo de átomo tenemos (y, por tanto, cuáles son esas propiedades): el número de protones en el núcleo.

Dada la diversidad de átomos que existen y las reglas cuánticas que gobiernan a los electrones (partículas idénticas) que orbitan alrededor del núcleo, no es ninguna hipérbole afirmar que todo lo que hay bajo el Sol está realmente hecho, de una forma u otra, de átomos. .

Cada átomo, con su número único de protones en su núcleo, formará un conjunto único de enlaces con otros átomos, lo que permitirá un conjunto prácticamente ilimitado de posibilidades para los tipos de moléculas, iones, sales y estructuras más grandes que puede formar. Principalmente a través de la interacción electromagnética, las partículas subatómicas que componen los átomos ejercerán fuerzas entre sí, lo que conducirá, con el tiempo suficiente, a las estructuras macroscópicas que observamos no sólo en la Tierra, sino en todo el Universo.

Sin embargo, en el fondo, todos los átomos tienen la propiedad de ser masivos en común entre sí. Cuantos más protones y neutrones haya en el núcleo atómico, más masivo será su átomo. Aunque se trata de entidades cuánticas, con un átomo individual que no abarca más de un ångström de diámetro, no hay límite para el alcance de la fuerza gravitacional. Cualquier objeto con energía (incluida la energía en reposo que da masa a las partículas) curvará el tejido del espacio-tiempo según la teoría de la Relatividad General de Einstein. No importa cuán pequeña sea la masa o cuán pequeñas sean las escalas de distancia con las que trabajamos, la curvatura del espacio inducida por cualquier número de átomos, ya sea ~1057 (como en una estrella), ~1028 (como en un ser humano), o sólo uno (como en un átomo de helio), ocurrirá exactamente como lo predicen las reglas de la Relatividad General.

Los propios átomos también están formados por múltiples tipos diferentes de partículas cargadas eléctricamente. Los protones tienen una carga eléctrica positiva inherente a ellos; los neutrones son eléctricamente neutros en general; Los electrones tienen una carga igual y opuesta a la del protón. Todos los protones y neutrones están unidos en un núcleo atómico de sólo un femtómetro (~10 a 15 m) de diámetro, mientras que los electrones orbitan en una nube que es unas 100.000 veces mayor en tamaño (alrededor de ~10 a 10 m). Cada electrón ocupa su propio nivel de energía único, y los electrones sólo pueden realizar una transición entre esos estados de energía discretos; no se permiten otras transiciones.

Pero esas restricciones específicas sólo se aplican a átomos individuales, aislados y libres, que no es el único conjunto de condiciones que se aplican a los átomos en todo el Universo.

Cuando un átomo se acerca a otro átomo (o grupo de átomos), esos distintos átomos pueden interactuar. A nivel cuántico, las funciones de onda de esos múltiples átomos pueden superponerse, lo que permite que los átomos se unan formando moléculas, iones y sales, y estas estructuras unidas poseen sus propias formas y configuraciones únicas en lo que respecta a sus nubes de electrones. En consecuencia, estos estados ligados también adquieren sus propios conjuntos únicos de niveles de energía, que absorben y emiten fotones (partículas de luz) sólo en un conjunto particular de longitudes de onda.

Estas transiciones electrónicas dentro de un átomo o grupo de átomos son únicas: particulares del átomo o de la configuración de un grupo de múltiples átomos. Cuando detectas un conjunto de líneas espectrales de un átomo o molécula (no importa si son líneas de emisión o de absorción), inmediatamente revelan qué tipo de átomo o molécula estás mirando. Las transiciones internas que se permiten para los electrones dentro de ese sistema ligado dan un conjunto único de niveles de energía, y las transiciones de esos electrones revelan sin ambigüedades qué tipo y configuración de átomo (o conjunto de átomos) estás investigando.

Desde cualquier lugar del Universo, los átomos y las moléculas obedecen estas mismas reglas: las leyes de la electrodinámica clásica y cuántica, que gobiernan cada partícula cargada del Universo. Incluso dentro del propio núcleo atómico, que está compuesto internamente por quarks (cargados) y gluones (descargados), las fuerzas electromagnéticas entre estas partículas cargadas son tremendamente importantes. Esta estructura interna explica por qué el momento magnético de un protón es casi tres veces la magnitud del momento magnético del electrón (pero de signo opuesto), mientras que el neutrón tiene un momento magnético que es casi el doble que el del electrón, pero del mismo signo.

