Antimateria.

La energía más poderosa del universo.

A mí El Código da Vinci –como obra de ficción que es, que hay algunos que se lo toman todo por la tremenda– no me disgustó demasiado; un relato de intriga apañadito, para pasar un buen rato en el tren. En cambio, ha caído recientemente en mis manos Ángeles y demonios y... jodó, qué malo es. No, no, no me quejo de su documentación científica: le es aplicable el mismo criterio que al otro. Me quejo de su literatura y de lo birrioso de la historia.

En fin. El caso es que a tantas vueltas con la antimateria, me han entrado ganas a mí también de hablar de la antimateria. :-D ¿Y qué será esto de la antimateria? Pues, como su nombre nos hace sospechar, la antimateria es un tipo de materia que tiene una propiedad invertida con respecto al resto de la materia bariónica. ¿Y qué es la materia bariónica? Pues la de todos los días: la que nos compone a ti y a mí, y constituye casi todo lo que ven nuestros ojos y tocan nuestras manos.

Ya hablamos un poquito –y hablaremos más– en este blog de la naturaleza de la materia y de la energía, de cómo surgieron los elementos que conocemos (aquí también) y de cómo creamos elementos nuevos. Esta materia bariónica que nos es tan conocida, a su escala más básica, está compuesta de quarks y normalmente acompañada por leptones.

Los leptones (como por ejemplo, el electrón o el neutrino) son partículas subatómicas que están sujetas al electromagnetismo, a la gravedad y a la interacción débil, pero no a la interacción fuerte (que es la fuerza más fuerte del universo, valgan las redundancias). Esto significa que tienen masa y spin y algunos presentan carga eléctrica, pero ninguno posee carga cromática. El más importante para constituir la materia que conocemos es el electrón, que tiene una masa muy pequeñita pero real, una carga eléctrica negativa y spin 1/2.

Los quarks están sujetos a las cuatro fuerzas, incluyendo la fuerte, y por tanto pueden presentar masa, spin, carga eléctrica y carga cromática. Este universo los sirve en seis sabores, que llamamos arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo. Para la formación de la materia bariónica los más relevantes son los dos primeros, pues componen los protones y neutrones. Ambos están formados por tres quarks. El protón, por dos arribas y un abajo. El neutrón, por dos abajos y un arriba.

Materia invertida.

La antimateria es, sencillamente, materia donde alguna de las cargas está invertida con respecto a la materia corriente. Veámoslo con un electrón, que se comprende muy bien. El electrón, como leptón que es, tiene masa y spin pero sólo una carga: la eléctrica, siempre negativa. Su antipartícula, llamada positrón, posee exactamente la misma masa, spin y carga eléctrica; sin embargo, en este caso la carga eléctrica es positiva.

De esta forma el positrón mantiene todas las propiedades de su antipartícula el electrón pero electromagnéticamente reacciona al revés. Por ejemplo: dos electrones, por tener carga negativa, tienden a repelerse entre sí. Pero un electrón y un positrón, aunque en todo lo demás sean idénticos, tienden a atraerse entre sí porque uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva. Y así con todo.

Con los quarks ocurre lo mismo. El quark arriba, por ejemplo, tiene una carga eléctrica de +2/3 (dos terceras partes de la de un positrón). Antiarriba, en cambio, tiene una carga eléctrica de -2/3 (dos terceras partes de la de un electrón). Su carga cromática también cambia: si por ejemplo está en estado rojo, el antiquark estará en anti-rojo, que se suele llamar magenta. (Que esto de los colores no te confunda: es una forma simbólica de representar su estado de cara a la cromodinámica cuántica; no tiene nada que ver con colores de verdad).

Veamos lo que ocurre entonces con un protón y un antiprotón; por ejemplo, respecto al electromagnetismo, que es más sencillo. Hemos quedado en que los protones (como todos los bariones) están compuestos de tres quarks, y que en su caso éstos son dos arribas y un abajo. El quark arriba lleva una carga eléctrica de +2/3 y el quark abajo, otra de –1/3. Sumémoslas: (+2/3) + (+2/3) + (–1/3) = +3/3 = +1. Resultado: el protón tiene una carga positiva.

Ahora contemplemos el antiprotón, formado por dos antiquarks arriba (carga –2/3) y un antiquark abajo (carga +1/3). Observa que está formado exactamente igual, sólo que con las versiones invertidas de los quarks. Sumemos (–2/3) + (–2/3) + (+1/3) = –3/3 = –1. Resultado: el antiprotón tiene una carga negativa.

El resto de cargas también se invierten. En aquellos leptones que no tienen carga eléctrica (los neutrinos) se invierte otra propiedad distinta, la helicidad, que es la proyección del spin relativa al momento de inercia. O, alternativamente, es posible que sean partículas de Majorana y constituyan su propia antipartícula. Pero no nos compliquemos por el momento.

Bien. Entonces imaginemos un átomo, el más básico de todos: el hidrógeno-1 o protio (hidrógeno corriente). Está compuesto por un protón (carga eléctrica positiva) y un electrón (carga eléctrica negativa) en órbita alrededor. Esta configuración es posible porque el protón y el electrón, al tener cargas distintas, tienden a atraerse (igual que hace la gravedad con una nave espacial en órbita alrededor de un planeta).

Si sustituimos el electrón por su antipartícula el positrón, o el protón por un antiprotón, este átomo se vuelve imposible: ambos tendrían idéntica carga, se repelerían violentamente y saldrían despedidos cada uno por su lado.

Pero si sustituimos los dos –el electrón y el protón– por un positrón y un antiprotón, el átomo es igualmente posible porque las relaciones entre ambos se mantienen; sólo que ahora están invertidas. Ahora la carga positiva está en el positrón orbitando y la negativa se halla en el antiprotón del núcleo, pero como la relación entre ambas se mantiene (cargas invertidas), el átomo puede existir. Y se llama antihidrógeno. No sólo puede existir, sino que hemos fabricado un poquitín. El CERN (sí, los mismos del LHC) fue el primero en lograrlo, probablemente en 1995 y de manera verificada a partir de 2002 en sus deceleradores de partículas. En los aceleradores también se ha creado un pequeño número de núcleos de antideuterio (antihidrógeno-2) y antihelio-3. Hablamos, en todo caso, de cifras de billonésimas de gramo. Con la tecnología presente, su coste sería tan exorbitante como su rareza: aproximadamente, 50 billones de euros por un gramo de antihidrógeno.

Pero no todo es tan difícil. Por ejemplo, ya existen desde hace algunos años aplicaciones tecnológicas basadas en la antimateria, como la tomografía por emisión de positrones (PET) de uso generalizado en medicina moderna.

La aniquilación materia-antimateria y el problema de la contención.

