¿Podría existir la vida en un universo sin interacción débil?

Existen cuatro interacciones fundamentales en el universo conocido: la gravitatoria, la electromagnética y las dos nucleares: la fuerte y la débil. La primera es responsable de que existan los planetas, estrellas y galaxias, por ejemplo; la segunda de que la luz del Sol llegue hasta nosotros; la tercera explica que existan los núcleos atómicos.


Actualmente, la gran mayoría de los físicos y cosmólogos creen que nuestro universo se originó en un acontecimiento singular conocido como Big Bang. Cuando se generaron los protones, las partículas con carga positiva que constituyen, junto a los neutrones, los núcleos atómicos de todos los elementos que conocemos, la cuarta de las fuerzas fundamentales aludida en el párrafo anterior, fue la responsable de que grupos de cuatro protones se fusionasen para dar lugar a núcleos de helio-4 (formados por dos protones y dos neutrones, de ahí el 4, que indica el número másico). De hecho este es el proceso mediante el que nuestra estrella madre, el Sol, produce la energía que nos llega en forma de luz y calor a la Tierra.

Resulta muy difícil imaginar un universo en el que no estuvieran presentes las cuatro fuerzas fundamentales anteriores, especialmente las tres primeras. Sin embargo, parece ser que la cuarta de ellas, la fuerza nuclear débil, no es tan restrictiva como pudiera pensarse. Al menos esto es lo que han demostrado los físicos Alejandro Jenkins y Gilad Pérez, quienes han llevado a cabo una serie de simulaciones con ordenador en las que analizan la posibilidad de la existencia de universos capaces de albergar vida en ausencia de la interacción nuclear débil. Y han llegado a unas conclusiones, cuando menos, inesperadas.

Jenkins y Pérez estimaron que si modificaban ligeramente la proporción entre la cantidad de materia y antimateria del universo podría ser posible que se generasen cantidades suficientes de deuterio (un isótopo del hidrógeno cuyo núcleo atómico está formado por un protón y un neutrón) como para que se fusionasen con otros protones (núcleos de hidrógeno ordinario) y diesen lugar a núcleos de helio-3 (con dos protones y un neutrón). Esto tendría como consecuencia la formación de estrellas ligeramente distintas a las que conocemos en nuestro universo, en el que la fuerza nuclear débil es una de las cuatro interacciones fundamentales. Dichas estrellas poseerían tamaños relativamente menores y, por lo tanto, sus temperaturas serían también inferiores, acortando su existencia hasta los 7.000 millones de años en promedio. Asimismo, debido a las menores temperaturas, los hipotéticos planetas que se encontrasen en estos sistemas estelares deberían orbitar en zonas habitables hasta seis veces más próximas que la del Sol.




La química de la vida en estos universos no presentaría excesivas diferencias con la que conocemos en la Tierra. Eso sí, la nueva tabla periódica de los elementos finalizaría prácticamente en el hierro. Los elementos pesados como el uranio o el torio no existirían, ya que al haber disponibles tan pocos neutrones (recordad que no existe fuerza nuclear débil) dichos elementos pesados, que en nuestro universo se producen principalmente en las explosiones de supernovas causadas por el colapso gravitatorio en las etapas finales de la evolución estelar, requerirían de otros mecanismos diferentes. La ausencia de uranio y torio imposibilitaría otros dos fenómenos característicos de algunos planetas del sistema solar: la tectónica de placas y la actividad volcánica.

Otras posibilidades distintas que manejaron los investigadores en las simulaciones tuvieron que ver con la modificación de las masas de los quarks que constituyen los protones y neutrones. Descubrieron, de esta manera, que en el caso de que el neutrón fuese tan sólo un 2% más pesado que el protón (en nuestro universo el neutrón es solamente un 0,1% más pesado que el protón) no existirían ni carbono ni oxígeno estables, aunque sí podrían existir tanto deuterio como tritio (el isótopo del hidrógeno cuyo núcleo se compone de un protón y dos neutrones). Planetas con océanos de agua pesada albergarían quizá alguna clase de materia orgánica.


NOTA: Un tema similar al tratado en este post se puede encontrar en la excelente novela de Isaac Asimov "Los propios dioses". Si no la habéis leído aún, ya estáis tardando.


Fuente:
Buscando vida en el multiverso Alejandro Jenkins y Gilad Pérez. Investigación y Ciencia, Temas 63, 1º trimestre 2011.




16 comentarios:

  1. Muy buen post..Y la novela de Asimov "Los Propios Dioses" una de mis favoritas..

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  2. Fabuloso post, Agatha, como siempre.

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  3. "Los propios dioses" ¡Qué joya! La leí hace un año y medio o dos, creo recordar, después de escuchar las maravillas que contaba de ella @ondasolitaria (anteriormente conocido como Prince).