Si bien la fuerza eléctrica tiene un alcance muy largo (de hecho, el mismo rango infinito que la gravitación), el hecho de que la materia atómica sea eléctricamente neutra en su conjunto juega un papel tremendamente importante en la comprensión de cómo se comporta el Universo que experimentamos. La fuerza electromagnética es fantásticamente grande, ya que dos protones se repelen entre sí con una fuerza ~1036 veces mayor que su atracción gravitacional.

Pero debido a que hay tantos átomos que componen los objetos macroscópicos a los que estamos acostumbrados, y los átomos en sí son eléctricamente neutros en general, solo notamos efectos electromagnéticos cuando:

Uno de los ejemplos más simples y divertidos de esto proviene de frotar un globo inflado en tu camisa y luego intentar pegar el globo en tu cabello o en la pared. Esto funciona sólo porque la transferencia o redistribución de una pequeña cantidad de electrones puede provocar que los efectos de una carga eléctrica neta superen por completo la fuerza de gravedad; estas fuerzas de van der Waals son fuerzas intermoleculares, e incluso los objetos que permanecen neutrales en general pueden ejercer fuerzas electromagnéticas que, en distancias cortas, pueden superar el poder de la gravedad.

Tanto a nivel clásico como cuántico, un átomo codifica una enorme cantidad de información sobre las interacciones electromagnéticas en el Universo, mientras que la Relatividad General «clásica» (no cuántica) es completamente suficiente para explicar todas las interacciones atómicas y subatómicas que hemos observado. y medido. Sin embargo, si nos aventuramos aún más dentro del átomo, hasta el interior de los protones y neutrones dentro del núcleo atómico, podemos comenzar a descubrir la naturaleza y las propiedades de las fuerzas fundamentales restantes: las fuerzas nucleares fuerte y débil.

A medida que te aventures a escalas de ~femtómetros (~10 a 15 m), empezarás a notar los efectos de la fuerza nuclear fuerte. Primero aparece entre los diferentes nucleones: los protones y neutrones que forman cada núcleo. En general, hay una fuerza eléctrica que repele (ya que dos protones tienen cargas eléctricas similares) o es cero (ya que los neutrones no tienen carga neta) entre los diferentes nucleones. Pero a distancias muy cortas, existe una fuerza aún más fuerte que la fuerza electromagnética: la fuerza nuclear fuerte, que se produce entre quarks mediante el intercambio de gluones. Las estructuras unidas de pares quark-antiquark, conocidas como mesones, pueden intercambiarse entre diferentes protones y neutrones, uniéndolos en un núcleo y, si la configuración es correcta, superando la fuerza electromagnética repulsiva.

Sin embargo, en lo profundo de estos núcleos atómicos hay una manifestación diferente de la fuerza fuerte: los quarks individuales en su interior intercambian gluones continuamente. Además de las cargas gravitacionales (de masa) y electromagnéticas (eléctricas) que posee la materia, también existe un tipo de carga específica de los quarks y gluones: una carga de color. En lugar de ser siempre positivos y atractivos (como la gravedad) o negativos y positivos donde las cargas similares se repelen y las opuestas se atraen (como el electromagnetismo), hay tres colores independientes (rojo, verde y azul) y tres anticolores. La única combinación permitida es “incolora”, donde se permiten los tres colores (o anticolores) combinados, o una combinación neta de color-anticolor incolora.

El intercambio de gluones, particularmente cuando los quarks se separan más (y la fuerza se vuelve más fuerte), es lo que mantiene unidos a estos protones y neutrones individuales. Cuanto mayor sea la energía con la que aplastas algo contra estas partículas subatómicas, más quarks (y antiquarks) y gluones podrás ver efectivamente: es como si el interior del protón estuviera lleno de un mar de partículas, y cuanto más fuerte las aplastas, cuanto más “pegajosos” se comportan. A medida que nos adentramos en las profundidades más profundas y energéticas que jamás hayamos sondeado, no vemos límite a la densidad de estas partículas subatómicas dentro de cada núcleo atómico.

Pero no todos los átomos durarán para siempre en esta configuración estable. Muchos átomos son inestables frente a la desintegración radiactiva, lo que significa que eventualmente escupirán una partícula (o un conjunto de partículas), cambiando fundamentalmente el tipo de átomo que son. El tipo más común de desintegración radiactiva es la desintegración alfa, en la que un átomo inestable escupe un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones, que depende de la fuerza fuerte. Pero el segundo tipo más común es la desintegración beta, en la que un átomo escupe un electrón y un neutrino antielectrónico, y uno de los neutrones del núcleo se transforma en un protón en el proceso.