Lamentablemente, no se conoce todavía ningún método eficaz para contener antiátomos sin que entren en contacto con la materia circundante. Las partículas con carga –positrones e iones o núcleos sueltos, por ejemplo– se pueden mantener durante algún tiempo en trampas magnéticas, como las trampas de Penning. Los átomos, en cambio, acaban entrando en contacto con la materia circundante y se aniquilan.

Se ha hablado mucho de la aniquilación materia-antimateria: la reacción más energética del universo, en la que ambas masas desaparecen por completo para liberar la energía que las forma según la famosa ecuación E = mc². Es absolutamente real y de hecho ocurre constantemente a nuestro alrededor, cada vez que una antipartícula natural entra en contacto con materia corriente (por ejemplo, en la atmósfera terrestre).

Lo que ocurre es que sus cargas –electromagnéticas, cromáticas o del tipo que sea– se cancelan entre sí. Supongamos un electrón y un positrón. Como poseen carga eléctrica opuesta, tienden a atraerse y finalmente colapsar entre sí, lo que daría lugar a una partícula con el doble de masa que un electrón (o un positrón) y carga cero. Sin embargo, tal partícula está fuera de los rangos de estabilidad de la materia: no puede existir en este universo. Es materia muerta, por así decirlo, incluso antes de llegar a ocurrir. Así pues, cambian a un estado más básico: pierden su masa y ésta se transforma íntegramente en energía. El resultado suelen ser dos rayos gamma (compuestos por fotones, carentes de carga y de masa efectiva) que conservan su momento linear y angular, así como la energía total (por el principio de conservación de la materia y de la energía). En resumen: que su materia se ha transformado íntegramente en energía, bajo la forma de radiación gamma.

A un protón y un antiprotón les pasa exactamente lo mismo: se transforman en rayos gamma y un pión neutral. Pero el pión neutral es altamente inestable y decae en una birrionésima de segundo para transformarse también en dos rayos gamma (o, a veces, en un par electrón-positrón). El neutrón y el antineutrón se convierten también en un par de rayos gamma, pero con una energía pavorosa. En suma: el encuentro entre materia y antimateria produce energía de la manera más óptima posible en este universo, en forma de radiación y conllevando a cambio la desaparición de la masa precedente. Esta es la tan cacareada aniquilación materia-antimateria.

La antimateria en el cosmos.

El descubrimiento de la antimateria se deriva de los primeros estudios sobre mecánica cuántica, a principios del siglo XX. La primera propuesta seria en este sentido la hizo Paul Dirac en 1928, elaborando sobre la versión relativista de la ecuación de onda cuántica de Schrödinger para el electrón, lo que le llevó a concluir teóricamente que podían existir antielectrones (positrones). Dan premios Nobel por estas cosas: Carl Anderson comprobó su existencia real en 1932 y Dirac se llevó el Nobel de Física ipso facto, en 1933, por esta y otras cosillas como postular buena parte de la teoría atómica moderna (a Anderson también se lo concedieron, en 1936). También escribió Principios de la Mecánica Cuántica, en 1930, una obra magna que marcó un antes y un después en nuestra comprensión de la realidad.

Dirac, un genio extremadamente humilde y ateo como él solo, de quien se ha dicho que sufría un cierto grado de autismo (aunque puede que fuera simplemente un carácter muy taciturno) teorizó más cosas sobre la antimateria. Según sus ecuaciones, validadas más allá de toda duda mediante el descubrimiento material del positrón y las restantes antipartículas, a cada partícula de este universo debería corresponderle una antipartícula... y deberían haberse aniquilado entre sí al principio de todo, impidiendo la consolidación de la materia. De hecho, según las observaciones realizadas –y a estas alturas hemos mirado muy lejos– la cantidad de antimateria en el cosmos es muy inferior a la de materia; tal fenómeno se llama asimetría bariónica.

Durante muchísimos años esta asimetría ha sido uno de los grandes problemas sin resolver en la física, y aún hoy en día sólo tenemos algunas hipótesis bien fundadas al respecto. Una posibilidad es que, simplemente, haya grandes cantidades de antimateria más allá de los límites del universo observable actualmente; sin embargo, esta especulación es poco elegante y no explica a qué se debe semejante separación, cuando materia y antimateria deberían atraerse entre sí. En general, representa una violación del principio cosmológico. Una hipótesis más interesante, postulada por Cronin y Fitch en 1964 (premios Nobel 1980) es la llamada violación de la simetría CP; el Nobel se debe a que esta violación ha sido verificada experimentalmente.

La simetría C y la simetría P vienen a regir la manera en que la materia y la antimateria pueden formarse. Ya en los años '50 se había constatado que algunas partículas no cumplen rigurosamente la paridad que se le suponía a todas ellas. Cronin y Fitch demostraron que estas simetrías se producen bajo la acción de todas las fuerzas menos una: la interacción débil. Esto significa que nuestro universo, al menos desde momentos muy tempranos, no es exactamente simétrico sino que está sesgado hacia la materia frente a la antimateria (a partir de donde algunos proponentes de multiversos sugieren la existencia de al menos otro universo que favorezca la antimateria frente a la materia). No es la única asimetría de nuestro universo: la quiralidad del cosmos está virada a la izquierda en todos sus ámbitos, desde la física a la biología (esto se suele convertir en una broma política, pero constituye un fenómeno fascinante del que hablaremos un día de estos).

De todas formas, parecen existir grandes acumulaciones de antimateria dentro del universo observable. El observatorio espacial europeo INTEGRAL ha confirmado la existencia de una de estas cerca del centro de nuestra propia galaxia: una nube de antimateria que emite fuerte radiación gamma porque está aniquilando positrones a razón de 1,5 seguido de 42 ceros cada segundo. No obstante, la proporción sigue siendo anómalamente baja y se sospecha que toda o casi toda la antimateria existente en el universo actual es reciente, creada en procesos vinculados a la materia.

Esta es una pregunta aún sin respuesta, que se estudia atentamente pues resolverla implicaría destruir uno de los grandes obstáculos para alcanzar una gran teoría unificada.


¿Antigravedad?

Hay quien ha especulado que la existencia de la antimateria implicaría la existencia de la antigravedad. Sin embargo, esto no está demostrado y todas las probabilidades apuntan a que sea una idea incorrecta. Sabemos que la materia atrae gravitacionalmente a la antimateria como si fuera materia corriente, no la repele como sería el caso si estuviéramos ante un fenómeno de antigravedad. La razón fundamental es que en la antimateria se invierte la carga, pero no la masa. En la antimateria, la masa sigue siendo masa, no antimasa.

Aunque el fenómeno inverso todavía no ha sido verificado (atraer gravitacionalmente materia con antimateria), debido a lo débil que es la gravedad y la poca antimateria que hemos logrado producir para su estudio, todo apunta a que materia y antimateria se atraen también por gravedad como si ambas fueran materia (o antimateria) corriente.

La antimateria como fuente (o acumulador) de energía.

