Moisés previó tres descubrimientos
La ciencia precisa ha abierto una nueva manera de buscar nuestros orígenes cósmicos. Los científicos que recopilan datos con satélites y los astrónomos que miran a través de telescopios gigantes han combinado fuerzas con físicos nucleares para proponer nuevas ideas sobre el universo.
La base científica de estas ideas consiste principalmente en tres descubrimientos de los últimos cien años y pico. Estos han dado forma a las ideas actuales sobre el origen del cosmos. Nuestras ideas seguirán cambiando y desarrollándose, pero los tres descubrimientos que identificamos aquí se han confirmado de muchas maneras. Forman un trípode, una base estable para la cosmología. Los cosmólogos esperan que nuevos descubrimientos solo refinen, no refuten, los tres descubrimientos.
Los tres descubrimientos no son ideas que surjan a través del razonamiento filosófico. Si lo fueran, no habrían permanecido sin descubrir hasta el siglo XX. Incluso los observadores cuidadosos, pacientes y pensadores no pueden ver la evidencia de los tres descubrimientos sin instrumentos modernos.
Aquí resumiremos los descubrimientos. Luego mostraremos cuán notablemente los descubrimientos confirman la Biblia. Los capítulos subsiguientes dirán cómo los descubrimientos refutaron muchas presuposiciones históricas ateas y llevaron a una confirmación impresionante de la Biblia.
El primer descubrimiento
El primer descubrimiento fue un paso hacia la respuesta a la vieja pregunta: ¿Cómo apareció todo lo que vemos?
Una hoja de papel era originalmente parte de un árbol. Los árboles provienen de semillas, suelo, agua, aire y luz solar. El suelo es una mezcla de pequeños granos de arena y materia orgánica. La materia orgánica y las semillas procedían de árboles anteriores. ¿Qué fue primero, la bellota o el roble? ¿Cuál es el origen de los minerales, el agua y el aire? Además, ¿dónde encaja la luz del sol?
Las personas precientíficas pueden haber pensado que procesos como el crecimiento biológico crean material como la madera, y que otros procesos como la quema destruyen el material. En los siglos XVIII y XIX, los químicos comenzaron a realizar una contabilización precisa del peso de los materiales que entran y salen de una reacción. Demostraron que el peso total de entrada es siempre igual al peso total de salida. De esto concluyeron que la materia no se crea ni se destruye en ninguna reacción química, sino que solo se transforman de un tipo a otro. “La materia se conserva”, dijeron.
El calor disipa parte de la energía del movimiento. Por ejemplo, hace que una pelota deje de rebotar. James Prescott Joule (físico inglés, 1818–1889) realizó muchos experimentos que establecieron la equivalencia entre el calor y la energía del movimiento. Un vatio-segundo es un julio, una unidad de energía nombrada en su honor. Reconocer el calor como una forma de energía completó la contabilización de muchos tipos de transformaciones de energía. Los físicos y los ingenieros también tenían una ley de conservación. “La energía no se crea ni se destruye”, decían.
Las dos leyes de conservación se unen en el tema de la combustión. El fuego es una reacción química que produce calor y luz. La observación sin instrumentos conduce fácilmente a la idea de que el fuego destruye la materia y la transforma en energía. La leña es pesada. Las cenizas pesan mucho menos que la leña, pero aun así caen al fondo de la hoguera cuando las llamas se disparan hacia arriba. Sin embargo, los químicos que usaron balanzas delicadas demostraron que el fuego no cambia la masa total de la materia. Atraparon y pesaron los gases que entran y salen del fuego. El peso de la leña y el oxígeno consumido es igual al peso de las cenizas y el humo. Pero ¿y la energía? no pesa nada? ¿Es la luz del fuego solamente la luz del sol que absorbieron las hojas? ¿Se almacena la luz de alguna manera en la madera?
Estas dos leyes condujeron a gran progreso en la química y la física. Pero si se aplican en todo momento, entonces el universo no comenzó ni terminará, aunque la Biblia enseña lo contrario. ¿Se aplican las leyes de conservación al universo como un todo? ¿Cuál es el origen de la materia y la energía?
La masa y el peso de la energía
Albert Einstein (físico estadounidense nacido en Alemania, 1879-1955) en 1905 propuso su teoría de la relatividad especial. Combinó las dos leyes de conservación, demostrando que tanto la materia como la energía tienen masa y peso.
La ciencia precisa ha abierto una nueva manera de buscar nuestros orígenes cósmicos. Los científicos que recopilan datos con satélites y los astrónomos que miran a través de telescopios gigantes han combinado fuerzas con físicos nucleares para proponer nuevas ideas sobre el universo.
La base científica de estas ideas consiste principalmente en tres descubrimientos de los últimos cien años y pico. Estos han dado forma a las ideas actuales sobre el origen del cosmos. Nuestras ideas seguirán cambiando y desarrollándose, pero los tres descubrimientos que identificamos aquí se han confirmado de muchas maneras. Forman un trípode, una base estable para la cosmología. Los cosmólogos esperan que nuevos descubrimientos solo refinen, no refuten, los tres descubrimientos.
Los tres descubrimientos no son ideas que surjan a través del razonamiento filosófico. Si lo fueran, no habrían permanecido sin descubrir hasta el siglo XX. Incluso los observadores cuidadosos, pacientes y pensadores no pueden ver la evidencia de los tres descubrimientos sin instrumentos modernos.
Aquí resumiremos los descubrimientos. Luego mostraremos cuán notablemente los descubrimientos confirman la Biblia. Los capítulos subsiguientes dirán cómo los descubrimientos refutaron muchas presuposiciones históricas ateas y llevaron a una confirmación impresionante de la Biblia.
El primer descubrimiento
El primer descubrimiento fue un paso hacia la respuesta a la vieja pregunta: ¿Cómo apareció todo lo que vemos?
