martes, 26 de enero de 2016

Lo Pequeño, lo Grande, lo Simple, lo Complejo (I)


Hace unos meses nos dedicamos a explorar el Pasado remoto del Universo utilizando potencias de diez en una escala temporal logarítmica… He pensado que podía dedicar una entrada múltiple a hacer algo parecido, pero con el Espacio en lugar del Tiempo, y para ello he tomado como punto de partida scaleofuniverse.com, una web fantástica que, entre otras cosas, incluye un gráfico interactivo en el que se comparan los tamaños de los objetos más grandes y más pequeños del Universo, con animaciones y comentarios explicativos que aparecen al clicar en los distintos elementos. En esta primera entrega nos centraremos en enumerar cuáles son los submúltiplos del metro, la unidad básica de medida espacial, y qué estructuras son de ese tamaño en cada caso, sumergiéndonos poco a poco en las profundidades de las partículas más chiquititas, los ladrillos elementales de los que está hecha la materia.

Empezamos pues con una referencia conocida y familiar: un metro. Los humanos tenemos una altura promedio de 1.7m, y de similar tamaño son otros muchos animales, los muebles de nuestras casas, nuestros coches y bicicletas… Intentaremos comparar distintos órdenes de magnitud estableciendo nexos entre unos y otros para que así sea más fácil hacerse una idea del amplísimo rango de tamaños en el que nos estamos moviendo y de lo mucho que hemos conseguido aprender sobre el Cosmos a muy distintas escalas. Para que sea más fácil seguir el hilo, utilizaré un párrafo por cada orden de magnitud, de modo que la numeración de los párrafos indicará la cantidad de veces que hemos dividido el tamaño por diez, partiendo de un metro.




1. Dividiendo por primera vez tenemos un decímetro, aunque es más frecuente el uso de centímetros. Así, una regla puede tener 30cm y una pelota de baloncesto 24cm de diámetro, y animales pequeños como un topo o un colibrí pueden medir unos 10cm.

2. Del orden de un centímetro tenemos por ejemplo una moneda de euro, de unos 2.3cm de diámetro, una abeja de 2cm o una canica de 1.5cm. Aunque no sea una referencia conocida y habitual (o precisamente por no serlo) viene bien saber además que la longitud de onda aproximada de las microondas es de 1cm.

3. Acercándonos a un tamaño de un milímetro tenemos un grano de arroz de 5mm o una hormiga de 3mm. Un grano de arena o un cristal de sal tienen ambos un tamaño de unos 0.5mm. Un ácaro del polvo (aunque no te des cuenta, ahora mismo tienes muchos paseando sobre ti) puede medir 0.3mm, el mismo tamaño que el de una ameba o el del píxel promedio en una pantalla, incluyendo sus tres componentes rojo, verde y azul.

4. A partir de aquí ya no tenemos nombres propios para todos los submúltiplos, sino que vamos a saltos de tres órdenes de magnitud cada vez. Una buena referencia de lo que es una décima de milímetro nos la da el grosor de una hoja de papel, de 0.15mm, o el diámetro de un pelo humano de los finitos (no de la cabeza), de 0.1mm. Este mismo tamaño de 0.1mm (o, expresado ya en micrómetros, 100µm) es el menor tamaño detectable a simple vista por el ojo humano.




5. En el siguiente escalón tenemos a las células, por ejemplo una célula cutánea de 35µm de tamaño (el 95% del polvo está compuesto de estas células muertas, desprendidas de la piel). Una gota de niebla tiene 20µm de diámetro, y el hilo de seda de una araña unos 15µm (lo vemos a veces por la humedad que hay sobre él o por la luz que refleja bajo determinados ángulos). Estos mismos 15µm coinciden con la longitud de onda de la radiación infrarroja. Un glóbulo blanco mide 10µm y un glóbulo rojo 7µm. Entrando en la escala de los orgánulos celulares, un cloroplasto o el núcleo celular miden también 7µm, mientras que una mitocondria o un cromosoma X tienen unos 4µm de tamaño.