Desde luego no es practicable con la tecnología presente, pero la interacción materia-antimateria ha sido evidentemente postulada muchas veces como una fuente (o al menos acumulador) de energía extraordinaria (para uso tanto civil como militar). Estas transformaciones de materia en energía por aniquilación, que como ya dije son las más energéticas posibles del universo conocido, son impresionantes.

Pongamos un ejemplo. Medio gramo de materia interactuando con medio gramo de antimateria (un gramo de masa total) genera espontáneamente 89.876 gigajulios de energía (se obtiene aplicando simplemente E = mc²; E = 0,001 · 299.792.458² = 89.875.517.873.682 J). En términos de energía utilizable, esto equivale a unos 25 gigawatios-hora (una central nuclear como Cofrentes tirando watios a toda mecha durante casi un día entero); si queremos presentarlo en términos de energía explosiva, son 21,5 kilotones: como Nagasaki más o menos. Con un solo gramo de material.

Comparemos. El uranio-235 de grado militar puede llegar a producir, óptimamente, 88,3 gigajulios por gramo; la mezcla usada normalmente en las centrales civiles, entre medio y tres y medio. Por debajo de mil veces menos. La fusión del deuterio-tritio en las armas termonucleares puede alcanzar 337 gigajulios por gramo; y la fusión más energética posible roza los 650; esto es, ciento y pico veces menos.

La aniquilación materia-antimateria tiene otra ventaja: a diferencia de la fusión, se produce espontáneamente en todos los rangos de energía. A diferencia de la fisión, se produce con cualquier cantidad de materia/antimateria. Esto significa que no presentaría problemas de contención: el diseño conceptual de un reactor de materia-antimateria se parecería mucho al de un carburador o, si lo prefieres, a un motor cohete o una central térmica normal. Si necesitas más energía aumentas un poco el flujo, si necesitas menos lo reduces, si dejas de necesitar lo cortas. Eso es todo.

El problema ya lo hemos visto antes y es en esencia el de siempre: no existe hoy por hoy ninguna forma práctica de producir antimateria en cantidades industriales; mucho menos, de hacerlo a un coste económica y energéticamente rentable (se consume mucha más energía para producir un átomo de antimateria que la energía resultante generada por la aniquilación de ese átomo).

Sin embargo, esta es una posibilidad realista si lográramos crear una fuente de antimateria practicable. Por ello y por todo lo demás aquí expuesto, constituye un campo de investigación extremadamente interesante para la física teórica. El CERN europeo ha dedicado y dedica grandes esfuerzos en este ámbito.

El estudio de la antimateria –que ya nos trajo enormes beneficios como parte de las teorías atómica y cuántica, sin las cuales jamás habrían surgido todas las tecnologías contemporáneas que usamos cotidianamente– puede aportarnos inmensos conocimientos sobre la naturaleza profunda de la realidad, sobre el origen y evolución del universo y sobre nuevas formas de producción energética que ahora mismo sólo podemos soñar; por no mencionar sus utilidades médicas y en otras ciencias aplicadas. Debido a todo ello, seguiremos oyendo hablar de ella durante mucho tiempo más.

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Sobre la permanencia de la memoria cuántica.

La teoría de la información cuántica predice que todo lo que existe y ha existido en el universo

deja una traza indeleble en el tejido del cosmos. Los límites de esta memoria cuántica

constituyen una de las grandes preguntas todavía sin respuesta.

Era la fría mañana del 17 de febrero de 1600, en el Campo de' Fiori de Roma, cuando la Inquisición Papal quemó vivo y con la lengua acerrojada  al científico, filósofo, teólogo y cosmólogo Giordano Bruno. Sus cenizas fueron arrojadas al Tíber e incluyeron todos sus textos en el Índice de Libros Prohibidos, como intentando borrar su recuerdo para siempre. Tan severa condena fue la consecuencia de una acusación por inmoralidad, enseñanzas erróneas, blasfemia, brujería y herejía.

Entre las enseñanzas de Giordano Bruno se contaban la proposición de que la Tierra gira alrededor del Sol, de la infinitud del universo y de la pluralidad de los mundos habitados. Y otra más, relacionada con su interés por la mnemotécnica y frecuentemente olvidada: como resultado del principio de causalidad, el cosmos tiene memoria. Tal afirmación convierte al sabio napolitano en un remoto precursor de la teoría de la información cuántica, actualmente clave para nuestra comprensión de la realidad. Cuatrocientos años después, sabemos que Bruno no sólo tenía razón en esta materia extraordinaria, sino que sus límites constituyen uno de los debates más esenciales de la ciencia contemporánea. Y una de las grandes preguntas aún sin respuesta.

De la memoria universal.

La raíz del asunto es sencilla: el principio de causalidad determina que las causas preceden y son la razón de los efectos, y que los efectos suceden y son el resultado de las causas. Esto es un hecho notorio y central de la realidad, un axioma fundamental que no requiere muchas explicaciones. En todo lo que han visto nuestros ojos y nuestros instrumentos, no consta ninguna excepción.

Si las causas y nada más que las causas son la razón de los efectos, entonces los efectos contienen naturalmente toda la información sobre las causas y la secuencia de causas que los originaron. Está en ellos de manera intrínseca, y por eso se pueden deducir las causas observando sus efectos.

Como todo efecto es a su vez causa de los efectos que suceden después, resulta que el conjunto de sucesos observables en cada presente contiene intrínsecamente la información de todas las causas que los precedieron, hasta el origen del universo. Por ese motivo, observando el universo presente podemos obtener respuestas sobre su historia y sus inicios. Si pudiéramos observar el universo presente a todas sus escalas con instrumentos infinitamente poderosos y precisos, deducir la Teoría del Todo no tendría gran complicación.

En la actualidad, la teoría de la información cuántica contempla este fenómeno de memoria cósmica como parte de la unitariedad, y la ciencia en general, en el contexto de la simetría temporal de las leyes físicas. ¿Y esto qué significa? Esto significa que según todos los indicios existentes, las leyes fundamentales del universo no han variado significativamente desde, al menos, momentos muy tempranos; y si esto es así –que ciertamente lo parece, al menos a partir de la primera billonésima de segundo desde el estado inicial–, entonces el principio de causalidad no ha sido violado en toda la historia del universo. Por tanto, todo lo que exista en cualquier presente es la resultante de todas las causas-efectos anteriores, contiene de manera intrínseca la información sobre todo lo que hubo antes y seguirá haciéndolo hasta... bueno, luego veremos hasta cuándo.

Como consecuencia, cualquier instante del universo contiene toda la información sobre todos los instantes que le precedieron. Y por tanto, cualquier elemento del universo, cualquier cosa que haya permanecido en él, deja una traza indeleble en el tejido de la realidad. Puede decirse que ni la materia ni la energía ni la información se crean o se destruyen, sino que sólo se transforman, ampliando así la Primera Ley de la Termodinámica; que la materia y la energía lo hacen aumentando siempre su entropía total (Segunda Ley de la Termodinámica) pero sin perder su memoria; y además, aproximándose pero sin llegar al cero absoluto (Tercera Ley de la Termodinámica).