    Un excelente artículo, Agatha.

    Salud!

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  4. Sí, para mi Los Propios Dioses es la mejor novela de Asimov y una de las mejores de la historia de la Ciencia Ficción.

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  5. Pues sí, aún tengo pendiente la novela… :P

    Por cierto, sin fuerza nuclear débil los neutrones libres serían estables, ¿no? Me pregunto qué consecuencias tendría esto, porque no forman átomos ni son afectados por campos electromagnéticos… ¿Acumulaciones de materia en forma de "supercondensados"? Aunque los neutrones son fermiones…

    Y otra cosa: ¿habría neutrinos? Se producen mediante la interacción débil… Y esto tiene una gran importancia para la existencia de supernovas, además. En las de colapso del núcleo, la explosión se produce no por el rebote del núcleo al colapsar (que no tiene energía suficiente) sino por la gran cantidad de neutrinos que se producen por interacción débil en ese suceso. Sin neutrinos no hay expulsión de la materia al exterior, así que supongo que prácticamente todos los elementos del silicio a más pesados quedarían "atrapados" en el pozo gravitatorio resultante en vez de escapar al espacio y formar planetas en la siguiente generación.

    ¡No estoy ya muy seguro de que la vida siga siendo posible en un universo así!

    Y por cierto, supongo que tampoco habría estrellas de neutrones, ya que los protones no capturarían electrones en la supernova :P

    ¡Buena entrada!

    ¡Saludos! :)

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  6. El artículo me ha gustado en forma (como no, viniendo de quien viene ;) ) pero ya sabes que me gusta ser un tocapelotas y voy a meter un poco el dedo en la llaga :P

    "la cuarta de las fuerzas fundamentales aludida en el párrafo anterior, fue la responsable de que grupos de cuatro protones se fusionasen para dar lugar a núcleos de helio-4 (formados por dos protones y dos neutrones, de ahí el 4, que indica el número másico). "

    Esto no es así. Los núcleos atómicos se forman por interacción fuerte. De hecho, la fuerza que une los núcleos es el remanente de interacción fuerte entre quarks que se "filtra" fuera de los nucleones. La interacción débil es la que provoca las reacciones tipo "protón a neutrón" y viceversa (con neutrinos por el medio, pero no quiero entrar en detalles).

    De todas formas, sin interacción débil tampoco sería posible tener ni protones ni neutrones. La razón es el dichoso principio de exclusión de Pauli. Los protones y nucleones pueden verse de forma naive como agrupaciones de tres quarks. Para que esto sea posible, las tres partículas tienen que estar en estados cuánticos distintos, lo que implica la necesidad de tener dos números cuánticos conque distinguirlas, que son el spin y el sabor (que distingue un quark up de uno down). El sabor es el número cuántico que depende de la interacción débil. Si sólo tenemos spin, al sólo poder tomar este dos valores (arriba y abajo), es imposible tener tres partículas en estados distintos y no se pueden formar nucleones.

    Por otro lado, cambiar la proporción entre materia y antimateria no es equivalente completamente a cambiar la interacción débil, de hecho la relación es al contrario, si cambiamos la interacción débil, cambiamos el equilibrio entre materia y antimateria (que depende basicamente de la violación de la simetría CP, que sólo puede ser violada por interacción débil). SIn embargo, esta no es la única forma de tener desequilibrio entre materia y antimateria, por lo que hacer el enlace directo entre las dos situaciones es un pelín controvertido.

    De todas formas, se agradece ver divulgación en Internet y no sólo blogs de "me voy a meter con magufos, que me aburro", ya lo sabes :)

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    1. Hmmmm… Fooly, creo que has malinterpretado alguna cosilla de la entrada.

      La entrada dice "fue la responsable de que grupos de cuatro protones se fusionasen para dar lugar a núcleos de helio-4", y luego tú dices que no, pero que lo que permite la interacción débil es el paso de protón a neutrón. Me parece que se refería precisamente a esto, a que se necesitan tener los dos protones y dos neutrones desde el principio. Y por eso dice después que aumentando la proporción de materia habría más deuterio, que serviría de materia prima para la fusión. En ningún momento dice que aumentar la proporción de materia sea equivalente a tener la interacción débil ni nada parecido.

      Y otra cosa, luego dices: "El sabor es el número cuántico que depende de la interacción débil. Si sólo tenemos spin, al sólo poder tomar este dos valores (arriba y abajo), es imposible tener tres partículas en estados distintos y no se pueden formar nucleones." Según esto, sin interacción sólo tendríamos quarks arriba y abajo en vez de las tres generaciones. Pero ya sabes que estos son los quarks que forman los protones y neutrones, y que el número cuántico que los distingue en ellos es el color, no el sabor. Así que corrígeme si me equivoco, pero creo que te has colado XD

      ¡Un saludo!