6. Llegamos por fin al micrómetro, o lo que es lo mismo, una milésima de milímetro o una millonésima de metro. Un cromosoma Y mide 1.5µm, y una bacteria E. coli unos 2µm (precisamente por tener estos tamaños a las bacterias se les llama también microbios, es decir, seres vivos del tamaño de una micra). Del mismo orden, unos 2µm, es cada partícula de arcilla: esto hace que al acumularse grandes cantidades estén muy apretadas entre sí, y por eso el agua no puede fluir por los huecos, cosa que sí ocurría en el caso de los granos de arena, mucho más grandes… Hala, ya sabéis por qué la arcilla es impermeable. La longitud de onda de la luz roja es 0.7µm, y la de la azul es 0.4µm, estando el resto de colores del espectro entre ambos valores. El hecho de que sea luz visible, por supuesto, no significa que seamos capaces de distinguir estas oscilaciones de los campos electromagnéticos con nuestros ojos; sólo podemos apreciar sus efectos. Más o menos de 0.4µm es el tamaño de los virus más grandes conocidos.

7. Si los dos órdenes de magnitud anteriores correspondían a las células y a las bacterias, éste se puede asociar a los virus. Por ejemplo, un virus bacteriófago (sí: las bacterias también pueden pillar un resfriado) mide 0.2µm, o 200 nanómetros… Éste es precisamente el tamaño del detalle más pequeño que somos capaces de apreciar con el máximo aumento de un microscopio óptico de gran calidad (como veis, coincide con la mitad de la longitud de onda de la luz azul, aunque esto no lo vamos a explicar ahora). Por tanto, visto al microscopio el virus bacteriófago sería un puntito minúsculo y seguramente no sabríamos que es un bacteriófago. El virus del SIDA tiene 90nm, y la longitud de onda del ultravioleta unos 60nm. Los transistores que se fabrican hoy en día para los ordenadores pueden ser de incluso 25 nanómetros, cuatrocientas veces más pequeños que los que había en 1970… y siguen disminuyendo de tamaño a medida que pasan los años y se mejoran las técnicas. ¡Parece increíble que seamos capaces de construir artificialmente estructuras tan pequeñas!




8. Entramos en la escala molecular: por ejemplo, el espesor de la doble capa de fosfolípidos que forma las membranas celulares es de 5nm. También tenemos el Ácido Desoxirribonucleico, macromolécula que codifica nuestra información genética: el diámetro de la doble hélice de ADN es de unos 3nm, aunque su longitud es infinitamente mayor (una sola célula contiene 3 metros de ADN, si consiguiéramos desenrollarlo y ponerlo todo en fila).

9. Seguimos en el reino de las moléculas, aunque éstas ya algo más pequeñas. Un nanómetro, o milmillonésima de metro, es precisamente el diámetro de los nanotubos y fullerenos, estructuras moleculares muy resistentes hechas exclusivamente de átomos de Carbono y con muchas potenciales aplicaciones en el futuro próximo; de aquí derivan los términos nanotecnología, nanobots… Podríamos seguir con los 0.8nm de la molécula de glucosa, los 0.5nm de la longitud de onda de Rayos X (cuanto menor es esta longitud mayor es la energía de la radiación) o los 0.3nm de la molécula de agua.

10. A este submúltiplo del metro se le llama también angstrom, y es el tamaño típico de los átomos. Por ejemplo, el átomo de Carbono tiene 0.16nm de diámetro. Unos 0.05nm (o 50 picómetros, si seguimos con los submúltiplos en bloques de tres) es el detalle más pequeño observable con un microscopio electrónico, que utiliza en lugar de luz visible haces de electrones con una longitud de onda asociada más pequeña, transformando después el resultado en algo que sí podamos ver… Dicho esto, merece la pena pararse un momento a pensar que con el instrumental adecuado somos capaces de sacar una foto, aunque sea algo borrosa, de todas las estructuras que hemos nombrado hasta ahora, incluyendo átomos individuales… ¡Es fantástico lo que podemos hacer gracias a la Ciencia y la Tecnología!




11. A destacar en este nivel tenemos el átomo de Hidrógeno, de 30pm, aunque a partir de aquí empieza a haber menos diversidad en cuanto a nuevas estructuras.

12. Del tamaño de un picómetro tenemos la longitud de onda de los Rayos Gamma.

13. Nada importante que reseñar aquí: esto hace evidente la gran brecha que hay entre el tamaño de un átomo y el de su núcleo atómico, o lo que es lo mismo, entre el dominio de la Química y el de la Física Nuclear.

14. Entramos en el reino de lo subatómico y empezamos a utilizar el femtómetro, la milésima de picómetro. El núcleo de Uranio, el más grande que podemos encontrar en estado natural, mide 15fm, mientras que el núcleo de Cloro tiene 6fm de tamaño.