La pregunta es: ¿para siempre?

La amnesia del agujero negro.

Echemos un vistazo (es un decir) a los agujeros negros. Por una parte, dado que un sistema cuántico (inclyendo cualquiera de los átomos que constituyen la materia, por ejemplo) se halla en entrelazamiento, podemos encontrarnos con una paradoja curiosa si uno de ellos cae en un agujero negro. El entrelazamiento establece un vínculo de información entre las distintas partes del sistema cuántico, que pueden estar a gran distancia, de manera instantánea (que en la práctica viene siendo a la velocidad de la luz). Cuando una parte del sistema cae en un agujero negro y llega a la singularidad (que lo hará en un periodo limitado de tiempo), su contraparte entrelazada pierde necesariamente la "conexión", y con ella la memoria que pudiera aportar a los efectos que esa contraparte cause a partir de ese momento.

De todas formas, no sabemos aún lo que ocurre realmente dentro de un agujero negro, y menos aún lo que sucede al aplicarle las correcciones cuánticas (necesitamos urgentemente una teoría de la gravedad cuántica, para esto y para muchas otras cosas). Sin embargo, hay otro hecho más notorio de los agujeros negros que permite suponer una pérdida de información: la radiación de Hawking. Si los agujeros negros realmente emiten radiación como predijo Stephen Hawking (y empieza a haber evidencias al respecto vía el efecto Solokov-Ternov) entonces esta radiación ha perdido necesariamente la memoria sobre la materia de donde se originó. Esto se debe a un teorema de nombre bastante divertido, sobre todo hablando de agujeros negros: el Teorema de Ningún Pelo (la propia expresión agujero negro lleva arrastrando su coñita desde que se originó, también entre físicos).

¿Y qué dice este teorema afeitado, digo Teorema de Ningún Pelo? Pues dice que cuando cualquier objeto sufre un colapso gravitatorio, queda definido externamente por sólo tres parámetros clásicos: su masa, su carga y su momento angular. Cualquier otra información que pudiera contener desaparece más allá del horizonte de eventos del agujero negro, y queda inaccesible para el resto del universo (y para cualquier cosa que haya en él). Esto significa, en la práctica, la destrucción de la información contenida en el objeto, incluyendo la de sus causas precedentes.

Sin embargo, es dudoso que esta destrucción se produzca efectivamente. Existen varias vías hipotéticas para que la información se conserve y resulte liberada de nuevo cuando los agujeros negros se disuelvan, dentro de uno seguido de cien ceros de años, aunque ninguna de ellas es sólida aún. Puede que la información se vaya liberando progresivamente durante la evaporación del agujero negro por un mecanismo gravitacional aún no descubierto. Puede que un segundo nanoagujero negro que forme parte del principal, aproximadamente del tamaño de Planck, la almacene y la suelte cuando ambos se disipen (aunque esto violaría la conjetura de Bekenstein). Algún teórico de Cuerdas sugiere una interpretación vinculada a los multiversos, en la que otro universo bebé recibe esta información. Más significativamente, la correspondencia AdS/CFT apunta que la información no tiene por qué resultar destruida.

Todo este asunto dio lugar a una famosa apuesta entre Stephen Hawking, que proponía la desaparición de la memoria cuántica en los agujeros negros como resultado de su radiación de Hawking, y Kip Thorne, que negaba la posibilidad apoyándose en la unitariedad cuántica, un principio bastante demostrado. Finalmente, en 2005, Hawking concedió graciosamente la derrota en base a esta correspondencia AdS/CFT y pagó a Thorne lo apostado: la Enciclopedia Total del Béisbol. Por tanto, la opinión mayoritaria en estos momentos es que las causas preceden a los efectos, los efectos suceden a las causas y la información que contienen no se crea ni se destruye, sino sólo se transforma. La memoria cósmica, que lo recuerda todo y a todos, no se desvanece ni siquiera dentro de los agujeros negros Y así seguirá siendo durante eones incontables.

El Alzheimer de la muerte térmica.

Y entonces, nos encontramos con el último desafío para la vieja enseñanza de Giordano Bruno. Dentro de mucho, mucho, pero muchísimo tiempo, un uno seguido por mil ceros de años, este universo que nos alberga se estará aproximando a la muerte térmica. Dependiendo de la cantidad de materia y energía oscuras que haya en el cosmos, la todopoderosa entropía lo estará llevando a una sobrecogedora inmensidad de nada donde todo se habrá disuelto ya (el Gran Desgarrar y el Gran Helor). O, por el contrario, la gravedad lo estará comprimiendo sobre sí mismo para convertirlo en el Agujero Negro Final: el Gran Colapso donde se sumirá el espacio, el tiempo, la materia, la energía y el calor, bien para dar lugar a un nuevo universo (a través del Gran Rebotar)... o no.

Sea por frío extremo o por temperatura infinita, en cualquiera de estas posibilidades el universo sufrirá la muerte térmica. En el caso del Gran Helor, un inacabable desierto oscuro y baldío de nada, marginalmente sobre el cero absoluto (a 10^-29 K), esencialmente isotérmico y en estado de máxima entropía. En esta tesitura, aún alcanzando ya el estado homogéneo (insisto: dentro de 10^>1.000 años; el universo tiene ahora mismo algo más de 10¹⁰), la información no tiene por qué perderse: como vimos más arriba, la Tercera Ley de la Termodinámica impide que llegue efectivamente al cero absoluto; y mientras tal cosa no ocurra, no es evidente que esta memoria cuántica tenga que desaparecer por mucho tiempo que pase. En la hipótesis opuesta, al ultracomprimirse en un Gran Colapso de temperatura y densidad infinitas (e isotérmicas), resulta difícil concebir de qué manera el agonizante universo mantendría la información de todo lo que en él fue. Y sin embargo, tampoco es imposible por completo. Sólo que aún no hemos llegado hasta ahí, aún no sabemos lo suficiente.

Según todo lo que sabemos, el universo no sólo mantiene en cada instante la traza cuántica de todo lo que en él existe o ha existido, sino que existe una posibilidad muy real de que esta traza sea inviolable por completo y no desaparezca nunca. Eso nos incluye a ti y a mí, y también a Giordano Bruno, cuya última venganza bien podría ser que, según sus enseñanzas erróneas, ni su memoria ni la de nada ni de nadie se desvanecerá jamás. Permanece y permanecerá para siempre a cada instante en cada estado cuántico del universo –que es decir toda la realidad–, durante todo lo que ahora mismo concebimos como eternidad.

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LHC: primera física.

El Gran Colisionador de Hadrones comienza a proporcionar resultados científicos, ¡cientos de miles de colisiones a 7 TeV!

