La f¨®rmula m¨¢s bella de la historia conecta a Einstein y a Kim Jong-un

Centr¨¦monos por un momento en esas curiosas entidades que llamamos ¨¢tomos que componen toda la materia de la que tenemos constancia en el universo. Todos ellos tienen una estructura similar: un n¨²cleo rodeado de una nube de electrones.

Para entender a Einstein

Este texto es un cap¨ªtulo del libro?Para entender a Einstein. Una emocionante aproximaci¨®n a E=mc? (Blackie Books), de Christophe Galfard, un divulgador cient¨ªfico franc¨¦s que fue alumno de Stephen Hawking. En este nuevo volumen, Galfard, con un lenguaje totalmente asequible, se propone llevar de la mano al lector a conocer la teor¨ªa de la relatividad de Einstein: c¨®mo surgi¨® y c¨®mo logr¨® cambiar la historia del siglo XX.

Tenemos constancia de 95 ¨¢tomos que se dan de forma natural en el universo. El menor de ellos es el hidr¨®geno, seguido del helio; el carbono es el n¨²mero 6, y el ox¨ªgeno, el 8. El hierro es el 26. El oro, el 79.

Los n¨²cleos at¨®micos est¨¢n compuestos de dos tipos distintos de piezas m¨¢s min¨²sculas todav¨ªa: los neutrones, que no tienen carga el¨¦ctrica (de ah¨ª su nombre), y los protones, que tienen carga positiva.

Bien: todo elemento, como el carbono, el oro, etc¨¦tera, se caracteriza por el n¨²mero de protones que contiene su n¨²cleo at¨®mico. El n¨²cleo del hidr¨®geno solo tiene 1. El helio tiene 2. El carbono, 6, el ox¨ªgeno, 8. El hierro, 26. El oro, 79. Creo que entiendes c¨®mo funciona.

Para construir un n¨²cleo, b¨¢sicamente, hay que juntar protones y neutrones. Pero no es tan sencillo como parece, porque los protones, al tener carga positiva, se repelen mutuamente. Consecuentemente, es necesaria una cantidad ingente de energ¨ªa para juntarlos, del mismo modo que hace falta ser muy fuerte para acercar el polo positivo de un im¨¢n a otro polo positivo (de conseguir que se toquen mejor no hablamos).

Sin embargo este es precisamente el punto: en el mundo de lo muy peque?o, nuevas fuerzas hacen acto de presencia.

Tanto los neutrones como los protones est¨¢n compuestos de part¨ªculas a¨²n m¨¢s peque?as, llamadas quarks. Por lo que sabemos en la actualidad, ah¨ª se acaba todo. Los quarks no est¨¢n hechos de part¨ªculas a¨²n m¨¢s diminutas. Son elementales. Y existe una fuerza muy especial que mantiene unidos a los quarks para poder formar los protones y neutrones. Recibe el nombre de fuerza nuclear fuerte.

Y resulta que esa fuerza fuerte, en distancias muy, muy peque?as, es mucho m¨¢s potente que la repulsi¨®n electromagn¨¦tica.

Es como si, habiendo tenido que luchar a brazo partido para acercar entre s¨ª los polos positivos de dos imanes, una vez alcanzada una distancia m¨ªnima cr¨ªtica estos empezasen a atraerse mutuamente; llegados a este punto, ya no tendr¨ªas forma de volver a separarlos.

Eso es exactamente lo que sucede en los n¨²cleos at¨®micos: una lucha entre el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte. Y a todo o nada. Nunca hay empates. Qui¨¦n gana y qui¨¦n pierde es simple cuesti¨®n de distancias.

Ahora bien: la fuerza fuerte afecta no solo a los propios quarks, sino tambi¨¦n a los protones y neutrones. Los cient¨ªficos lo llaman fuerza residual, y une los protones y neutrones igual que une los quarks. Mientras los neutrones y protones no est¨¦n demasiado alejados unos de otros, la fuerza residual sigue siendo m¨¢s fuerte que la repulsi¨®n electromagn¨¦tica, lo que mantiene los n¨²cleos de casi todos los ¨¢tomos de la naturaleza seguros y agrupados. De no existir esa fuerza, los n¨²cleos de los ¨¢tomos estallar¨ªan, porque los protones se repeler¨ªan entre s¨ª, y nosotros no habr¨ªamos existido nunca. Pero existimos. De lo que se deduce que no estallan. Y sin embargo, dado que todo es cuesti¨®n de distancias, podr¨ªan estallar.

Las consecuencias ser¨ªan, cuando menos, espectaculares.

