Probablemente muchos de nosotros estemos familiarizados con el trabajo de las ciencias exactas y naturales: física, astronomía, química, biología, geología. Cada una de ellas tiene su campo de aplicación y desarrolla técnicas y herramientas específicas para poder resolver las preguntas que se plantea y obtener nuevos conocimientos en su área específica. Muchas veces se da el caso de que el área de estudio de cada una de estas ciencias abarca tamaños del sistema que se quiere estudiar muy diferentes.
Los invitamos a recorrer la siguiente animación, que representa el tamaño del universo y de muchas de las cosas que podemos encontrar en él. En este artículo, hablaremos acerca de algunos de los objetos representados en la animación, y sin ser exhaustivo, daremos un panorama general acerca de qué ciencia se encarga de estudiar cada escala del universo.
Animación:
https://www.youtube.com/watch?v=uaGEjrADGPA
Se incluye la siguiente tabla para referirse al momento de comprender mejor las medidas de distancia mencionadas a lo largo del artículo.
Hacia el mundo microscópico
¿Alguna vez se preguntaron cuál es el objeto más pequeño que puede verse a simple vista? No hay un punto exacto, pero se considera que el ojo humano puede distinguir sin ayuda objetos de hasta 100 micrómetros, lo que es la décima parte de un milímetro. Para distinguir objetos más pequeños, debemos recurrir a herramientas que nos ayuden, en este caso, un microscopio óptico: utiliza la luz y una serie de lentes para generar un aumento del objeto que se quiere observar.
Usando esta herramienta podemos adentrarnos en el territorio de la biología celular. Esta área de la biología se encarga del estudio de las células, las unidades base que forman un organismo. Todos los seres vivos están formados de una gran variedad de diferentes células, cada una con sus características y funciones específicas; algunos, están formados por sólo una. Es muy difícil determinar cuántas células hay el cuerpo humano, cálculos aproximados determinan que seguramente hay alrededor de 30 mil millones. Con la ayuda de un microscopio, los biólogos pueden observar y estudiar las células, algunos de sus componentes, y algunos organismos muy pequeños, como las bacterias.
La máxima resolución que tiene un microscopio óptico (es decir, el tamaño más pequeño que puede distinguir) es unos 200 nanómetros (esto es alrededor de 2 décimas de micrómetro). Dado que éstos funcionan usando ondas de luz del espectro visible, que es radiación electromagnética con longitudes de onda entre 400 y 750 nanómetros, los objetos más pequeños que las longitudes de onda más cortas de esta porción del espectro serán invisibles para un microscopio óptico. Por suerte, los científicos disponen de otra importante herramienta para discernir objetos más pequeños: los microscopios electrónicos. Estos microscopios usan un haz de electrones acelerados por un campo eléctrico, en vez de un haz de luz visible, para observar objetos muy pequeños. La longitud de onda asociada a los electrones será menor mientras más rápido estén acelerados (según la expresión de la longitud de onda de De Broglie: λ = h/p, donde λ es la longitud de onda, h es la constante de Planck, y p es el momento del electrón, que equivale al producto de su masa por su velocidad). Las longitudes de onda obtenidas en los microscopios electrónicos al acelerar los electrones son mucho menores que las del espectro visible, así que pueden distinguirse objetos mucho más pequeños. La biología puede entonces investigar estructuras celulares mucho más pequeñas, como la pared celular, y orgánulos (componentes de la célula) como el aparato de Golgi, retículos, vacuolas, y el núcleo en gran detalle, y también hasta distinguir ligeramente algunas moléculas grandes, como el ADN, que contiene toda la información genética de un organismo.
Imagen del ADN con microscopio electrónico, Enzo di Fabrizio, 2012.
El menor tamaño que se puede distinguir con un microscopio electrónico es aproximadamente unos 50 picometros (recordemos que un picometro es la milésima parte de un nanómetro). Casi todo el estudio de los objetos y fenómenos que suceden a escalas menores no podrán ser observados directamente, pero si pueden ser inferidos mediante una enorme variedad de otras técnicas experimentales.