Consumatum est.  :-)

Hace aproximadamente unas cuatro horas, siendo las 13:06 Hora Central Europea, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN ha hecho impactar con absoluta precisión dos haces de partículas a una energía de siete teraelectronvoltios; lo que, unido a sus otras capacidades, representa el inicio del programa científico más difícil, potente y avanzado de la historia de la humanidad. ¿El precio? Unos seis mil millones de euros en total, más o menos lo mismo que el estado español aporta a la Iglesia cada año.

En estos momentos, están ya decelerando. Sobre las 16:30 CET, los experimentos del LHC habían registrado ya más de medio millón de eventos, durante más de tres horas de operación ininterrumpida. En palabras de la portavoz del experimento ATLAS, Fabiola Gianotti, "con estas energías de colisión que rompen todas las marcas anteriores, los experimentos del LHC quedan propulsados a una vasta región para explorarla; comienza la caza de la materia oscura, de nuevas fuerzas, nuevas dimensiones y el bosón de Higgs."

Guido Tonelli, portavoz del experimento CMS, añade: "Estamos impresionados por lo bien que funciona, y es particularmente satisfactorio constatar cómo trabajan nuestros detectores de partículas mientras los equipos de físicos de todo el mundo están ya analizando los datos. Vamos a tratar con algunos de los mayores rompecabezas de la física moderna, como el origen de la masa, la gran unificación de las fuerzas y la presencia de materia oscura abundante en el universo. Vienen tiempos muy interesantes."


Por su parte, el portavoz de ALICE ha señalado: "Estamos esperando los resultados de las colisiones protónicas, y a finales de este año, las de los núcleos de ión-plomo, que nos permitirán observar de manera novedosa la naturaleza de la interacción fuerte y de la evolución de la materia en el universo primordial." En el LHCb, se disponen ya a explorar la naturaleza de la asimetría entre materia y antimateria, cuya interacción constituye la fuente de energía más potente del universo conocido.


A partir de ahora, el LHC va a funcionar durante 18 a 24 meses, según vayan las cosas. Su primer objetivo es "redescubrir" (es decir: confirmar a una potencia mucho mayor) el actual Modelo Estándar de Partículas. Inmediatamente a continuación, iniciará la búsqueda sistemática del bosón de Higgs, que puede explicar la manera en que la energía se convirtió en materia (y aportar grandes conocimientos nuevos sobre las maneras de convertir energía en materia y materia en energía). El primer barrido se realizará sobre la hipótesis de que el bosón de Higgs tiene una masa en torno a 160 GeV; si no fuera así, habrá que buscarlo a masas distintas en aceleraciones posteriores. Con respecto a la supersimetría, ATLAS y CMS son sensibles a partículas supersimétricas con masas de hasta 800 GeV, el doble de lo que era posible hasta ahora. Dice Rolf Heuer, director general del CERN, que "el LHC tiene una oportunidad real de descubrir partículas supersimétricas durante los próximos dos años, lo que posiblemente nos permitirá entender la composición de una cuarta parte del universo."

Incluso en los extremos más exóticos del potencial del LHC, este acelerador duplica las probabilidades de investigación. Por ejemplo, sus detectores son sensibles a nuevas partículas masivas hasta 2 TeV, que indicarían la existencia de dimensiones adicionales en la realidad.

Después de esta primera fase de 18-24 meses, el LHC cerrará para mantenimientos de rutina y para consolidar las reparaciones necesarias con el objeto de llegar a su energía de diseño de 14 TeV, que no es posible por el momento debido al incidente del 19 de septiembre de 2008. Esta es una fase de operación excepcionalmente larga; tradicionalmente, el CERN ha operado sus aceleradores en ciclos anuales de 7-8 meses de funcionamiento y 4-5 para mantenimiento y actualizaciones. Pero como se trata de una gigantesca máquina criogénica funcionando a temperaturas más bajas que las que se dan en el espacio profundo, requiere un mes de enfriamiento y otro mes de calentamiento, por lo que este ciclo anual ha perdido su razón de ser. Así pues, el CERN opta ahora por ciclos más largos tanto de operación sostenida como de mantenimiento y actualizaciones.


Además de sus posibilidades en alta física, la ciencia extremadamente avanzada que se utiliza en el CERN ha proporcionado y proporciona habitualmente numerosas tecnologías de uso práctico inmediato, como la web de Internet que estás utilizando ahora mismo, los actuales detectores de alta resolución para la tomografía por emisión de positrones (PET) de uso extensivo en medicina, isótopos especiales para tratamientos radioterapéuticos contra el cáncer, paneles solares de alta eficiencia, instrumentos de precisión extrema utilizados en ingenierías de la electricidad y el electromagnetismo o nuevos procesos químicos para la producción de circuitos electrónicos, entre otras. Puedes echar un vistazo a su web de transferencia de tecnologías aquí.

A favor de todos, y en contra de nadie.

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¿Qué pasaría si un agujero negro entrara en el sistema solar?

Nada existe para ser temido. Sólo para ser entendido.
–María Curie.

Por su singularidad, en todos los sentidos, los agujeros negros constituyen uno de los objetos astronómicos que más han cautivado la imaginación del público. Y se oye muchas veces la pregunta: ¿qué sucedería si una de estas rarezas cósmicas se aproximara a nuestro sistema solar, o incluso penetrara en él? Muchos piensan que se nos tragaría sin remisión, ñam. Y sin embargo, no tienen razón. ¿Cómo es eso posible?

Agujeros negros.

Un agujero negro es una región del espacio de donde nada, ni siquiera la luz, puede escapar; los causa una deformación del espaciotiempo debido al colapso gravitacional de una masa. Teóricamente, cualquier cantidad de masa formará un agujero negro si su propia gravedad es capaz de comprimirla sobre sí misma hasta que se vuelva tan pequeña como su radio de Schwarzschild; en el caso del Sol esto serían unos tres kilómetros y, en el de la Tierra, de unos nueve milímetros. En principio, cualquier masa mayor que una masa de Planck podría formar uno; una masa de Planck equivale a unos pocos microgramos.

Sin embargo, los agujeros negros pequeños (llamados microagujeros negros o agujeros negros mecanocuánticos), en caso de existir, tienden a perder materia en vez de capturarla. Este fenómeno se conoce como evaporación de Hawking o radiación de Hawking-Bekenstein (y este es uno de los muchos motivos por los que quienes creían que el LHC iba a destruirnos están equivocados). Alimentar un microagujero negro es como querer llenar una bañera sin fondo: si abrimos el grifo lo bastante, por un momento parecerá que está llena de agua, pero al instante ya no se hallará allí.