Esto requiere otra fuerza novedosa: la fuerza nuclear débil. Esta fuerza se basa en un tipo de carga completamente nuevo: la carga débil, que a su vez es una combinación de hipercarga débil e isospin débil . La carga débil ha demostrado ser tremendamente difícil de medir, ya que la fuerza débil es millones de veces más pequeña que la fuerza fuerte o la fuerza electromagnética hasta llegar a escalas de distancia extraordinariamente pequeñas, como el 0,1% del diámetro de un protón. Con el átomo correcto, uno que es inestable frente a la desintegración beta, se puede ver la interacción débil, lo que significa que las cuatro fuerzas fundamentales se pueden probar simplemente mirando un átomo.

Esto también implica algo notable: que si hay alguna partícula en el Universo, incluso una que aún no hemos descubierto, que interactúa a través de cualquiera de estas cuatro fuerzas fundamentales, también interactuará con los átomos. Hemos detectado una gran cantidad de partículas, incluidos todos los diferentes tipos de neutrinos y antineutrinos, a través de sus interacciones con las partículas que se encuentran dentro del humilde átomo. Aunque es precisamente lo que nos constituye, también es, de manera fundamental, nuestra mayor ventana a la verdadera naturaleza de la materia.

Esta notable historia, del Universo que existe y puede ser descubierto dentro de un átomo, no es sólo la historia de cómo la humanidad descubrió lo que constituye el Universo en las escalas más pequeñas de todas, es ahora una historia que, en colaboración con partículas la física Laura Manenti y la ilustradora Francesca Cosanti pueden disfrutarlo todos , incluidos niños de todas las edades.

Cuanto más nos adentramos en los componentes básicos de la materia, mejor entendemos la naturaleza misma del Universo. Desde cómo estos diversos cuantos se unen para formar el Universo que observamos y medimos hasta las reglas subyacentes que obedece cada partícula y antipartícula, sólo interrogando al Universo que tenemos podemos aprender sobre él. Ésa es la clave de la ciencia: si quieres saber algo sobre cómo funciona el Universo, lo exploras de una manera que lo obliga a hablarte sobre sí mismo.

Mientras la ciencia y la tecnología que somos capaces de construir sean capaces de investigarlo más a fondo, sería una lástima abandonar la búsqueda simplemente porque no está garantizado un descubrimiento nuevo que rompa paradigmas. La única garantía de la que podemos estar seguros es ésta: si no miramos más profundamente, no encontraremos nada en absoluto.

Sorprendentemente, todo lo que sabemos sobre el Universo se remonta, de alguna manera, a la más humilde de todas las entidades que conocemos: un átomo. Un átomo sigue siendo la unidad de materia más pequeña que conocemos y que aún conserva las características y propiedades únicas que se aplican al mundo macroscópico, incluidas las propiedades físicas y químicas de la materia. Y, sin embargo, un átomo es una entidad fundamentalmente cuántica, con sus propios niveles de energía, propiedades y leyes de conservación. Es más, incluso el humilde átomo se acopla a las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. De una manera muy real, toda la física está a la vista, incluso dentro de un solo átomo. Esto es lo que pueden decirnos sobre el Universo.

Aquí en la Tierra, hay aproximadamente ~90 elementos que se producen de forma natural: restos de los procesos cósmicos que los crearon. Un elemento es fundamentalmente un átomo, con un núcleo atómico hecho de protones y (posiblemente) neutrones y orbitado por una cantidad de electrones igual a la cantidad de protones. Cada elemento tiene su propio conjunto único de propiedades, que incluyen:

y muchos otros. Lo destacable de los átomos es que sólo hay una propiedad que define qué tipo de átomo tenemos (y, por tanto, cuáles son esas propiedades): el número de protones en el núcleo.

Dada la diversidad de átomos que existen y las reglas cuánticas que gobiernan a los electrones (partículas idénticas) que orbitan alrededor del núcleo, no es ninguna hipérbole afirmar que todo lo que hay bajo el Sol está realmente hecho, de una forma u otra, de átomos. .

Cada átomo, con su número único de protones en su núcleo, formará un conjunto único de enlaces con otros átomos, lo que permitirá un conjunto prácticamente ilimitado de posibilidades para los tipos de moléculas, iones, sales y estructuras más grandes que puede formar. Principalmente a través de la interacción electromagnética, las partículas subatómicas que componen los átomos ejercerán fuerzas entre sí, lo que conducirá, con el tiempo suficiente, a las estructuras macroscópicas que observamos no sólo en la Tierra, sino en todo el Universo.