Si consideramos tamaños menores, vamos entrando en el campo de la química: el estudio de moléculas, su formación mediante enlaces entre átomos, cómo se forman las sustancias que componen la materia, sus interacciones y sus reacciones. La Tabla Periódica de los elementos químicos es una herramienta muy usada, y contiene de forma gráfica y resumida una increíble cantidad de información acerca de los elementos químicos que forman la materia. Como en todas las ciencias, dentro de la química existen muchas subdisciplinas. Por ejemplo, la química orgánica, junto con la química biológica, estudian específicamente las reacciones y sustancias que incluyan compuestos orgánicos (aquellos que poseen enlaces entre el carbono y el hidrógeno), y todas las sustancias que componen las células y son necesarias para su funcionamiento correcto y de los organismos, mientras que la química inorgánica estudia los compuestos formados por el resto de los elementos químicos.
En escalas aún menores, es común comenzar a utilizar la unidad de medida angstrom: esta equivale a 100 pico metros, y se utiliza normalmente para describir los tamaños de los átomos. ¿Qué ciencia se encarga del estudio en este rango de escalas? Aquí comenzamos a entrar en el territorio de la física: por ejemplo, podemos estudiar núcleos atómicos, conformados por protones y neutrones, cómo estos núcleos pueden emitir radiación, cómo puede obtenerse energía (física nuclear); también podemos estudiar a los electrones que rodean este núcleo, que son mucho más pequeños; y mientras más pequeños se hacen los objetos, comienza a ser necesario el uso de una rama particular de la física, la mecánica cuántica. Las herramientas matemáticas que se desarrollaron para ésta área de la física nos permiten describir el comportamiento de las partículas subatómicas, que difiere totalmente de las cosas que podemos ver en la vida cotidiana.
Disminuimos un poco más el tamaño: debemos comenzar a pensar en femto metros: obtenemos un femto metro si dividimos un metro en ¡1.000.000.000.000.000 partes! (que es la milésima parte un picometro) ¿Qué podría ser tan pequeño? Ya aprendimos que las moléculas están formadas de átomos enlazados, y que los átomos están formados de un núcleo de protones y neutrones, rodeados de electrones. La física de partículas trabaja con unidades aún más pequeñas, trata de buscar las partículas más elementales que a su vez componen a las partículas que forman los átomos. Así, por ejemplo, encontramos a los quarks, que componen a los protones y neutrones en el núcleo de los átomos. Es también llamada física de altas energías debido a que, para poder analizar estas partículas, es necesario emplear equipamientos y técnicas que aplican altísimas cantidades de energía sobre el sistema en estudio. Por ejemplo, para separar un protón en sus componentes, se utiliza el famoso Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider), un tubo circular y subterráneo de unos 27 kilómetros de extensión, ubicado en la frontera entre Francia y Suiza. En este tubo los hadrones, partículas formadas de quarks, se aceleran a velocidades altísimas y se hacen chocar, para romperlas y poder detectar los quarks constituyentes. Esta rama de la física desarrolló el llamado Modelo Estándar de las partículas, que se ocupa de encontrar y catalogar las partículas más elementales que componen la materia y que permiten las interacciones entre todo lo que conocemos. También, describe las fuerzas bajo las cuales se rige el comportamiento de estas partículas.
“Tabla periódica” del Modelo Estándar de partículas
Fragmento del tubo del Gran Colisionador de Hadrones. Por el interior de este tubo se aceleran partículas a muy alta energía, para luego hacerlas chocar contra otras partículas o átomos, y estudiar sus resultados.