Para que un agujero negro llegue a formarse y ser estable, hace falta una masa implicada equivalente más o menos al triple que nuestro Sol, con un mínimo absoluto en una vez y media (en la práctica, si no llega a 2,7 veces el Sol se convertirá en una estrella de neutrones, no un agujero negro). Este es el límite TOV (Tolman-Oppenheimer-Volkoff), que se deriva directamente del Principio de Exclusión de Pauli y del límite de Chandrasekhar para la formación de materia degenerada. Dicho en pocas palabras: ni siquiera toda la masa del sistema solar junta es suficiente como para que llegue a producir un agujero negro estable. El candidato más pequeño a agujero negro que conocemos en la actualidad, XTE J1650-500 en la constelación del Altar, es casi cuatro veces más masivo que el Sol (y el sistema solar).

Los agujeros negros se forman cuando una estrella lo bastante masiva se queda sin combustible y muere. Las estrellas, como nuestro Sol, son fundamentalmente grandes acumulaciones del hidrógeno primigenio concentradas por atracción gravitatoria en una esfera cada vez más compacta y densa. Hay un punto en que la presión (y con ella la temperatura) es capaz de superar la repulsión electrostática entre los núcleos atómicos, y entonces puede comenzar la fusión del hidrógeno y el deuterio primordial. En ese momento la estrella se enciende y equilibra; dicho muy burdamente, la explosión termonuclear constante que padece contrarresta el colapso gravitatorio que la formó. Así, permanece estable durante cientos, miles o decenas de miles de millones de años en forma de una esfera energética; tal cosa es una estrella, un sol. El nuestro se formó junto con la Tierra y el resto de los planetas hace unos 4.500 millones de años, y durará otros tantos.

Durante este proceso, las estrellas más antiguas (llamadas la población III) comenzaron a producir por fusión núcleos atómicos más pesados; todos los elementos hasta el 26 (hierro), incluyendo grandes cantidades de helio que vino a sumarse a su contenido en helio primordial. Conforme las estrellas van consumiendo su hidrógeno, la fusión se debilita. Entonces, la fuerza gravitatoria vuelve a ser más intensa que la explosión sostenida, y comprime el sol hasta un nuevo punto en el que es posible la fusión del helio. A continuación pueden ocurrir tres cosas distintas, dependiendo de su masa.

Las pequeñas (menos de la mitad del Sol, con mucho las más comunes del universo) no tienen masa suficiente como para provocar tanta presión que el helio llegue a encenderse (la fusión del helio sólo se produce a presiones y temperaturas muy altas). Entonces se convierten lentamente en enanas rojas, fusionando lentamente su hidrógeno residual durante billones de años. Algunas pasarán por una fase de enana blanca (con nova o sin nova) y finalmente, dentro de muchísimo tiempo, todas ellas esencialmente se apagarán en forma de enanas negras.

Las de mediano tamaño (más o menos como nuestro Sol) sí pueden causar compresión gravitatoria suficiente como para que el helio fusione. Esto embala la fusión del hidrógeno residual, y entonces la estrella crece y se expande hasta convertirse en una gigante roja. Cuando eso le ocurra a nuestro Sol dentro de cinco mil millones de años, se tragará a Mercurio y Venus y no está claro si también a la Tierra, pero en todo caso ésta resultará abrasada por completo (en realidad el proceso empezará mucho antes: en tres mil millones de años el agua terrestre se habrá evaporado y con ella la vida). Las gigantes rojas consumen su combustible muy rápidamente y además expulsan sus capas exteriores de materia, formando nebulosas, por lo que sólo duran unos millones de años antes de convertirse también en enanas blancas y finalmente apagándose como enanas negras dentro de cantidades abismales de tiempo.

Pero las grandes comienzan a fusionar helio masivamente y entonces se pueden convertir en una diversidad de monstruos cósmicos que normalmente culminan con alguna clase de fenómeno catastrófico. Consumen a toda velocidad el helio y el hidrógeno residual, y las más gigantescas empiezan a hacerlo también con el carbono, el neón, el oxígeno e incluso el silicio que han producido durante las reacciones anteriores; resulta complicado imaginar la clase de densidad y temperatura precisas para fusionar núcleos de elementos como el silicio. Algunas se transforman en subgigantes o gigantes, pero las verdaderamente enormes llegan a formar supergigantes e incluso hipergigantes como VV Cephei A o VY Canis Majoris; si nuestro Sol fuera una de estas, su esfera llegaría casi hasta Saturno.

Se consumen tan deprisa que no viven mucho: unos pocos millones de años (y, cuando empiezan a fusionar silicio, ya sólo les quedan cinco días). Suelen acabar en forma de supernovas: lo que viene siendo una explosión termonuclear de calibre cósmico, más brillante que una galaxia entera. Y cuando lo hacen como una supernova por colapso nuclear, el núcleo residual evoluciona hasta transformarse en una estrella compacta: enanas blancas, estrellas de neutrones, estrellas exóticas o la forma extrema de colapso gravitacional que forma un agujero negro. Otras, las absurdamente gigantescas, pueden implosionar directamente hacia este mismo final.

El candidato claro más cercano para sufrir uno de estos procesos de manera inminente (si es que no ha ocurrido ya y el frente fotónico está en camino) es nuestra vieja amiga Betelgeuse, alfa de Orión. Betelgeuse es una supergigante roja a entre 500 y 640 años luz de distancia, con veinte veces la masa del sol: justo en el borde que le permitiría mantener un núcleo por encima del límite TOV y llegar a convertirse en un agujero negro. Presenta un fenómeno de contracción rápida (el 15% en 17 años, y acelerándose) compatible con el colapso nuclear que conduce a una supernova de tipo II. Pero no nos hagamos ilusiones aún: podría deberse a cualquier otra razón.

¿He dicho hacernos ilusiones? ¿Estoy loco o qué? ¿Una estrella de neutrones o un agujero negro ahí al lado en términos cósmicos y el Yuri se hace ilusiones?

Sí. :-D ¡Sería extraordinario! Lo peor que puede pasar es un brote de rayos gamma, que de todas formas no nos alcanzaría significativamente porque el eje rotacional de Betelgeuse no apunta hacia nosotros. Tendríamos una buena ducha de neutrinos y rayos cósmicos que quizá pudieran llegar a deteriorar algún satélite, un objeto en el cielo tan brillante como la Luna llena durante algún tiempo, y una nueva nebulosa durante una temporada más. Y un montón de respuestas sobre el origen y evolución del universo, junto a otras tantas preguntas nuevas y mejores más. Por lo demás, no te acuestes muy tarde que mañana se trabaja. No pensarás que te ibas a librar sólo porque haya estallado una supernova y se esté formando un posible agujero negro aquí al lado como quien dice, ¿no?

De las fuerzas elementales.

De hecho, ha ocurrido muchas veces. Lo del agujero negro no (¡lástima!), pero lo de las supernovas, sí. Hace 2.800.000 años, cuando nuestros antepasados australopitecos ya andaban por aquí, una detonó lo bastante cerca como para dejar el planeta perdido de hierro-60. En tiempos históricos han estallado muchas.