Sin embargo, en el fondo, todos los átomos tienen la propiedad de ser masivos en común entre sí. Cuantos más protones y neutrones haya en el núcleo atómico, más masivo será su átomo. Aunque se trata de entidades cuánticas, con un átomo individual que no abarca más de un ångström de diámetro, no hay límite para el alcance de la fuerza gravitacional. Cualquier objeto con energía (incluida la energía en reposo que da masa a las partículas) curvará el tejido del espacio-tiempo según la teoría de la Relatividad General de Einstein. No importa cuán pequeña sea la masa o cuán pequeñas sean las escalas de distancia con las que trabajamos, la curvatura del espacio inducida por cualquier número de átomos, ya sea ~1057 (como en una estrella), ~1028 (como en un ser humano), o sólo uno (como en un átomo de helio), ocurrirá exactamente como lo predicen las reglas de la Relatividad General.

Los propios átomos también están formados por múltiples tipos diferentes de partículas cargadas eléctricamente. Los protones tienen una carga eléctrica positiva inherente a ellos; los neutrones son eléctricamente neutros en general; Los electrones tienen una carga igual y opuesta a la del protón. Todos los protones y neutrones están unidos en un núcleo atómico de sólo un femtómetro (~10 a 15 m) de diámetro, mientras que los electrones orbitan en una nube que es unas 100.000 veces mayor en tamaño (alrededor de ~10 a 10 m). Cada electrón ocupa su propio nivel de energía único, y los electrones sólo pueden realizar una transición entre esos estados de energía discretos; no se permiten otras transiciones.

Pero esas restricciones específicas sólo se aplican a átomos individuales, aislados y libres, que no es el único conjunto de condiciones que se aplican a los átomos en todo el Universo.

Cuando un átomo se acerca a otro átomo (o grupo de átomos), esos distintos átomos pueden interactuar. A nivel cuántico, las funciones de onda de esos múltiples átomos pueden superponerse, lo que permite que los átomos se unan formando moléculas, iones y sales, y estas estructuras unidas poseen sus propias formas y configuraciones únicas en lo que respecta a sus nubes de electrones. En consecuencia, estos estados ligados también adquieren sus propios conjuntos únicos de niveles de energía, que absorben y emiten fotones (partículas de luz) sólo en un conjunto particular de longitudes de onda.

Estas transiciones electrónicas dentro de un átomo o grupo de átomos son únicas: particulares del átomo o de la configuración de un grupo de múltiples átomos. Cuando detectas un conjunto de líneas espectrales de un átomo o molécula (no importa si son líneas de emisión o de absorción), inmediatamente revelan qué tipo de átomo o molécula estás mirando. Las transiciones internas que se permiten para los electrones dentro de ese sistema ligado dan un conjunto único de niveles de energía, y las transiciones de esos electrones revelan sin ambigüedades qué tipo y configuración de átomo (o conjunto de átomos) estás investigando.

Desde cualquier lugar del Universo, los átomos y las moléculas obedecen estas mismas reglas: las leyes de la electrodinámica clásica y cuántica, que gobiernan cada partícula cargada del Universo. Incluso dentro del propio núcleo atómico, que está compuesto internamente por quarks (cargados) y gluones (descargados), las fuerzas electromagnéticas entre estas partículas cargadas son tremendamente importantes. Esta estructura interna explica por qué el momento magnético de un protón es casi tres veces la magnitud del momento magnético del electrón (pero de signo opuesto), mientras que el neutrón tiene un momento magnético que es casi el doble que el del electrón, pero del mismo signo.

Si bien la fuerza eléctrica tiene un alcance muy largo (de hecho, el mismo rango infinito que la gravitación), el hecho de que la materia atómica sea eléctricamente neutra en su conjunto juega un papel tremendamente importante en la comprensión de cómo se comporta el Universo que experimentamos. La fuerza electromagnética es fantásticamente grande, ya que dos protones se repelen entre sí con una fuerza ~1036 veces mayor que su atracción gravitacional.

Pero debido a que hay tantos átomos que componen los objetos macroscópicos a los que estamos acostumbrados, y los átomos en sí son eléctricamente neutros en general, solo notamos efectos electromagnéticos cuando:

Uno de los ejemplos más simples y divertidos de esto proviene de frotar un globo inflado en tu camisa y luego intentar pegar el globo en tu cabello o en la pared. Esto funciona sólo porque la transferencia o redistribución de una pequeña cantidad de electrones puede provocar que los efectos de una carga eléctrica neta superen por completo la fuerza de gravedad; estas fuerzas de van der Waals son fuerzas intermoleculares, e incluso los objetos que permanecen neutrales en general pueden ejercer fuerzas electromagnéticas que, en distancias cortas, pueden superar el poder de la gravedad.