Una hoja de papel era originalmente parte de un árbol. Los árboles provienen de semillas, suelo, agua, aire y luz solar. El suelo es una mezcla de pequeños granos de arena y materia orgánica. La materia orgánica y las semillas procedían de árboles anteriores. ¿Qué fue primero, la bellota o el roble? ¿Cuál es el origen de los minerales, el agua y el aire? Además, ¿dónde encaja la luz del sol?
Las personas precientíficas pueden haber pensado que procesos como el crecimiento biológico crean material como la madera, y que otros procesos como la quema destruyen el material. En los siglos XVIII y XIX, los químicos comenzaron a realizar una contabilización precisa del peso de los materiales que entran y salen de una reacción. Demostraron que el peso total de entrada es siempre igual al peso total de salida. De esto concluyeron que la materia no se crea ni se destruye en ninguna reacción química, sino que solo se transforman de un tipo a otro. “La materia se conserva”, dijeron.
El calor disipa parte de la energía del movimiento. Por ejemplo, hace que una pelota deje de rebotar. James Prescott Joule (físico inglés, 1818–1889) realizó muchos experimentos que establecieron la equivalencia entre el calor y la energía del movimiento. Un vatio-segundo es un julio, una unidad de energía nombrada en su honor. Reconocer el calor como una forma de energía completó la contabilización de muchos tipos de transformaciones de energía. Los físicos y los ingenieros también tenían una ley de conservación. “La energía no se crea ni se destruye”, decían.
Las dos leyes de conservación se unen en el tema de la combustión. El fuego es una reacción química que produce calor y luz. La observación sin instrumentos conduce fácilmente a la idea de que el fuego destruye la materia y la transforma en energía. La leña es pesada. Las cenizas pesan mucho menos que la leña, pero aun así caen al fondo de la hoguera cuando las llamas se disparan hacia arriba. Sin embargo, los químicos que usaron balanzas delicadas demostraron que el fuego no cambia la masa total de la materia. Atraparon y pesaron los gases que entran y salen del fuego. El peso de la leña y el oxígeno consumido es igual al peso de las cenizas y el humo. Pero ¿y la energía? no pesa nada? ¿Es la luz del fuego solamente la luz del sol que absorbieron las hojas? ¿Se almacena la luz de alguna manera en la madera?
Estas dos leyes condujeron a gran progreso en la química y la física. Pero si se aplican en todo momento, entonces el universo no comenzó ni terminará, aunque la Biblia enseña lo contrario. ¿Se aplican las leyes de conservación al universo como un todo? ¿Cuál es el origen de la materia y la energía?
La masa y el peso de la energía
Albert Einstein (físico estadounidense nacido en Alemania, 1879-1955) en 1905 propuso su teoría de la relatividad especial. Combinó las dos leyes de conservación, demostrando que tanto la materia como la energía tienen masa y peso.
Albert Einstein leyendo su publicación sobre la relatividad especial.
Esto parece extraño al principio. La materia es la sustancia de un objeto material, lo que los físicos llaman un sistema corpóreo o un cuerpo. Los objetos materiales resisten cambios en su velocidad de movimiento. Un camión pesado no se aleja de los semáforos tan rápidamente como un automóvil deportivo liviano. La resistencia se llama inercia. La energía, por otro lado, corre de un lugar a otro en poderosos rayos. Cuando la energía deja de correr y permanece latente, lista para salir corriendo de nuevo, es invisible. Por lo general, la gente no piensa mucho en la energía latente o potencial. Se necesitó genio para ver qué tienen en común la materia y la energía.
Einstein nos dio una forma de calcular la masa y el peso de la energía. Sus cálculos explican por qué los químicos no tuvieron que tener en cuenta el peso de la luz del fuego y el calor cuando equilibraron sus ecuaciones de entrada y salida.
Einstein nos dio una forma de calcular la masa y el peso de la energía. Sus cálculos explican por qué los químicos no tuvieron que tener en cuenta el peso de la luz del fuego y el calor cuando equilibraron sus ecuaciones de entrada y salida.
Hay calor y luz latentes en la leña. Está en la energía que mantiene unidos los átomos de carbono e hidrógeno en la leña. Estos átomos se combinan en sustancias químicas llamadas carbohidratos debido a las fuerzas electromagnéticas entre sus electrones más externos. Los carbohidratos son moléculas orgánicas grandes y complejas que forman sustancias densas. A medida que la madera se quema, los carbohidratos se descomponen. El carbono y el hidrógeno se combinan con el oxígeno del aire para producir dióxido de carbono y vapor de agua. Estos productos son gases con moléculas inorgánicas pequeñas y simples. Junto con pequeñas partículas de hollín (carbón sin quemar) suben por la chimenea en forma de humo. La combustión libera la energía química que mantenía unidos a los carbohidratos. Esta energía sale de la hoguera en forma de calor y luz.
Para medir el peso del calor y la luz, los químicos necesitarían balanzas con una precisión de nueve o diez cifras significativas. Todavía nadie puede pesar nada con esa precisión. Los balances deben mejorar en un factor de 1 000 o 10 000 o más antes de que alguien pueda pesar la materia y la luz de las reacciones químicas al mismo tiempo.
Los átomos almacenan energía química en las fuerzas electromagnéticas entre sus núcleos (que son cargados positivamente) y sus orbitales de electrones (que son cargados negativamente). Hay mucha más energía en las fuerzas nucleares dentro de los núcleos de los átomos. Cuando los núcleos grandes se rompen en otros más pequeños, parte de esta energía se libera en el tipo de combustión nuclear que llamamos fisión. La teoría de Einstein llevó a otros científicos a concebir una “reacción en cadena” entre los núcleos de uranio. Una reacción en cadena libera una parte de la masa de uranio como energía nuclear. La cantidad es una décima parte del uno por ciento.