¿Y con el agujero negro qué hacemos? Mira: a pesar de su aura tenebrosa, un agujero negro es un objeto físico como cualquier otro en este universo. Del horizonte de eventos para fuera, las leyes habituales de la física no se ven afectadas: su comportamiento sigue siendo como el de cualquier otra estrella de similar masa. ¿Y qué es esto del horizonte de eventos?

Cuando un agujero negro se forma y estabiliza por cualquiera de las vías que hemos visto antes, el núcleo colapsado se comprime hasta alcanzar volumen cero y densidad infinita: la singularidad. Esto es difícil de visualizar con la percepción clásica y requiere de la Relatividad; pero es posible, ya lo creo que sí. Se ha hablado mucho de las extrañas anomalías espaciotemporales que un monstruo tan extraño produce o puede producir (en realidad, no lo sabremos verdaderamente hasta que no logremos la teoría de la gravedad cuántica), pero ninguna de ellas sale del horizonte de eventos. De hecho, nada de lo que ocurra dentro del horizonte de eventos puede alcanzar a un observador exterior, ni siquiera la luz: por eso es un agujero negro.

El horizonte de eventos (que a grandes rasgos coincide con el radio de Schwarzschild) es el punto a partir del cual la velocidad necesaria para escapar del agujero negro es superior a la velocidad de la luz; como nada que tenga masa o transporte información puede ir más rápido que la velocidad de la luz, nada en este universo puede escapar de un agujero negro más allá del horizonte de eventos. Sin embargo, más acá, no es más que un astro como otro cualquiera, con su masa original (la densidad es infinita en la singularidad, pero no la masa). Se puede orbitar y existir en general alrededor de un agujero negro. De hecho, es como si la estrella que lo formó siguiera estando allí, sólo que en una forma diferente.

¿Y hasta dónde llega este horizonte de eventos? En los agujeros negros estelares que conocemos, los mayores horizontes de eventos tienen... unos trescientos kilómetros de circunferencia, que vienen a ser cincuenta de radio.

¿Cómo? ¿Sólo cincuenta kilómetros?

Sí, sí, cincuenta kilómetros. Si hubiera un agujero negro como quince soles en el Ayuntamiento de Valencia, estarías fuera del horizonte de eventos llegando a Castellón. Si estuviera en la Puerta del Sol de Madrid, seguirías pudiendo escapar desde Toledo. Si se hubiese establecido en la Plaça de les Glòries Catalanes, te librarías situándote un poquito más allá de Vilanova i la Geltrú. Si nos lo encontráramos formándose en el estadio del Boca Juniors de Buenos Aires, nos situaríamos fuera del horizonte de eventos más o menos por General Rodríguez.

Incluso en el caso de agujeros negros supermasivos como los que se encuentran en el centro de las galaxias, con cientos y miles de millones de masas solares, la distancia de seguridad tras del horizonte de eventos no está mucho más lejos que la órbita de Plutón, y bastante más cerca que Sedna. Si te alejas unos cuantos sistemas solares, es prácticamente irrelevante.

Lo que sí deberías hacer para no caer hacia él, claro, es orbitar a su alrededor igual que orbitarías alrededor de cualquier otro astro de masa similar. Si el agujero negro se deriva (como toca) de una estrella con masa en similar orden de magnitud, entonces el resto del universo más allá de ese pequeñísimo horizonte de eventos, esencialmente, ni se inmuta.

Y entonces, ¿qué pasaría si un agujero negro entrara en el sistema solar?

Pues lo mismo que si se paseara por aquí cerca cualquier otro objeto de masa similar.

Como hemos visto, no hay nada en nuestro sistema solar ni en unos quinientos años-luz a la redonda que pueda convertirse en un agujero negro. La única posibilidad de enfrentarnos a uno de ellos es que se tratara de un agujero negro errante circulando por nuestro brazo galáctico (o, más bien, con nosotros circulando hacia él). La probabilidad de que tal cosa suceda es extremadamente baja, una montaña de ceros después de la coma y antes del uno, pero aún así supondremos que ocurriera, para dar respuesta a la preguntita de marras.

Con tal propósito vamos a utilizar una aplicación llamada PPNCGS (Parameterized Post Newtonian Collisionless Gravity Simulator), desarrollada por el amigo indonesio, otaku y matemático Fendy Sutandio (Orichalc) sobre este estudio de la NASA. Funciona notablemente bien, y nos permite simular con bastante exactitud la interacción gravitatoria entre astros (o cualquier otra masa).

Por simplicidad (y porque si quieres un paper detallado en vez de un post divulgativo, yo necesito dos meses y tú necesitas un talonario de cheques :-D ) cargaremos únicamente los datos del Sol y los nueve planetas tradicionales en una alineación convencional y sin tener en cuenta rarezas orbitales como las de Plutón. Resulta suficiente para una buena aproximación, y he hecho un par de pruebas que me sugieren la conjetura de que los resultados son muy parecidos aunque no incorporemos todos esos detalles.

Ponemos en marcha el simulador y, así, pronto obtenemos las órbitas esquemáticas convencionales de nuestro sistema solar (en la realidad, las de Marte y Mercurio serían un poquito más excéntricas, y la de Plutón notablemente más excéntrica, hasta cruzarse con la de Neptuno; además de inclinada 17º con respecto a la eclíptica). En una proyección a cien años, los planetas más lejanos no tienen tiempo de describir una órbita completa alrededor del Sol:

Muy bien: ya tenemos un modelo gravitacional simplificado de nuestro sistema. Ahora vamos a añadir un agujero negro estelar típico de diez masas solares, al que bautizaremos como Abaddón: el ángel exterminador. Haremos que apunte más o menos hacia la posición actual de la órbita de Saturno, desplazándose a sesenta kilómetros por segundo, procedente del sur celeste para cruzar la eclíptica en ángulo más o menos recto:

Ejecutamos el simulador y...

Oops. Parece que al sistema solar no le ha sentado muy bien. Pero no porque Abaddón haya "succionado" nada en particular, sino debido a la atracción gravitatoria de una masa tan inmensa. Lo mismo habría sucedido si se hubiese tratado de cualquier otro objeto con una masa parecida en vez de un agujero negro. Observamos que el Sol ha salido propulsado hacia el agujero negro, arrastrando a todos los planetas interiores (incluída la Tierra). La perspectiva (y el tamaño que le he puesto a Abaddón) engaña, pues parece que el Sol y los planetas interiores hayan caído directamente en él, con lo que habrían sido absorbidos. Pero en realidad, está pasando por "encima" y se cruzan a millones de kilómetros de distancia en el eje norte-sur:

 Por su parte, los planetas exteriores han resultado despedidos lejos del sistema solar originario; en el caso de Júpiter, después de hacer un extraño quiebro alrededor del Sol y cerca de la Tierra. Saturno se aleja a velocidades enormes. Plutón ha invertido su sentido de traslación.