Tanto a nivel clásico como cuántico, un átomo codifica una enorme cantidad de información sobre las interacciones electromagnéticas en el Universo, mientras que la Relatividad General «clásica» (no cuántica) es completamente suficiente para explicar todas las interacciones atómicas y subatómicas que hemos observado. y medido. Sin embargo, si nos aventuramos aún más dentro del átomo, hasta el interior de los protones y neutrones dentro del núcleo atómico, podemos comenzar a descubrir la naturaleza y las propiedades de las fuerzas fundamentales restantes: las fuerzas nucleares fuerte y débil.

A medida que te aventures a escalas de ~femtómetros (~10 a 15 m), empezarás a notar los efectos de la fuerza nuclear fuerte. Primero aparece entre los diferentes nucleones: los protones y neutrones que forman cada núcleo. En general, hay una fuerza eléctrica que repele (ya que dos protones tienen cargas eléctricas similares) o es cero (ya que los neutrones no tienen carga neta) entre los diferentes nucleones. Pero a distancias muy cortas, existe una fuerza aún más fuerte que la fuerza electromagnética: la fuerza nuclear fuerte, que se produce entre quarks mediante el intercambio de gluones. Las estructuras unidas de pares quark-antiquark, conocidas como mesones, pueden intercambiarse entre diferentes protones y neutrones, uniéndolos en un núcleo y, si la configuración es correcta, superando la fuerza electromagnética repulsiva.

Sin embargo, en lo profundo de estos núcleos atómicos hay una manifestación diferente de la fuerza fuerte: los quarks individuales en su interior intercambian gluones continuamente. Además de las cargas gravitacionales (de masa) y electromagnéticas (eléctricas) que posee la materia, también existe un tipo de carga específica de los quarks y gluones: una carga de color. En lugar de ser siempre positivos y atractivos (como la gravedad) o negativos y positivos donde las cargas similares se repelen y las opuestas se atraen (como el electromagnetismo), hay tres colores independientes (rojo, verde y azul) y tres anticolores. La única combinación permitida es “incolora”, donde se permiten los tres colores (o anticolores) combinados, o una combinación neta de color-anticolor incolora.

El intercambio de gluones, particularmente cuando los quarks se separan más (y la fuerza se vuelve más fuerte), es lo que mantiene unidos a estos protones y neutrones individuales. Cuanto mayor sea la energía con la que aplastas algo contra estas partículas subatómicas, más quarks (y antiquarks) y gluones podrás ver efectivamente: es como si el interior del protón estuviera lleno de un mar de partículas, y cuanto más fuerte las aplastas, cuanto más “pegajosos” se comportan. A medida que nos adentramos en las profundidades más profundas y energéticas que jamás hayamos sondeado, no vemos límite a la densidad de estas partículas subatómicas dentro de cada núcleo atómico.

Pero no todos los átomos durarán para siempre en esta configuración estable. Muchos átomos son inestables frente a la desintegración radiactiva, lo que significa que eventualmente escupirán una partícula (o un conjunto de partículas), cambiando fundamentalmente el tipo de átomo que son. El tipo más común de desintegración radiactiva es la desintegración alfa, en la que un átomo inestable escupe un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones, que depende de la fuerza fuerte. Pero el segundo tipo más común es la desintegración beta, en la que un átomo escupe un electrón y un neutrino antielectrónico, y uno de los neutrones del núcleo se transforma en un protón en el proceso.

Esto requiere otra fuerza novedosa: la fuerza nuclear débil. Esta fuerza se basa en un tipo de carga completamente nuevo: la carga débil, que a su vez es una combinación de hipercarga débil e isospin débil . La carga débil ha demostrado ser tremendamente difícil de medir, ya que la fuerza débil es millones de veces más pequeña que la fuerza fuerte o la fuerza electromagnética hasta llegar a escalas de distancia extraordinariamente pequeñas, como el 0,1% del diámetro de un protón. Con el átomo correcto, uno que es inestable frente a la desintegración beta, se puede ver la interacción débil, lo que significa que las cuatro fuerzas fundamentales se pueden probar simplemente mirando un átomo.

Esto también implica algo notable: que si hay alguna partícula en el Universo, incluso una que aún no hemos descubierto, que interactúa a través de cualquiera de estas cuatro fuerzas fundamentales, también interactuará con los átomos. Hemos detectado una gran cantidad de partículas, incluidos todos los diferentes tipos de neutrinos y antineutrinos, a través de sus interacciones con las partículas que se encuentran dentro del humilde átomo. Aunque es precisamente lo que nos constituye, también es, de manera fundamental, nuestra mayor ventana a la verdadera naturaleza de la materia.