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    2. Cambio "cuarta" por "tercera". Perdón por el lapsus y gracias por señalarlo.

      Saludos.

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    3. Yo lo dejaría como estaba. Justo tras salir publicado el comentario de Fooly, escribí uno sólo un poco menos extenso, detallando dónde creo que él se estaba equivocando. Pero me parece que quedó en moderación… :-/

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    4. Jijiji. De hecho, no lo había cambiado :-P

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    5. Cito a DarkSapiens
      "fue la responsable de que grupos de cuatro protones se fusionasen para dar lugar a núcleos de helio-4", y luego tú dices que no, pero que lo que permite la interacción débil es el paso de protón a neutrón

      Me reitero: los núcleos se mantienen unidos por interacción fuerte. Sólo la transformación protón-neutrón o viceversa depende de la interacción débil. Te admito que la frase puede dar a confusión, pero no he dicho nada incorrecto.

      Y más:

      "Según esto, sin interacción sólo tendríamos quarks arriba y abajo en vez de las tres generaciones. Pero ya sabes que estos son los quarks que forman los protones y neutrones, y que el número cuántico que los distingue en ellos es el color, no el sabor. Así que corrígeme si me equivoco, pero creo que te has colado XD"

      Más bien te has colado tú... y de narices... xD
      De hecho en la naturaleza sólo existen quarks arriba y abajo, las generaciones se distinguen sólo por su masa. Un quark top es idéntico a un quark up en todo menos en la masa.

      Y no, el número cuántico que distingue los quarks (arriba y abajo) es el sabor, el color es un número interno que determina cómo interaccionan unos con otros (es decir, puedes tener un quark up rojo y un quark up azul), pero el hecho de que sean up o down se debe a la interacción débil (son dobletes bajo el grupo SU(2) de la interacción débil, si quieres que me ponga técnico...).

      Y como decía, si quieres formar un protón, necesitas tener tres partículas en el mismo estado. Si no puedes distinguir entre quarks arriba y abajo porque no hay interacción débil y el color aquí no cuenta porque los estados agregados siempre tienen todos los colores combinados, sólo te queda el spin. Y con sólo spin, sólo puedes juntar dos partículas

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    6. Sobre lo primero, lo que has dicho incorrecto era que el post estaba mal. Y lo has dicho por algo que no tenía que ver con lo que decía la frase, que viene a ser: "sin interacción débil, juntando cuatro protones no puedes formar helio, necesitas desde el principio dos protones y dos neutrones".

      Y sobre lo otro… vamos a ver. La carga de color se descubrió precisamente porque existen partículas con los tres quarks en el mismo estado: Δ++(uuu), Δ−(ddd)… Y es el color lo que permite que coexistan en el núcleo. De hecho las deltas decaen a nucleones y piones vía interacción fuerte.

      Yo nunca he dicho que lo que distingue a los sabores de quarks es el color. Dije que lo que distinguía los estados cuánticos de quarks en un nucleón es el color. Has leído muy mal lo que puse…

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    7. "Según esto, sin interacción sólo tendríamos quarks arriba y abajo en vez de las tres generaciones. Pero ya sabes que estos son los quarks que forman los protones y neutrones, y que el número cuántico que los distingue en ellos es el color, no el sabor."

      En esa frase dices explicitamente que lo que distingue a los quarks es el color...

      Por terminar el flame. Los protones son blancos, lo que obliga a que el estado de color esté determinado de forma única y, por tanto, no vale para hacer la combinatoria al poner quarks dentro del núcleo. Y la historia de la carga de color no es exactamente así, hay que remontarse a Gel-Mann... pero eso ya es otra historia (de todas formas, no existen partículas con color en la naturaleza, siempre son blancas).

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  7. Lo preguntaba hace poco en otro blog tambien muy interesante. Como aficionado a la astrofisica y programador me encantaria poder tener acceso de alguna manera a estas simulaciones de las que siempre se habla pero por mas que rastreo papers no las encuentro por ningun lado. Es muy inocente por mi parte o deberia de ser logico tener acceso a esta parte de la investigacion?
    Muy buen post, interesante, yo lei en su momento la novela de Asimov ;)

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  8. Los propios dioses y El fin de la eternidad, lo mejor de Asimov

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  9. Asimov ha sido siempre mi preferido. Relacionado con esto en el blog comenté que pasaría con nuestro universo si las masas de las partículas fueran diferentes :

    http://lahoracero.org/what-if-masas-de-las-particulas/

    Saludos

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