Por último, mencionaremos a los neutrinos, partículas sin carga eléctrica y de masa tan pero tan pequeña que por mucho tiempo se creyó que sería cero. La masa de esta partícula es mucho menor a la de cualquier otra partícula elemental, no tienen interacción con ninguna otra masa, y son tan pequeños que resulta imposible definir el tamaño de un neutrino. ¿Sabían que permanentemente somos atravesados por miles de neutrinos sin saberlo y sin que nos produzcan ningún daño? Existen detectores especiales para estudiarlos y tratar de comprender su formación y su papel en el Modelo Estándar de las partículas.
En escalas menores a esta última, ya entramos en un mundo de especulaciones teóricas que escapan a la extensión de este artículo y hasta la comprensión de nuestra mente. Vamos ahora hacia el otro extremo…
Hacia el mundo macroscópico
Recién analizamos algunos de los objetos y las distancias más pequeñas que podemos llegar a estudiar. Ahora, iremos hacia el otro extremo: las cosas más grandes y más lejanas que podemos encontrar.
Para hacer esto comencemos yendo afuera de nuestro planeta Tierra: vamos entrando en el área de estudio de la astronomía, ciencia que estudia los astros y sus movimientos. Es una de las ciencias más antiguas, casi todas las civilizaciones se han dedicado a observar el cielo y a interpretar y explicar los fenómenos que ocurrían.
Si de distancias astronómicas se trata, suelen definirse nuevas unidades que facilitan el estudio, para no trabajar con números demasiado grandes. Por ejemplo, una unidad de distancia muy usada por los astrónomos es el año luz, y aunque parezca que estamos hablando de tiempo, en realidad se refiere a una distancia: es la distancia que recorre la luz en un año, aproximadamente 9.460.730.472.580 km. Los invitamos a realizar la cuenta de con cuántos kilómetros deberíamos trabajar si hablamos de miles o millones de años luz. También se usa la unidad astronómica, que es la distancia media que separa a la tierra del sol (149.597.870.691 km o aproximadamente 150 millones de km), y también se usa el parsec, que según su definición (la distancia a la cual una unidad astronómica subtiende un segundo de arco en el cielo), equivale a 3,26156 años luz.
Hay tantas sub áreas de estudio de la astronomía como objetos encontremos en el universo. Asteroides, planetas de nuestro sistema solar, planetas orbitando otras estrellas (llamados exoplanetas), estrellas, nebulosas, galaxias, cúmulos de galaxias, agujeros negros, cuásares, estrellas de neutrones… La astronomía usa muchas herramientas de la física, por ejemplo, el movimiento de los astros se describe con las leyes de la gravedad (más adelante mencionaremos la teoría de la relatividad), o la evolución estelar que necesita de la física nuclear para explicar los procesos que suceden en el interior de una estrella, donde se forman muchos de los elementos químicos que forman la materia. Muchas veces se utiliza el término astrofísica para esta área particular.
Estos objetos tan lejanos se estudian mediante la detección de las ondas electromagnéticas proveniente de ellos. Originalmente, se usaba el ojo humano para hacer observaciones a simple vista, de este modo sólo podíamos detectar el espectro de la luz en la región visible, y con la fuerte limitación de la capacidad del ojo humano. Hoy en día, se utilizan los telescopios.
Los telescopios serán diferentes dependiendo de qué rango de longitudes de onda se quiera detectar. Así, tendremos los telescopios ópticos, que son los más antiguos, más icónicos y conocidos. Poseen lentes, espejos, o una combinación de ambos, y captan la luz en el espectro visible; con filtros apropiados pueden estudiarse rayos ultravioletas (de longitud de onda más cortas) o infrarrojos (de longitud de onda más largas). Los radiotelescopios detectan ondas de radio (de longitudes de onda mucho más largas que las anteriores), y se avanzó tanto en su desarrollo que se le dio un nombre específico a esta área: la radioastronomía.
Radiotelescopio FAST en China.
El avance de la tecnología permite que los científicos cada vez dispongan de herramientas más potentes para el estudio: telescopios más grandes como el VLT (Very Large Telescope o “telescopio muy grande”) que consiste en cuatro espejos de 8 m de diámetro cada uno; sondas enviadas al espacio que toman fotografías o recolectan muestras; y el telescopio espacial Hubble, orbitando la Tierra. Al encontrarse fuera de la atmósfera, pueden tomar datos sin las distorsiones producidas cuando la luz atraviesa las diferentes capas de aire.