Por separado, por supuesto, podemos pesar materia o energía. Las pesamos midiendo su tendencia a caer hacia un cuerpo que atrae y gravita como la Tierra o el Sol. Las balanzas químicas comparan con precisión la atracción gravitacional de la Tierra por una cantidad desconocida de material en un platillo de la balanza con su atracción por pesos estándar en el otro platillo de la balanza. No podemos pesar la luz de la misma manera.
Einstein propuso, y Sir Arthur Stanley Eddington (astrónomo y físico británico, 1882–1944) demostró, que la fuerte gravedad del Sol atrae la luz de una estrella.
Si vemos la estrella por la noche cuando el Sol está en el lado opuesto de la Tierra, los rayos de la estrella nos llegan directamente. Normalmente no podemos ver la misma estrella durante el día cuando sus rayos pasan cerca del Sol, porque la atmósfera de la Tierra dispersa los rayos del Sol, haciendo que el cielo sea azul y demasiado brillante para ver la estrella. Eddington esperó hasta que un eclipse bloqueó la luz del Sol y luego fotografió las estrellas. En la foto, las estrellas más cercanas al Sol parecían haberse acercado. Eso fue porque sus rayos caían hacia el Sol en su camino hacia la Tierra. Los rayos se desviaron porque tenían peso, al igual que una línea tendedero se dobla cuando cuelgan ropa pesada y mojada.
La tendencia de los rayos a caer hacia el Sol mostró que su peso era el peso predicho por la teoría de Einstein.
Transformación y Materialización
Si tanto la materia como la energía tienen masa y peso, ¿pueden transformarse la una en la otra? ¿Son realmente formas diferentes de una sustancia? Algunos filósofos antes de Einstein pensaron que una sola sustancia subyace tanto la materia como al movimiento, pero no pudieron probar sus ideas. Einstein previó formas de convertir la energía en materia y viceversa. Nos dijo exactamente cuánta energía necesitamos para hacer una determinada cantidad de materia y cuánta energía podemos obtener de la materia. Describió como él llegó a esa conclusión:
El resultado más importante de la teoría especial de la relatividad se refería a las masas inertes de los sistemas corporales. Resultó que la inercia de un sistema depende necesariamente de su contenido de energía, y esto llevó directamente a la noción de que la masa inerte es simplemente energía latente. El principio de la conservación de la masa perdió su independencia y se fusionó con el de la conservación de la energía.[i]
[i] Einstein, Albert, “¿Cuál es la teoría de la relatividad?”, The London Times, 28 de noviembre de 1919, reimpreso en Albert Einstein, Ideas and Opinions (Nueva York: Wings Books, 1954), pág. 230.
A través de la teoría especial de relatividad de Einstein, llegamos a comprender cómo la materia puede convertirse en energía y viceversa.
La conversión de la materia en la energía no ocurre en fuego química. En esas reacciones, se libera la energía de enlace.
En la fisión nuclear.... Hay otro tipo de combustión, la fusión nuclear, que combina pequeños núcleos en otros más grandes. En la fusión nuclear, se convierten ciertas partículas subatómicas completamente en energía.
Los físicos inventaron los ciclotrones, máquinas que hacen girar electrones una y otra vez, cada vez un poco más rápido, y los aceleran a velocidades muy altas. Cuando las partículas chocan contra otras a una velocidad suficientemente alta, las partículas pueden desaparecer por completo y liberar energía en forma de rayos X muy energéticos. Los ciclotrones y otros instrumentos que aceleran partículas han demostrado repetidamente que la energía puede convertirse en materia (materializarse) y que la materia puede convertirse en energía.
La teoría de relatividad especial está abundantemente confirmada y se ha convertido en una ley de la naturaleza. Seguimos diciendo la “teoría” de la relatividad de Einstein porque él no hizo los experimentos que la confirmaron. A Einstein le gustaba proponer “experimentos mentales”, pero dejaba los experimentos de laboratorio a otros.
La fórmula de Einstein, E = mc², nos dice que una cantidad dada de energía E es equivalente a una cantidad de masa m.
Diferentes tipos de rayos y materialización en el espacio "vacío"
La materia está compuesto de partículas subatómicas como neutrones, protones y electrones. Neutrones son ligeramente más pesados que protones, y protones pesan 1830 veces más que electrones. Los rayos electromagnéticos son las ondas de energía llamadas fotones.
El peso y la energía de un fotón son directamente proporcionales a la rapidez de vibración de los rayos.
Los fotones pueden producir partículas si la masa equivalente de los fotones es al menos tan grande como la masa de las partículas. Dado que c² es un número grande, necesitamos fotones muy energéticos para producir partículas de poca masa.
Los rayos X tienen los fotones más energéticos que los científicos pueden producir con equipos de laboratorio. Los rayos gamma de baja energía son idénticos a los rayos X, pero el término "rayos gamma" se refiere a los rayos de fuentes naturales. Algunos rayos gamma tienen fotones que son mucho más energéticos que los fotones de rayos X más energéticos que podemos producir. Para materializarse, los rayos deben ser al menos tan energéticos como los rayos X energéticos que los físicos generan con ciclotrones o aceleradores lineales.
Un solo rayo no puede materializarse por sí solo. Dos rayos, o un rayo y una partícula, deben colisionar para materializarse. Si hay una partícula presente, entonces el espacio no está vacío, así que describamos primero la colisión de dos rayos en el espacio vacío. Cuando los rayos gamma o los rayos X energéticos chocan, convierten parte o la totalidad de su energía en partículas. Las partículas pueden ser componentes de átomos, como protones, neutrones y electrones, u otras partículas menos conocidas. No podemos ver los átomos porque los átomos son 5 000 veces más pequeños que las ondas de luz. Las partículas subatómicas son aún más pequeñas. Durante la colisión, parte de la energía original puede convertirse en energía cinética, la energía de los objetos en movimiento. De ser así, las partículas partirán del escenario de su materialización a gran velocidad. Si queda algo de la energía original, viajará como uno o más fotones de menor energía. Los fotones continúan chocando y fracturando hasta que les falta energía suficiente para materializarse.