Esta notable historia, del Universo que existe y puede ser descubierto dentro de un átomo, no es sólo la historia de cómo la humanidad descubrió lo que constituye el Universo en las escalas más pequeñas de todas, es ahora una historia que, en colaboración con partículas la física Laura Manenti y la ilustradora Francesca Cosanti pueden disfrutarlo todos , incluidos niños de todas las edades.

Cuanto más nos adentramos en los componentes básicos de la materia, mejor entendemos la naturaleza misma del Universo. Desde cómo estos diversos cuantos se unen para formar el Universo que observamos y medimos hasta las reglas subyacentes que obedece cada partícula y antipartícula, sólo interrogando al Universo que tenemos podemos aprender sobre él. Ésa es la clave de la ciencia: si quieres saber algo sobre cómo funciona el Universo, lo exploras de una manera que lo obliga a hablarte sobre sí mismo.

Mientras la ciencia y la tecnología que somos capaces de construir sean capaces de investigarlo más a fondo, sería una lástima abandonar la búsqueda simplemente porque no está garantizado un descubrimiento nuevo que rompa paradigmas. La única garantía de la que podemos estar seguros es ésta: si no miramos más profundamente, no encontraremos nada en absoluto.

Sorprendentemente, todo lo que sabemos sobre el Universo se remonta, de alguna manera, a la más humilde de todas las entidades que conocemos: un átomo. Un átomo sigue siendo la unidad de materia más pequeña que conocemos y que aún conserva las características y propiedades únicas que se aplican al mundo macroscópico, incluidas las propiedades físicas y químicas de la materia. Y, sin embargo, un átomo es una entidad fundamentalmente cuántica, con sus propios niveles de energía, propiedades y leyes de conservación. Es más, incluso el humilde átomo se acopla a las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. De una manera muy real, toda la física está a la vista, incluso dentro de un solo átomo. Esto es lo que pueden decirnos sobre el Universo.

Aquí en la Tierra, hay aproximadamente ~90 elementos que se producen de forma natural: restos de los procesos cósmicos que los crearon. Un elemento es fundamentalmente un átomo, con un núcleo atómico hecho de protones y (posiblemente) neutrones y orbitado por una cantidad de electrones igual a la cantidad de protones. Cada elemento tiene su propio conjunto único de propiedades, que incluyen:

y muchos otros. Lo destacable de los átomos es que sólo hay una propiedad que define qué tipo de átomo tenemos (y, por tanto, cuáles son esas propiedades): el número de protones en el núcleo.

Dada la diversidad de átomos que existen y las reglas cuánticas que gobiernan a los electrones (partículas idénticas) que orbitan alrededor del núcleo, no es ninguna hipérbole afirmar que todo lo que hay bajo el Sol está realmente hecho, de una forma u otra, de átomos. .

Cada átomo, con su número único de protones en su núcleo, formará un conjunto único de enlaces con otros átomos, lo que permitirá un conjunto prácticamente ilimitado de posibilidades para los tipos de moléculas, iones, sales y estructuras más grandes que puede formar. Principalmente a través de la interacción electromagnética, las partículas subatómicas que componen los átomos ejercerán fuerzas entre sí, lo que conducirá, con el tiempo suficiente, a las estructuras macroscópicas que observamos no sólo en la Tierra, sino en todo el Universo.

Sin embargo, en el fondo, todos los átomos tienen la propiedad de ser masivos en común entre sí. Cuantos más protones y neutrones haya en el núcleo atómico, más masivo será su átomo. Aunque se trata de entidades cuánticas, con un átomo individual que no abarca más de un ångström de diámetro, no hay límite para el alcance de la fuerza gravitacional. Cualquier objeto con energía (incluida la energía en reposo que da masa a las partículas) curvará el tejido del espacio-tiempo según la teoría de la Relatividad General de Einstein. No importa cuán pequeña sea la masa o cuán pequeñas sean las escalas de distancia con las que trabajamos, la curvatura del espacio inducida por cualquier número de átomos, ya sea ~1057 (como en una estrella), ~1028 (como en un ser humano), o sólo uno (como en un átomo de helio), ocurrirá exactamente como lo predicen las reglas de la Relatividad General.

Los propios átomos también están formados por múltiples tipos diferentes de partículas cargadas eléctricamente. Los protones tienen una carga eléctrica positiva inherente a ellos; los neutrones son eléctricamente neutros en general; Los electrones tienen una carga igual y opuesta a la del protón. Todos los protones y neutrones están unidos en un núcleo atómico de sólo un femtómetro (~10 a 15 m) de diámetro, mientras que los electrones orbitan en una nube que es unas 100.000 veces mayor en tamaño (alrededor de ~10 a 10 m). Cada electrón ocupa su propio nivel de energía único, y los electrones sólo pueden realizar una transición entre esos estados de energía discretos; no se permiten otras transiciones.