15. El núcleo de Helio tiene 3fm, y el protón y el neutrón miden ambos en torno a 1fm. Teniendo en cuenta que el núcleo de Hidrógeno no es más que un protón, podemos comprobar (mirando arriba) que es treinta mil veces más pequeño que el correspondiente átomo: para que os hagáis una idea, si el átomo tuviera el tamaño de un estadio de fútbol importante, gradas incluidas, el núcleo sería como una pelota de golf situada en el centro de campo… Resulta algo inquietante tocar con la yema del dedo los objetos a nuestro alrededor y comprobar su aparente solidez, para pensar a continuación que casi la totalidad de cada átomo (y por tanto de nosotros y de todo lo que nos rodea) consiste básicamente en espacio libre, en vacío, en nada.

16. Por debajo de 0.1fm entramos en un terreno movedizo en el que las evidencias científicas disponibles no son concluyentes. Los tamaños a partir de aquí ya no están confirmados, y los valores numéricos son sólo estimaciones.

17. Una distancia de 0.01fm (utilizando el siguiente submúltiplo, el attómetro, serían 10am) nos proporciona el alcance aproximado de la interacción nuclear débil, que posibilita algunos procesos de desintegración radiactiva, haciendo que los protones se transformen en neutrones y viceversa. Vemos por tanto que ni los átomos, ni los núcleos y ni siquiera los protones son inmutables… ¡Pero bueno! ¿Es que ya no queda nada sagrado?




18. Precisamente un attómetro es el tamaño de los quarks Up y Down, que combinados en grupos de tres conforman los protones y neutrones (por esa razón éstos no son inmutables: porque están hechos de piezas más pequeñas). El quark Strange es algo más chiquitito, de 0.4am.

19. El quark Charm mide unos 0.1am, o lo que es lo mismo, unos 100 zeptómetros.

20. El quark Bottom tiene un tamaño de 30zm y los neutrinos de altas energías ocupan unos 15zm.

21. Nada interesante que reseñar a un tamaño de un zeptómetro.

22. El sexto y último de los tipos de quark, el Top, mide unos 0.1zm.

23. Tampoco nada aquí.

24. Llegamos al yoctómetro, el siguiente submúltiplo. Precisamente el tamaño promedio de un neutrino es de 1ym… Siendo tan endemoniadamente pequeños, es normal que resulten tan difíciles de detectar.




35. No, no me he equivocado con el número Si un yoctómetro os parecía minúsculo, tenemos que dividir por diez su tamaño once veces seguidas más para poder llegar al final de nuestro viaje. A la escala de diez a la menos treinta y cinco metros pertenece la llamada Longitud de Planck, por debajo de la cual el Espacio aparentemente deja de tener una geometría clásica y de regirse por las leyes de la Mecánica de Newton o de la Relatividad General de Einstein. Los físicos teóricos aún se están estrujando las neuronas para tratar de averiguar qué pasa a estos órdenes de magnitud; algunas de las hipótesis propuestas a este nivel incluyen la espuma cuántica (o espuma del Espacio-Tiempo), que supuestamente constituiría el tejido mismo del Universo, o los filamentos oscilantes de la famosa Teoría de Cuerdas.

Y con esta rayada total concluimos por hoy. Una vez leído esto, os aconsejo que vayáis a scaleofuniverse.com y hagáis un viaje alucinante de menos de un minuto, desplazando el cursor desde el punto de salida (la escala humana) hacia tamaños más y más pequeños, sin parar hasta llegar a los últimos quarks o incluso a las cuerdas y la espuma cuántica… Seguramente os entrará un poquito de ese vértigo del que hablo a menudo y que tanto me gusta. La semana que viene volveremos a tomar un tamaño de un metro como punto de partida y esta vez multiplicaremos en cada paso dicho tamaño por diez, a ver hasta dónde llegamos.



2 comentarios:

naturalesprofe dijo...

Muy didáctico kalonauta! Me ha encantado. La mejor forma de explicar esto es poco a poco y con ejemplos. Me alegro de que hayas compartido algún link a mi blog. Yo también te haré publicidad respecto a las dos entradas vía página de facebook "cosas de ciencias" (https://es-es.facebook.com/cosasdeciencias).
Un saludo!

Kalonauta dijo...


Pues yo me alegro de que te guste, Rojo... Y gracias por publicitarme en tu facebook; acabo de añadirlo a mis favoritos para echarle un vistazo de vez en cuando, aunque no te podré comentar nada desde allí porque, como ya sabes, no estoy en las redes... De todos modos seguiré comentando en tu blog.

¡Un saludo!