Los rayos suficientemente energéticos se vuelven visibles cuando chocan, se fracturan y se materializan parcialmente como partículas. Las partículas deben formar átomos, y los átomos deben combinarse en gran número antes de que haya material visible. La energía restante puede ser rayos X suaves, rayos ultravioletas, luz o calor. Sólo los rayos de luz son visibles.
Un electrón tiene la masa más baja de las tres partículas subatómicas más comunes. Su masa es equivalente a la energía de los fotones de rayos X duros que usamos para tratar el cáncer, mucho más que la energía de los fotones de rayos X más suaves que usamos para el diagnóstico médico. Los fotones de luz visible son demasiado débiles para producir electrones, y mucho menos pueden producir protones o neutrones. Los fotones de calor, luz, rayos ultravioleta y rayos X suaves son demasiado débiles para materializarse.
Los rayos de luz son visibles y hacen que otras cosas sean visibles. Todos los demás rayos son invisibles, o sea, transportan energía en la oscuridad.
Cuando los médicos toman una imagen de rayos X, envían un poderoso pulso de energía a través del cuerpo del paciente. Los rayos X exponen la película, pero el paciente no ve nada. Para el paciente, las radiografías son oscuras.
Como podemos ver las estrellas, sabemos que la luz puede viajar en el espacio. Decimos que el espacio está vacío cuando no contiene materia, pero el espacio vacío siempre contiene la energía del calor y de cualquier luz o rayos gamma en tránsito. Nunca hemos sido capaces de hacer un espacio tan frío y oscuro que no tenga energía en absoluto. Los rayos electromagnéticos pueden existir en el espacio vacío, y allí pueden hacer materia.
¿Fue la energía la fuente de la materia?
El descubrimiento de Einstein mostró que toda la materia del universo pudo provenir de rayos gamma energéticos que chocaron en el espacio. Esto simplifica enormemente nuestra búsqueda de un comienzo. Si ni la materia ni la energía pudieran ser creadas o destruidas, como establecían las antiguas leyes de conservación, entonces la materia y la energía serían componentes separados y eternos del universo. Si pueden crearse, pero no pueden transformarse entre sí, entonces requieren causas separadas para su origen. Ahora sabemos que la materia puede destruirse para producir energía y que la energía puede materializarse cuando los rayos chocan. Por lo tanto, solo necesitamos buscar una causa.
¿Qué fue primero, la materia o la energía? Todas las formas conocidas de materia en cantidad contienen energía electromagnética, gravitatoria y nuclear. La energía nuclear sólo puede existir donde hay materia. La energía gravitatoria aparece cuando la materia o la energía electromagnética o ambas se distribuyen de manera desigual en el espacio. Cualquier cantidad de energía electromagnética puede existir por sí misma en el espacio libre, y si está distribuida casi uniformemente en el espacio, su energía gravitatoria es muy baja. Si solo hay una causa, entonces la energía electromagnética que llena todo el espacio casi uniformemente vino primero y la materia vino después.
Los rayos son paquetes de ondas electromagnéticas. Las ondas se repiten periódicamente a medida que se propagan por el espacio. Cada período de una onda toma cierta cantidad de tiempo para desarrollarse. Al principio, como no había transcurrido el tiempo, no se había desarrollado ninguna onda. Solo estaba presente la potencia para el desarrollo de ondas y la propagación de rayos. Esto hace que sea difícil describir el principio.
Es más fácil describir cómo eran las cosas un poco después del comienzo. Debemos imaginar la imagen. No podemos verlo, porque no había luz al principio. El comienzo de tiempo fue perfectamente oscuro.
Cualquier núcleo puede formar un átomo si se enfría lo suficiente como para capturar un número de electrones igual a su número de protones. Los electrones son demasiado livianos y activos para permanecer en el núcleo. Forman una nube alrededor del núcleo de unos cien micro micrómetros de diámetro. El núcleo es unas diez mil veces más pequeño que eso. Los átomos sometidos a calor intenso o bombardeados con rayos ultravioletas o electrones de alta energía vuelven a convertirse en plasma, una mezcla de núcleos desnudos y electrones. Las llamas y el gas en los letreros de neón son ejemplos.
Muy pronto después del comienzo, los rayos altamente energéticos se extendieron por todo el espacio, partiendo de todos los puntos y viajando en todas las direcciones. Cuando los rayos chocaron, chocaron en todas partes y, a menudo, se materializaron parcialmente como partículas. El universo se llenó de una mezcla energética de rayos y partículas. La materialización parcial tomó tanta energía de algunos de los rayos que se convirtieron en rayos de luz. De repente, el universo se llenó de luz. La fuente de la luz fueron los energéticos rayos gamma que chocaron y se materializaron parcialmente en la primera oscuridad. Dado que la oscuridad había estado en todas partes, la luz brilló en todas partes, comenzando desde todos los puntos y extendiéndose desde ellos en todas las direcciones.
Otros rayos, aquellos que retenían aún menos energía que los rayos de luz, se convirtieron en calor. La mezcla tenía una temperatura y una presión extremadamente altas. Todos los rayos y partículas chocaron frenéticamente entre sí. Algunos de los protones y neutrones chocan entre sí lo suficientemente fuerte como para unirse y formar núcleos simples de unas pocas partículas cada uno.
La presión hizo que la mezcla se expandiera y enfriara. El enfriamiento detuvo la formación de núcleos después de los primeros tres o cuatro minutos. Unos 380 000 años después, la mezcla estaba lo suficientemente fría como para permitir que los núcleos se movieran lentamente, capturaran los electrones libres y se convirtieran en átomos.
Este fue el comienzo de la materia tal como la conocemos.
La materia no es indestructible ni eterna. El descubrimiento de Einstein muestra cómo la materia proviene de la energía de los rayos gamma, pero no explica la fuente de la energía de los rayos gamma. Se necesitan enormes cantidades de energía para producir una pequeña cantidad de materia.