Pero esas restricciones específicas sólo se aplican a átomos individuales, aislados y libres, que no es el único conjunto de condiciones que se aplican a los átomos en todo el Universo.

Cuando un átomo se acerca a otro átomo (o grupo de átomos), esos distintos átomos pueden interactuar. A nivel cuántico, las funciones de onda de esos múltiples átomos pueden superponerse, lo que permite que los átomos se unan formando moléculas, iones y sales, y estas estructuras unidas poseen sus propias formas y configuraciones únicas en lo que respecta a sus nubes de electrones. En consecuencia, estos estados ligados también adquieren sus propios conjuntos únicos de niveles de energía, que absorben y emiten fotones (partículas de luz) sólo en un conjunto particular de longitudes de onda.

Estas transiciones electrónicas dentro de un átomo o grupo de átomos son únicas: particulares del átomo o de la configuración de un grupo de múltiples átomos. Cuando detectas un conjunto de líneas espectrales de un átomo o molécula (no importa si son líneas de emisión o de absorción), inmediatamente revelan qué tipo de átomo o molécula estás mirando. Las transiciones internas que se permiten para los electrones dentro de ese sistema ligado dan un conjunto único de niveles de energía, y las transiciones de esos electrones revelan sin ambigüedades qué tipo y configuración de átomo (o conjunto de átomos) estás investigando.

Desde cualquier lugar del Universo, los átomos y las moléculas obedecen estas mismas reglas: las leyes de la electrodinámica clásica y cuántica, que gobiernan cada partícula cargada del Universo. Incluso dentro del propio núcleo atómico, que está compuesto internamente por quarks (cargados) y gluones (descargados), las fuerzas electromagnéticas entre estas partículas cargadas son tremendamente importantes. Esta estructura interna explica por qué el momento magnético de un protón es casi tres veces la magnitud del momento magnético del electrón (pero de signo opuesto), mientras que el neutrón tiene un momento magnético que es casi el doble que el del electrón, pero del mismo signo.

Si bien la fuerza eléctrica tiene un alcance muy largo (de hecho, el mismo rango infinito que la gravitación), el hecho de que la materia atómica sea eléctricamente neutra en su conjunto juega un papel tremendamente importante en la comprensión de cómo se comporta el Universo que experimentamos. La fuerza electromagnética es fantásticamente grande, ya que dos protones se repelen entre sí con una fuerza ~1036 veces mayor que su atracción gravitacional.

Pero debido a que hay tantos átomos que componen los objetos macroscópicos a los que estamos acostumbrados, y los átomos en sí son eléctricamente neutros en general, solo notamos efectos electromagnéticos cuando:

Uno de los ejemplos más simples y divertidos de esto proviene de frotar un globo inflado en tu camisa y luego intentar pegar el globo en tu cabello o en la pared. Esto funciona sólo porque la transferencia o redistribución de una pequeña cantidad de electrones puede provocar que los efectos de una carga eléctrica neta superen por completo la fuerza de gravedad; estas fuerzas de van der Waals son fuerzas intermoleculares, e incluso los objetos que permanecen neutrales en general pueden ejercer fuerzas electromagnéticas que, en distancias cortas, pueden superar el poder de la gravedad.

Tanto a nivel clásico como cuántico, un átomo codifica una enorme cantidad de información sobre las interacciones electromagnéticas en el Universo, mientras que la Relatividad General «clásica» (no cuántica) es completamente suficiente para explicar todas las interacciones atómicas y subatómicas que hemos observado. y medido. Sin embargo, si nos aventuramos aún más dentro del átomo, hasta el interior de los protones y neutrones dentro del núcleo atómico, podemos comenzar a descubrir la naturaleza y las propiedades de las fuerzas fundamentales restantes: las fuerzas nucleares fuerte y débil.

A medida que te aventures a escalas de ~femtómetros (~10 a 15 m), empezarás a notar los efectos de la fuerza nuclear fuerte. Primero aparece entre los diferentes nucleones: los protones y neutrones que forman cada núcleo. En general, hay una fuerza eléctrica que repele (ya que dos protones tienen cargas eléctricas similares) o es cero (ya que los neutrones no tienen carga neta) entre los diferentes nucleones. Pero a distancias muy cortas, existe una fuerza aún más fuerte que la fuerza electromagnética: la fuerza nuclear fuerte, que se produce entre quarks mediante el intercambio de gluones. Las estructuras unidas de pares quark-antiquark, conocidas como mesones, pueden intercambiarse entre diferentes protones y neutrones, uniéndolos en un núcleo y, si la configuración es correcta, superando la fuerza electromagnética repulsiva.