En 1939, los f¨ªsicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann publicaron el extra?o resultado de uno de sus experimentos. Puesto que todos los n¨²cleos at¨®micos est¨¢n compuestos de neutrones y protones, a Hahn y Strassmann se les ocurri¨® que, si a?ad¨ªan con mucho cuidado un neutr¨®n al n¨²cleo de uno de los ¨¢tomos conocidos m¨¢s pesados, el uranio, crear¨ªan un nuevo ¨¢tomo m¨¢s pesado que el uranio. Pero no fue eso lo que consiguieron. Al lanzar un neutr¨®n a baja velocidad contra su objetivo, no obtuvieron un n¨²cleo m¨¢s grande, sino varios de menor tama?o. Aquello los pill¨® tan desprevenidos que decidieron esperar alg¨²n tiempo antes de publicar su descubrimiento. Todav¨ªa desconcertados, lo hicieron por fin, y alguien comprendi¨® de inmediato lo que hab¨ªa sucedido. La f¨ªsica austrosueca Lise Meitner supo ver que, al lanzar un neutr¨®n contra el n¨²cleo, Hahn y Strassmann hab¨ªan dado al traste con el equilibrio interno del n¨²cleo, modificando la fuerza que controlaba el conjunto y dividiendo el ¨¢tomo de uranio.

Meitner comprendi¨® tambi¨¦n que la divisi¨®n hab¨ªa creado dos neutrones por cada neutr¨®n utilizado, adem¨¢s de una cantidad enorme de energ¨ªa, lo que abr¨ªa las puertas a una reacci¨®n en cadena.

Una bomba.

No es dif¨ªcil imaginar que cuando se trocea una gran concentraci¨®n de neutrones y protones, se liberan algunos neutrones. La pregunta, con todo, es: ?de d¨®nde sali¨® la energ¨ªa?

Lise Meitner interpret¨® que sal¨ªa de E=mc².

Efectivamente, la masa puede transformarse en energ¨ªa.

Pero para entender mejor qu¨¦ masa se convierte en pura energ¨ªa, echemos otro vistazo a los n¨²cleos de los ¨¢tomos. ?De qu¨¦ est¨¢ hecha la energ¨ªa de algo tan min¨²sculo? De dos cosas: una es la masa normal, la otra la energ¨ªa de enlace nuclear. Seg¨²n E=mc², es posible traducir esa energ¨ªa de enlace en su equivalente de masa. Una masa de enlace, podr¨ªamos decir. En ese caso, la masa efectiva total de todos los n¨²cleos es la masa normal a la que estamos acostumbrados m¨¢s la masa de enlace. Eso es lo que mide en realidad una b¨¢scula. Tu peso es la suma de esos dos elementos.

Ahora bien, si tomamos un n¨²cleo de gran tama?o, como el de un ¨¢tomo de uranio (que tiene 92 protones y 143 neutrones) y lo dividimos, obtendremos dos n¨²cleos de menor tama?o. Sucede, sin embargo, que la energ¨ªa de enlace necesaria para mantener ¨ªntegro el uranio es mayor que la suma de las energ¨ªas de enlace de los dos n¨²cleos menores que has obtenido. Dicho de otra manera, la fisi¨®n del uranio conlleva una p¨¦rdida de masa de enlace, que se transforma en pura energ¨ªa por obra y gracia de E=mc². Ah¨ª est¨¢ el origen de la energ¨ªa que irradian los materiales radioactivos, que se aprovecha en reactores at¨®micos o que liberan las bombas at¨®micas. Es la raz¨®n por la que E=mc² es tan conocida. Pero esto solo es aplicable a los n¨²cleos grandes.

M¨¢s informaci¨®n

Espa?a se arriesga a perder la carrera por el gran acelerador de fusi¨®n nuclear

La energ¨ªa nuclear entra en la ¡®crisis de los 40¡¯ antes de tiempo

El im¨¢n ¡°m¨¢s complejo¡± del mundo pesa 300.000 kilos y mide 14 metros

En el caso de los peque?os sucede justamente lo contrario.

Si tomas dos n¨²cleos peque?os y los fusionas para crear otro mayor, la energ¨ªa de enlace del n¨²cleo grande que obtienes es menor que la suma de los dos n¨²cleos con los que empezaste. Eso quiere decir que, en el caso de los ¨¢tomos peque?os, la masa no se pierde al dividirlos, sino al fusionarlos. El fen¨®meno opuesto a la fisi¨®n.

Eso es lo que sucede en el n¨²cleo de las estrellas.

Las estrellas fusionan n¨²cleos at¨®micos peque?os en su interior para crear otros mayores, y la masa que se pierde en el proceso, una vez convertida en energ¨ªa por virtud de E=mc², es lo que hace que brillen.

E=mc² explica de qu¨¦ forma generan energ¨ªa las estrellas, fusionando n¨²cleos at¨®micos para crear la materia de la que estamos hechos. Al hacerlo, a partir del hidr¨®geno y el helio crean ¨¢tomos de mayor tama?o hasta llegar al de hierro. M¨¢s all¨¢ de este, la fusi¨®n consume, y no libera, energ¨ªa, de modo que todos los elementos que nos rodean y son m¨¢s pesados que el hierro, como el oro, no se forjan durante la vida de una estrella, sino con la muerte de esta, cuando parte de la inmensa energ¨ªa que se libera durante su explosi¨®n se emplea en crear los ¨¢tomos pesados que conocemos.

E=mc² es el motivo por el que la materia de nuestro universo se crea y se destruye.