Los físicos tienen la capacidad de producir oro directamente a partir de la energía. Cuando los rayos oscuros de un ciclotrón chocan, se materializan como electrones, protones y neutrones. Las reacciones nucleares pueden juntar protones y neutrones para formar núcleos, y cuando los núcleos están lo suficientemente fríos, atraerán los electrones para formar átomos. Los átomos de oro tienen 79 electrones, 79 protones y 118 neutrones. Los neutrones ayudan a mantener los protones juntos en el núcleo. Probablemente nadie haya llevado a cabo nunca el proceso completo de construcción de un átomo de oro a partir de partículas. Ciertamente nadie puede enriquecerse haciendo oro directamente de la energía. Una revisión reciente de los precios del mercado mostró que la energía eléctrica que el ciclotrón utiliza para convirtir energía en partículas cuesta 1000 veces más que el valor del oro.
Una agencia muy poderosa debe haber trabajado muy duro para generar tanta energía.
Para medir el peso del calor y la luz, los químicos necesitarían balanzas con una precisión de nueve o diez cifras significativas. Todavía nadie puede pesar nada con esa precisión. Los balances deben mejorar en un factor de 1 000 o 10 000 o más antes de que alguien pueda pesar la materia y la luz de las reacciones químicas al mismo tiempo.
Los átomos almacenan energía química en las fuerzas electromagnéticas entre sus núcleos (que son cargados positivamente) y sus orbitales de electrones (que son cargados negativamente). Hay mucha más energía en las fuerzas nucleares dentro de los núcleos de los átomos. Cuando los núcleos grandes se rompen en otros más pequeños, parte de esta energía se libera en el tipo de combustión nuclear que llamamos fisión. La teoría de Einstein llevó a otros científicos a concebir una “reacción en cadena” entre los núcleos de uranio. Una reacción en cadena libera una parte de la masa de uranio como energía nuclear. La cantidad es una décima parte del uno por ciento.
Por separado, por supuesto, podemos pesar materia o energía. Las pesamos midiendo su tendencia a caer hacia un cuerpo que atrae y gravita como la Tierra o el Sol. Las balanzas químicas comparan con precisión la atracción gravitacional de la Tierra por una cantidad desconocida de material en un platillo de la balanza con su atracción por pesos estándar en el otro platillo de la balanza. No podemos pesar la luz de la misma manera.
Einstein propuso, y Sir Arthur Stanley Eddington (astrónomo y físico británico, 1882–1944) demostró, que la fuerte gravedad del Sol atrae la luz de una estrella.
Si vemos la estrella por la noche cuando el Sol está en el lado opuesto de la Tierra, los rayos de la estrella nos llegan directamente. Normalmente no podemos ver la misma estrella durante el día cuando sus rayos pasan cerca del Sol, porque la atmósfera de la Tierra dispersa los rayos del Sol, haciendo que el cielo sea azul y demasiado brillante para ver la estrella. Eddington esperó hasta que un eclipse bloqueó la luz del Sol y luego fotografió las estrellas. En la foto, las estrellas más cercanas al Sol parecían haberse acercado. Eso fue porque sus rayos caían hacia el Sol en su camino hacia la Tierra. Los rayos se desviaron porque tenían peso, al igual que una línea tendedero se dobla cuando cuelgan ropa pesada y mojada.
La tendencia de los rayos a caer hacia el Sol mostró que su peso era el peso predicho por la teoría de Einstein.
Transformación y Materialización
Si tanto la materia como la energía tienen masa y peso, ¿pueden transformarse la una en la otra? ¿Son realmente formas diferentes de una sustancia? Algunos filósofos antes de Einstein pensaron que una sola sustancia subyace tanto la materia como al movimiento, pero no pudieron probar sus ideas. Einstein previó formas de convertir la energía en materia y viceversa. Nos dijo exactamente cuánta energía necesitamos para hacer una determinada cantidad de materia y cuánta energía podemos obtener de la materia. Describió como él llegó a esa conclusión:
El resultado más importante de la teoría especial de la relatividad se refería a las masas inertes de los sistemas corporales. Resultó que la inercia de un sistema depende necesariamente de su contenido de energía, y esto llevó directamente a la noción de que la masa inerte es simplemente energía latente. El principio de la conservación de la masa perdió su independencia y se fusionó con el de la conservación de la energía.[i]
[i] Einstein, Albert, “¿Cuál es la teoría de la relatividad?”, The London Times, 28 de noviembre de 1919, reimpreso en Albert Einstein, Ideas and Opinions (Nueva York: Wings Books, 1954), pág. 230.
A través de la teoría especial de relatividad de Einstein, llegamos a comprender cómo la materia puede convertirse en energía y viceversa.
La conversión de la materia en la energía no ocurre en fuego química. En esas reacciones, se libera la energía de enlace.
En la fisión nuclear.... Hay otro tipo de combustión, la fusión nuclear, que combina pequeños núcleos en otros más grandes. En la fusión nuclear, se convierten ciertas partículas subatómicas completamente en energía.
Los físicos inventaron los ciclotrones, máquinas que hacen girar electrones una y otra vez, cada vez un poco más rápido, y los aceleran a velocidades muy altas. Cuando las partículas chocan contra otras a una velocidad suficientemente alta, las partículas pueden desaparecer por completo y liberar energía en forma de rayos X muy energéticos. Los ciclotrones y otros instrumentos que aceleran partículas han demostrado repetidamente que la energía puede convertirse en materia (materializarse) y que la materia puede convertirse en energía.
La teoría de relatividad especial está abundantemente confirmada y se ha convertido en una ley de la naturaleza. Seguimos diciendo la “teoría” de la relatividad de Einstein porque él no hizo los experimentos que la confirmaron. A Einstein le gustaba proponer “experimentos mentales”, pero dejaba los experimentos de laboratorio a otros.
La fórmula de Einstein, E = mc², nos dice que una cantidad dada de energía E es equivalente a una cantidad de masa m.