Sin embargo, en lo profundo de estos núcleos atómicos hay una manifestación diferente de la fuerza fuerte: los quarks individuales en su interior intercambian gluones continuamente. Además de las cargas gravitacionales (de masa) y electromagnéticas (eléctricas) que posee la materia, también existe un tipo de carga específica de los quarks y gluones: una carga de color. En lugar de ser siempre positivos y atractivos (como la gravedad) o negativos y positivos donde las cargas similares se repelen y las opuestas se atraen (como el electromagnetismo), hay tres colores independientes (rojo, verde y azul) y tres anticolores. La única combinación permitida es “incolora”, donde se permiten los tres colores (o anticolores) combinados, o una combinación neta de color-anticolor incolora.

El intercambio de gluones, particularmente cuando los quarks se separan más (y la fuerza se vuelve más fuerte), es lo que mantiene unidos a estos protones y neutrones individuales. Cuanto mayor sea la energía con la que aplastas algo contra estas partículas subatómicas, más quarks (y antiquarks) y gluones podrás ver efectivamente: es como si el interior del protón estuviera lleno de un mar de partículas, y cuanto más fuerte las aplastas, cuanto más “pegajosos” se comportan. A medida que nos adentramos en las profundidades más profundas y energéticas que jamás hayamos sondeado, no vemos límite a la densidad de estas partículas subatómicas dentro de cada núcleo atómico.

Pero no todos los átomos durarán para siempre en esta configuración estable. Muchos átomos son inestables frente a la desintegración radiactiva, lo que significa que eventualmente escupirán una partícula (o un conjunto de partículas), cambiando fundamentalmente el tipo de átomo que son. El tipo más común de desintegración radiactiva es la desintegración alfa, en la que un átomo inestable escupe un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones, que depende de la fuerza fuerte. Pero el segundo tipo más común es la desintegración beta, en la que un átomo escupe un electrón y un neutrino antielectrónico, y uno de los neutrones del núcleo se transforma en un protón en el proceso.

Esto requiere otra fuerza novedosa: la fuerza nuclear débil. Esta fuerza se basa en un tipo de carga completamente nuevo: la carga débil, que a su vez es una combinación de hipercarga débil e isospin débil . La carga débil ha demostrado ser tremendamente difícil de medir, ya que la fuerza débil es millones de veces más pequeña que la fuerza fuerte o la fuerza electromagnética hasta llegar a escalas de distancia extraordinariamente pequeñas, como el 0,1% del diámetro de un protón. Con el átomo correcto, uno que es inestable frente a la desintegración beta, se puede ver la interacción débil, lo que significa que las cuatro fuerzas fundamentales se pueden probar simplemente mirando un átomo.

Esto también implica algo notable: que si hay alguna partícula en el Universo, incluso una que aún no hemos descubierto, que interactúa a través de cualquiera de estas cuatro fuerzas fundamentales, también interactuará con los átomos. Hemos detectado una gran cantidad de partículas, incluidos todos los diferentes tipos de neutrinos y antineutrinos, a través de sus interacciones con las partículas que se encuentran dentro del humilde átomo. Aunque es precisamente lo que nos constituye, también es, de manera fundamental, nuestra mayor ventana a la verdadera naturaleza de la materia.

Esta notable historia, del Universo que existe y puede ser descubierto dentro de un átomo, no es sólo la historia de cómo la humanidad descubrió lo que constituye el Universo en las escalas más pequeñas de todas, es ahora una historia que, en colaboración con partículas la física Laura Manenti y la ilustradora Francesca Cosanti pueden disfrutarlo todos , incluidos niños de todas las edades.

Cuanto más nos adentramos en los componentes básicos de la materia, mejor entendemos la naturaleza misma del Universo. Desde cómo estos diversos cuantos se unen para formar el Universo que observamos y medimos hasta las reglas subyacentes que obedece cada partícula y antipartícula, sólo interrogando al Universo que tenemos podemos aprender sobre él. Ésa es la clave de la ciencia: si quieres saber algo sobre cómo funciona el Universo, lo exploras de una manera que lo obliga a hablarte sobre sí mismo.

Mientras la ciencia y la tecnología que somos capaces de construir sean capaces de investigarlo más a fondo, sería una lástima abandonar la búsqueda simplemente porque no está garantizado un descubrimiento nuevo que rompa paradigmas. La única garantía de la que podemos estar seguros es ésta: si no miramos más profundamente, no encontraremos nada en absoluto.