¿Sabemos dónde está la Tierra en el universo? Consideremos un par de números: la Tierra se encuentra en nuestro Sistema Solar, que incluye todos los objetos que se ven afectados por la interacción gravitatoria del sol. La distancia del sol al planeta más lejano, Neptuno, es de unas 30 UA (unidades astronómicas), existen numerosos objetos llamados transneptunianos, que se encuentran a distancias más grandes. La estrella más cercana a nuestro sistema solar es Próxima Centauri, a unos 4,22 años luz de distancia. Nuestro sistema solar se encuentra en el brazo de Orión de nuestra galaxia, llamada Vía Lactea: la Vía Láctea posee unos 100.000 años luz de diámetro, y se estima que nuestro sistema solar se encuentra a unos 25.000 años luz del centro. Nuestra galaxia se encuentra en el Grupo Local: un conjunto de galaxias cercanas, que interaccionan gravitacionalmente. La más grande de todas ellas es Andrómeda, la Vía Láctea es la segunda más grande. El Grupo Local posee unos 10 millones de años luz de diámetro, se desconoce el número total de galaxias que incluye. Todo el Grupo Local se encuentra además en el Supercúmulo de Virgo, que se estima que posee unos 100 grupos o cúmulos de galaxias, con aproximadamente 110 millones de años luz de diámetro. Los supercúmulos son de las estructuras más grandes del universo.
Representación aproximada de la posición de nuestro Sistema Solar en la Vía Láctea
En rojo: Grupo Local. Ubicación aproximada del grupo local en el Supercúmulo de Virgo.
No se sabe cuántos supercúmulos existen en el universo. El área de la astronomía que se encarga de estudiar la distribución de galaxias a escalas incluso más grandes que agrupaciones en supercúmulos se llama Estructura en Gran Escala del Universo. Y si consideramos el estudio del espacio y el tiempo, y cómo éstos se ven afectados con la masa de los objetos, entramos en el territorio de la famosa Teoría de la Relatividad, una de las más famosas de la física, que engloba todas las interacciones entre los objetos que se han mencionado.
Para concluir esta sección, hablaremos del tamaño del universo. Se estima que el universo tiene unos 14 mil millones de años de antigüedad. Podemos calcular esto al detectar la luz proveniente de las galaxias más lejanas, que viajó durante 14 mil millones de años hasta llegar a la Tierra, donde es detectada por los astrónomos. Es bastante común entonces creer que, centrado en la Tierra, el universo tiene 14 mil millones de años luz de radio. Sin embargo, durante todo ese tiempo, el espacio estuvo (y sigue estando) en permanente expansión, por lo cual las galaxias más lejanas ahora se encuentran a unos 46 mil millones de años luz de distancia, quedando así determinado el diámetro del universo observable en unos 92 mil millones de años luz. Se lo llama universo observable porque la luz de cualquier objeto que esté más lejos aún no tuvo tiempo de viajar y llegar hasta la Tierra, por lo cual es muy difícil estimar el tamaño real del universo. El área de la física y la astronomía que se encarga de estudiar fenómenos a estas escalas descomunales es la cosmología.
Ahora volvamos a las escalas a las que estamos acostumbrados, las distancias con las que trabajamos en nuestra vida diaria.
¿Y en el medio?
La palabra adecuada para describir los tamaños y distancias que no son ni macroscópicas ni microscópicas, sería mesoscópico, sin embargo, como no es tan usada, pensemos simplemente que son las escalas a las que estamos más acostumbrados, ya que las percibimos y usamos en la vida diaria, muchas veces sin necesidad de instrumentos. Casi todas las ciencias han tenido su aporte para explicar los fenómenos que percibimos en la vida diaria.