Diferentes tipos de rayos y materialización en el espacio "vacío"
La materia está compuesto de partículas subatómicas como neutrones, protones y electrones. Neutrones son ligeramente más pesados que protones, y protones pesan 1830 veces más que electrones. Los rayos electromagnéticos son las ondas de energía llamadas fotones.
El peso y la energía de un fotón son directamente proporcionales a la rapidez de vibración de los rayos.
Los fotones pueden producir partículas si la masa equivalente de los fotones es al menos tan grande como la masa de las partículas. Dado que c² es un número grande, necesitamos fotones muy energéticos para producir partículas de poca masa.
Los rayos X tienen los fotones más energéticos que los científicos pueden producir con equipos de laboratorio. Los rayos gamma de baja energía son idénticos a los rayos X, pero el término "rayos gamma" se refiere a los rayos de fuentes naturales. Algunos rayos gamma tienen fotones que son mucho más energéticos que los fotones de rayos X más energéticos que podemos producir. Para materializarse, los rayos deben ser al menos tan energéticos como los rayos X energéticos que los físicos generan con ciclotrones o aceleradores lineales.
Un solo rayo no puede materializarse por sí solo. Dos rayos, o un rayo y una partícula, deben colisionar para materializarse. Si hay una partícula presente, entonces el espacio no está vacío, así que describamos primero la colisión de dos rayos en el espacio vacío. Cuando los rayos gamma o los rayos X energéticos chocan, convierten parte o la totalidad de su energía en partículas. Las partículas pueden ser componentes de átomos, como protones, neutrones y electrones, u otras partículas menos conocidas. No podemos ver los átomos porque los átomos son 5 000 veces más pequeños que las ondas de luz. Las partículas subatómicas son aún más pequeñas. Durante la colisión, parte de la energía original puede convertirse en energía cinética, la energía de los objetos en movimiento. De ser así, las partículas partirán del escenario de su materialización a gran velocidad. Si queda algo de la energía original, viajará como uno o más fotones de menor energía. Los fotones continúan chocando y fracturando hasta que les falta energía suficiente para materializarse.
Los rayos suficientemente energéticos se vuelven visibles cuando chocan, se fracturan y se materializan parcialmente como partículas. Las partículas deben formar átomos, y los átomos deben combinarse en gran número antes de que haya material visible. La energía restante puede ser rayos X suaves, rayos ultravioletas, luz o calor. Sólo los rayos de luz son visibles.
Un electrón tiene la masa más baja de las tres partículas subatómicas más comunes. Su masa es equivalente a la energía de los fotones de rayos X duros que usamos para tratar el cáncer, mucho más que la energía de los fotones de rayos X más suaves que usamos para el diagnóstico médico. Los fotones de luz visible son demasiado débiles para producir electrones, y mucho menos pueden producir protones o neutrones. Los fotones de calor, luz, rayos ultravioleta y rayos X suaves son demasiado débiles para materializarse.
Los rayos de luz son visibles y hacen que otras cosas sean visibles. Todos los demás rayos son invisibles, o sea, transportan energía en la oscuridad.
Cuando los médicos toman una imagen de rayos X, envían un poderoso pulso de energía a través del cuerpo del paciente. Los rayos X exponen la película, pero el paciente no ve nada. Para el paciente, las radiografías son oscuras.
Como podemos ver las estrellas, sabemos que la luz puede viajar en el espacio. Decimos que el espacio está vacío cuando no contiene materia, pero el espacio vacío siempre contiene la energía del calor y de cualquier luz o rayos gamma en tránsito. Nunca hemos sido capaces de hacer un espacio tan frío y oscuro que no tenga energía en absoluto. Los rayos electromagnéticos pueden existir en el espacio vacío, y allí pueden hacer materia.
¿Fue la energía la fuente de la materia?
El descubrimiento de Einstein mostró que toda la materia del universo pudo provenir de rayos gamma energéticos que chocaron en el espacio. Esto simplifica enormemente nuestra búsqueda de un comienzo. Si ni la materia ni la energía pudieran ser creadas o destruidas, como establecían las antiguas leyes de conservación, entonces la materia y la energía serían componentes separados y eternos del universo. Si pueden crearse, pero no pueden transformarse entre sí, entonces requieren causas separadas para su origen. Ahora sabemos que la materia puede destruirse para producir energía y que la energía puede materializarse cuando los rayos chocan. Por lo tanto, solo necesitamos buscar una causa.
¿Qué fue primero, la materia o la energía? Todas las formas conocidas de materia en cantidad contienen energía electromagnética, gravitatoria y nuclear. La energía nuclear sólo puede existir donde hay materia. La energía gravitatoria aparece cuando la materia o la energía electromagnética o ambas se distribuyen de manera desigual en el espacio. Cualquier cantidad de energía electromagnética puede existir por sí misma en el espacio libre, y si está distribuida casi uniformemente en el espacio, su energía gravitatoria es muy baja. Si solo hay una causa, entonces la energía electromagnética que llena todo el espacio casi uniformemente vino primero y la materia vino después.
Los rayos son paquetes de ondas electromagnéticas. Las ondas se repiten periódicamente a medida que se propagan por el espacio. Cada período de una onda toma cierta cantidad de tiempo para desarrollarse. Al principio, como no había transcurrido el tiempo, no se había desarrollado ninguna onda. Solo estaba presente la potencia para el desarrollo de ondas y la propagación de rayos. Esto hace que sea difícil describir el principio.
Es más fácil describir cómo eran las cosas un poco después del comienzo. Debemos imaginar la imagen. No podemos verlo, porque no había luz al principio. El comienzo de tiempo fue perfectamente oscuro.
Cualquier núcleo puede formar un átomo si se enfría lo suficiente como para capturar un número de electrones igual a su número de protones. Los electrones son demasiado livianos y activos para permanecer en el núcleo. Forman una nube alrededor del núcleo de unos cien micro micrómetros de diámetro. El núcleo es unas diez mil veces más pequeño que eso. Los átomos sometidos a calor intenso o bombardeados con rayos ultravioletas o electrones de alta energía vuelven a convertirse en plasma, una mezcla de núcleos desnudos y electrones. Las llamas y el gas en los letreros de neón son ejemplos.
Muy pronto después del comienzo, los rayos altamente energéticos se extendieron por todo el espacio, partiendo de todos los puntos y viajando en todas las direcciones. Cuando los rayos chocaron, chocaron en todas partes y, a menudo, se materializaron parcialmente como partículas. El universo se llenó de una mezcla energética de rayos y partículas. La materialización parcial tomó tanta energía de algunos de los rayos que se convirtieron en rayos de luz. De repente, el universo se llenó de luz. La fuente de la luz fueron los energéticos rayos gamma que chocaron y se materializaron parcialmente en la primera oscuridad. Dado que la oscuridad había estado en todas partes, la luz brilló en todas partes, comenzando desde todos los puntos y extendiéndose desde ellos en todas las direcciones.
Otros rayos, aquellos que retenían aún menos energía que los rayos de luz, se convirtieron en calor. La mezcla tenía una temperatura y una presión extremadamente altas. Todos los rayos y partículas chocaron frenéticamente entre sí. Algunos de los protones y neutrones chocan entre sí lo suficientemente fuerte como para unirse y formar núcleos simples de unas pocas partículas cada uno.
La presión hizo que la mezcla se expandiera y enfriara. El enfriamiento detuvo la formación de núcleos después de los primeros tres o cuatro minutos. Unos 380 000 años después, la mezcla estaba lo suficientemente fría como para permitir que los núcleos se movieran lentamente, capturaran los electrones libres y se convirtieran en átomos.
Este fue el comienzo de la materia tal como la conocemos.
La materia no es indestructible ni eterna. El descubrimiento de Einstein muestra cómo la materia proviene de la energía de los rayos gamma, pero no explica la fuente de la energía de los rayos gamma. Se necesitan enormes cantidades de energía para producir una pequeña cantidad de materia.
Los físicos tienen la capacidad de producir oro directamente a partir de la energía. Cuando los rayos oscuros de un ciclotrón chocan, se materializan como electrones, protones y neutrones. Las reacciones nucleares pueden juntar protones y neutrones para formar núcleos, y cuando los núcleos están lo suficientemente fríos, atraerán los electrones para formar átomos. Los átomos de oro tienen 79 electrones, 79 protones y 118 neutrones. Los neutrones ayudan a mantener los protones juntos en el núcleo. Probablemente nadie haya llevado a cabo nunca el proceso completo de construcción de un átomo de oro a partir de partículas. Ciertamente nadie puede enriquecerse haciendo oro directamente de la energía. Una revisión reciente de los precios del mercado mostró que la energía eléctrica que el ciclotrón utiliza para convirtir energía en partículas cuesta 1000 veces más que el valor del oro.
Una agencia muy poderosa debe haber trabajado muy duro para generar tanta energía.
Hubble ajustando el telescopio de 250 centímetros
en el Observatorio Mount Wilson en California
El segundo descubrimiento
Al principio, el calor y la presión iniciaron la expansión del universo. Edwin Powell Hubble (astrónomo estadounidense, 1889–1953) descubrió en 1929 que el universo todavía se está expandiendo. La mayoría de las galaxias o cúmulos de galaxias se están extendiendo, alejándose unos de otros. Cuanto más lejos están de nosotros, más rápidamente se alejan.
Este movimiento debe haber comenzado en algún momento en el pasado relativamente reciente. Si siempre hubiera estado ocurriendo, por los siglos de los siglos en el pasado, ahora todas las otras galaxias estarían infinitamente lejos de nosotros y no podríamos ver ninguna. Pero el cielo está lleno de galaxias. Por lo tanto, sabemos que en un momento determinado, no infinitamente remoto en el pasado, toda la materia y energía del universo estaba muy compacta. Este momento marca el comienzo del universo, hace 13 820 millones de años.
Los descubrimientos de Einstein y Hubble, la materialización de la energía y la expansión del universo conducen a un modelo funcional de los comienzos del universo. Una fracción de segundo después del comienzo, los rayos cósmicos chocaron en la oscuridad, formando una mezcla ardiente de partículas y rayos que se expandió bajo una tremenda presión. Finalmente, la materia, el calor y la luz se separaron de la oscuridad y formaron las primeras estrellas y galaxias.
Hubble estaba trabajando con el telescopio más grande de su época cuando hizo su descubrimiento. Aun así, no podía ver muy lejos en el espacio. Esto significaba que solo podía observar condiciones en un pasado relativamente reciente.
La luz se mueve muy rápidamente, pero aun así tarda años en llegar incluso desde las estrellas más cercanas. Nunca podemos ver cómo están las cosas en el momento presente en los cielos. Lo que vemos allí ahora es pasado. Cuanto más lejos se mira en el espacio, más atrás en el tiempo se ve.
Los telescopios aumentaron gradualmente en tamaño y rendimiento. Sin embargo, tuvieron que esperar la invención de las matrices de detectores electrónicos para reemplazar la película antes de poder ver muy cerca del principio. Hasta entonces, las teorías basadas en el descubrimiento de Hubble tenían que depender de evidencia indirecta para su confirmación. Para 1948, Ralph Asher Alpher (físico estadounidense, 1921–), Robert Herman (físico e ingeniero civil estadounidense, 1914–) y George Gamow (físico teórico estadounidense nacido en Rusia, 1904–1968) habían calculado que la temperatura alta original del universo se ha reducido a unos 5 kelvin en la actualidad en las regiones vacías más frías del espacio.
Ahora conocemos la temperatura con mayor precisión. Es 2.735 kelvin.