Por ejemplo, la biología se ocupa de estudiar los organismos que viven en diferentes ecosistemas de nuestro planeta, sus interacciones con miembros de la misma especie, de otras especies, y con el resto del entorno. También estudia cómo los cambios en el ecosistema afectan a las especies y a la biodiversidad, área que está tomando vital importancia en estos últimos años. Por otra parte, la paleontología se relaciona con la biología pero de épocas remotas, ya que estudia los restos fósiles de organismos que vivieron hace millones de años.
La geología, que no hemos mencionado hasta ahora, estudia la historia del planeta Tierra (se estima se formó hace unos 4.500 millones de años), su composición, y los procesos que en él ocurren. Así, por ejemplo, sabemos que la Tierra tiene un radio de unos 6.370 km, y que está compuesta por diferentes capas: un núcleo metálico, un manto de magma, y una corteza de rocas, minerales y otros elementos. La geología estudia también los fenómenos que ocurren en la superficie terrestre como volcanes, tsunamis, y terremotos, que son todos explicados por los movimientos de las placas tectónicas que forman la corteza terrestre.
Casi cualquier fenómeno físico del día a día puede describirse con la física clásica. Con el desarrollo de la Teoría de la Relatividad y la Física Cuántica, hoy en día podríamos definir a la física clásica como “lo que no es relatividad ni cuántica”. Sin embargo, desde una perspectiva histórica, al ocuparse de explicar fenómenos cotidianos, fue una de las primeras ramas en comenzar a desarrollarse, y podríamos decir que abarca el electromagnetismo (estudia las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia), la termodinámica (que estudia la transferencia de energía en forma de calor), y tal vez la más evidente en términos de experiencias diarias: la mecánica clásica, que describe movimiento, fuerza, y aceleración de los objetos.
La física clásica describe el movimiento, la trayectoria y las fuerzas que actúan sobre los objetos cotidianos
El universo es tan vasto, tanto si miramos los sistemas de mayor tamaño, como los de menor tamaño, que para estudiarlo es necesario desarrollar herramientas matemáticas, técnicas y tecnologías muy específicas para cada área de estudio. Sin embargo, no siempre se mantiene la división entre las ramas de la ciencia planteadas en este artículo: constantemente entra en juego la interdisciplina y la necesidad de contar con científicos especializados en diferentes áreas para resolver un problema complejo. Así también surgen nuevas ramas que son combinaciones de las principales: astrobiología, química física, biofísica… las probabilidades parecen infinitas, y mientras más se avance en el desarrollo de la ciencia, más sistemas podremos ir estudiando en profundidad.
Desde su origen, el ser humano ha ido aprendiendo mucho sobre nuestro mundo y el universo en su totalidad, y cada vez a un ritmo mucho más rápido desde los inicios de lo que llamamos ciencia (el estudio racional, metodológico y objetivo de la materia y sus fenómenos) de los últimos 400 o 500 años aproximadamente. Es mucho lo que hoy sabemos, pero seguramente es mucho más lo que aún queda por descubrir. Solo se necesitan mentes curiosas e inquietas, que se esfuercen en aprender y que se asombren ante cada nuevo hallazgo. Eso es lo que la evolución nos otorgó en particular y lo que somos los seres humanos, una especie que siempre quiere saber más.
Fuentes:
Animación: https://www.htwins.net/scale2/, Cary Huang, Michael Huang, Matthew Martori
https://www.space.com/18090-alpha-centauri-nearest-star-system.html
https://www.universetoday.com/21998/the-diameter-of-the-milky-way/
https://earthsky.org/astronomy-essentials/galaxy-universe-location
http://www.bbc.com/earth/story/20160610-it-took-centuries-but-we-now-know-the-size-of-the-universe
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26880/
https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider
Gentile et al. Direct Imaging of DNA Fibers: The Visage of Double Helix. Nano Lett. 2012, 12, 12, 6453–6458, Publication Date: November 22, 2012. https://doi.org/10.1021/nl3039162