Al principio, el calor y la presión iniciaron la expansión del universo. Edwin Powell Hubble (astrónomo estadounidense, 1889–1953) descubrió en 1929 que el universo todavía se está expandiendo. La mayoría de las galaxias o cúmulos de galaxias se están extendiendo, alejándose unos de otros. Cuanto más lejos están de nosotros, más rápidamente se alejan.
Este movimiento debe haber comenzado en algún momento en el pasado relativamente reciente. Si siempre hubiera estado ocurriendo, por los siglos de los siglos en el pasado, ahora todas las otras galaxias estarían infinitamente lejos de nosotros y no podríamos ver ninguna. Pero el cielo está lleno de galaxias. Por lo tanto, sabemos que en un momento determinado, no infinitamente remoto en el pasado, toda la materia y energía del universo estaba muy compacta. Este momento marca el comienzo del universo, hace 13 820 millones de años.
Los descubrimientos de Einstein y Hubble, la materialización de la energía y la expansión del universo conducen a un modelo funcional de los comienzos del universo. Una fracción de segundo después del comienzo, los rayos cósmicos chocaron en la oscuridad, formando una mezcla ardiente de partículas y rayos que se expandió bajo una tremenda presión. Finalmente, la materia, el calor y la luz se separaron de la oscuridad y formaron las primeras estrellas y galaxias.
Hubble estaba trabajando con el telescopio más grande de su época cuando hizo su descubrimiento. Aun así, no podía ver muy lejos en el espacio. Esto significaba que solo podía observar condiciones en un pasado relativamente reciente.
La luz se mueve muy rápidamente, pero aun así tarda años en llegar incluso desde las estrellas más cercanas. Nunca podemos ver cómo están las cosas en el momento presente en los cielos. Lo que vemos allí ahora es pasado. Cuanto más lejos se mira en el espacio, más atrás en el tiempo se ve.
Los telescopios aumentaron gradualmente en tamaño y rendimiento. Sin embargo, tuvieron que esperar la invención de las matrices de detectores electrónicos para reemplazar la película antes de poder ver muy cerca del principio. Hasta entonces, las teorías basadas en el descubrimiento de Hubble tenían que depender de evidencia indirecta para su confirmación. Para 1948, Ralph Asher Alpher (físico estadounidense, 1921–), Robert Herman (físico e ingeniero civil estadounidense, 1914–) y George Gamow (físico teórico estadounidense nacido en Rusia, 1904–1968) habían calculado que la temperatura alta original del universo se ha reducido a unos 5 kelvin en la actualidad en las regiones vacías más frías del espacio.
Ahora conocemos la temperatura con mayor precisión. Es 2.735 kelvin.
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Penzias (derecha) y Wilson frente a la antena de microondas que usaron en Holmdel, Nueva Jersey, EE. UU., para detectar la primera luz.
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Penzias (derecha) y Wilson frente a la antena de microondas que usaron en Holmdel, Nueva Jersey, EE. UU., para detectar la primera luz.
El tercer descubrimiento
En 1964, Arno Allan Penzias (radioastrónomo estadounidense, 1933–) y Robert Woodrow Wilson (radioastrónomo estadounidense, 1936–) de Bell Laboratories intentaban mejorar la calidad de los enlaces de microondas para las comunicaciones telefónicas. Querían reducir la interferencia proveniente de la tierra y el cielo. Penzias y Wilson no estaban buscando la primera luz, pero la antena de microondas que estaban usando la detectó proveniente de la mezcla ardiente poco después del comienzo del universo.
En 1964, Arno Allan Penzias (radioastrónomo estadounidense, 1933–) y Robert Woodrow Wilson (radioastrónomo estadounidense, 1936–) de Bell Laboratories intentaban mejorar la calidad de los enlaces de microondas para las comunicaciones telefónicas. Querían reducir la interferencia proveniente de la tierra y el cielo. Penzias y Wilson no estaban buscando la primera luz, pero la antena de microondas que estaban usando la detectó proveniente de la mezcla ardiente poco después del comienzo del universo.
Mucha gente pregunta cómo podemos todavía detectar la primera luz después de 13 820 millones de años. Recordemos que el universo es muy grande. Al principio, la luz brotó de todas partes del universo, porque los rayos gamma chocaron en todas partes. Vea el dibujo para una explicación.
Al principio todas las regiones del universo brillaban con luz que salía en todas direcciones. La Tierra se formaría más tarde en el medio de la región central. La primera luz que salió de esa región ahora ha llegado a la esfera que se muestra como una línea circular sólida. Su distancia de la Tierra en años luz es el número de años desde la creación.
La esfera estaba cubierta de regiones brillantes (solo se muestran cuatro). Parte de su luz se dirigió hacia la futura ubicación de la Tierra. Ahora su luz está llegando, porque la luz tarda exactamente el mismo tiempo en llegar que en irse.
Alrededor de la esfera sólida hay una esfera de línea quebrada, un día luz más lejos de la Tierra. Desde la esfera de la línea quebrada también llega luz a la Tierra, pero todavía está a un día luz de distancia, en la pequeña esfera quebrada. Mañana llegará. Así, la primera luz nos llega continuamente desde lugares cada vez más lejanos.
Al principio todas las regiones del universo brillaban con luz que salía en todas direcciones. La Tierra se formaría más tarde en el medio de la región central. La primera luz que salió de esa región ahora ha llegado a la esfera que se muestra como una línea circular sólida. Su distancia de la Tierra en años luz es el número de años desde la creación.
La esfera estaba cubierta de regiones brillantes (solo se muestran cuatro). Parte de su luz se dirigió hacia la futura ubicación de la Tierra. Ahora su luz está llegando, porque la luz tarda exactamente el mismo tiempo en llegar que en irse.
Alrededor de la esfera sólida hay una esfera de línea quebrada, un día luz más lejos de la Tierra. Desde la esfera de la línea quebrada también llega luz a la Tierra, pero todavía está a un día luz de distancia, en la pequeña esfera quebrada. Mañana llegará. Así, la primera luz nos llega continuamente desde lugares cada vez más lejanos.