No obstante, la estabilidad de las órbitas interiores es sorprendente. Veamos con más detalle cómo han quedado durante y después del paso de Abbadón:

Puede verse que las órbitas de Mercurio y Venus han quedado prácticamente incólumes. La de la Tierra es ahora más excéntrica, aproximándose mucho a Venus por uno de sus extremos; aparentemente, sigue dentro de la zona de habitabilidad, por lo que la vida en la Tierra podría proseguir. Incluso la vida humana.
Eso sí, no iba a ser divertido. Grandes mareas provocarían gigantescas inundaciones durante el paso de Abaddón y, en menor medida, de Júpiter; es muy probable que estas mareas afectaran al núcleo, manto y corteza terrestre, provocando intensos fenómenos de vulcanismo. Habría importantes tormentas de meteoritos y asteroides hasta que volvieran a estabilizarse. Los veranos pasarían a ser más calientes y los inviernos más fríos, con los subsiguientes cambios climatológicos, evolutivos y ecológicos. Seguramente, el tiempo sería mucho más severo que en la actualidad. Este resultaría un lugar más inhóspito, pero con bastante probabilidad nada que la vida terrestre no haya enfrentado anteriormente.

Más preocupante es la órbita de Marte, que como vemos ha quedado en trayectoria de colisión con Venus, la Tierra y, sobre todo, Mercurio. Cada año marciano conllevaría una posibilidad de impacto planetario, una especie de ruleta rusa cósmica. Y el problema con Júpiter es muy grave. Se ha quedado "flotando" después de la primera pasada, prácticamente desprovisto de velocidad orbital, por lo que durante los siguientes años caería en una órbita muy elíptica que le llevaría una y otra vez al interior del sistema solar, con un periodo de unos 37-50 años. Veamos lo que ocurre durante el siglo siguiente:

Además de las posibilidades de colisión, sólo podemos especular sobre los efectos de este "martilleo gravitacional" repetitivo sobre los planetas interiores, y los efectos que podría tener sobre la rotación solar (que de todas formas variaría significativamente). También deberíamos considerar los problemas causados por su intensa magnetosfera. Curiosamente, la ausencia de los demás planetas exteriores no tendría mucha importancia (a menos que hagamos caso a los astrólogos). Su influencia real sobre la Tierra y los que estamos en ella es prácticamente irrelevante en la actualidad (y lo ha sido a lo largo de toda la existencia humana), por lo que su desaparición no se notaría de manera significativa más que por la pérdida del escudo anti-cometas que suponen debido a su atracción gravitatoria.

Por supuesto, este no es más que uno de los escenarios potenciales. La gravedad es una fuerza muy débil, la más débil de todas por muchos órdenes de magnitud, y en cuanto su fuente se aleja un poco sus efectos se reducen mucho. Si en vez de apuntar hacia la órbita de Saturno, Abaddón apuntase hacia la de Plutón, sólo se notaría su efecto sensiblemente a partir de Saturno (proyección a cien años):

Puede observarse que las órbitas de Saturno y Urano se han vuelto excéntricas; y las de Neptuno y Plutón, además, elípticas hasta el punto de que el primero llega a aproximarse más al Sol que Júpiter, lo que apunta un riesgo bajo de colisión con este último. Por el contrario, las órbitas de los planetas interiores (Mercurio, Venus, Tierra, Marte) y de Júpiter han quedado intactas pese al tránsito del agujero negro. En este escenario, el principal inconveniente para nuestro planeta podría ser la desestabilización del cinturón de asteroides y las acumulaciones transneptunianas, con el consiguiente riesgo de impactos de meteoritos y cometas. Pero eso sería todo, y a eso hemos sobrevivido muchísimas veces.

Si, por el contrario, Abbadón se dirigiera hacia algún punto entre Marte y Júpiter, el sistema solar está perdido por completo (proyección a un año):

En este escenario extremo, la mayor parte de planetas salen despedidos del sistema solar a alta velocidad. Venus quiere hacerlo, pero se queda sin energía y cae hacia el Sol. Lo mismo le ocurre a la Tierra, congelándose primero en un breve viaje hasta más allá de la (antigua) órbita de Saturno. Llama poderosamente la atención la curiosa estabilidad de la órbita de Mercurio, que apenas se altera un poco con un agujero negro de diez masas solares a menos de ochocientos millones de kilómetros; Mercurio está verdaderamente blocado al Sol.

En todo caso, la probabilidad de que un agujero negro se acerque a nuestro sistema solar es extraordinariamente baja. En el mundo real, no hay tantos Abaddones y los más cercanos se hallan a miles de años-luz de distancia: miles de billones de kilómetros. Además, con los instrumentos actuales detectaríamos las anomalías gravitacionales y relativistas de un "errante" en aproximación cientos, seguramente miles de años antes de que llegara al sistema solar (qué hacer después con tal información es un problema distinto...). Lo cierto es que no ha sucedido desde que la Tierra está aquí (eso es un tercio de la edad del universo), y las probabilidades de que ocurra alguna vez son casi cero. Al menos, mientras aún estas cosas le importen a una especie llamada humanidad.

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LHC y ALBA, adelante.

Esta ha sido una gran semana para la física de partículas.

El viernes 19 de marzo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN batió su propio récord del pasado mes de noviembre, acelerando grupos de protones a 3,5 TeV; esta es la potencia nominal a la que se va a operar la máquina (7 TeV en total, sumando las dos líneas) hasta la actualización prevista el año próximo. Con ello, el programa de investigación del instrumento científico más grande y potente construido jamás va a dar comienzo en breves días. 

Adicionalmente, se acaba de aprobar la instalación de un nuevo experimento (detector) durante la próxima parada, el MoEDAL, que se sumará a los ya existentes ATLAS, ALICE, CMS, TOTEM, LHCb y LHCf. El propósito de MoEDAL es determinar la existencia de monopolos magnéticos y partículas supersimétricas masivas.

Por otra parte, el Presidente del Gobierno español J. Luis Rodríguez Zapatero inauguró ayer en Cerdanyola del Vallés el ALBA, una instalación compuesta de un acelerador linear de partículas y un sincrotrón (acelerador circular, del tipo del LHC) con una energía de 3 GeV. Aunque esto no es más que una fracción de la obtenida en los grandes instrumentos, representa un avance importante para nuestra ciencia en campos que van desde la física y la química hasta la ingeniería, la biología y la medicina. Se trata del primer acelerador de partículas instalado en nuestro país capaz de alcanzar rangos de energía superiores al gigaelectronvoltio.

En suma, una muy buena semana para la ciencia y para la física de partículas.  :-)

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El 'renacimiento nuclear', en la incubadora.

Pese a toda la propaganda de los últimos años, la energía nuclear de fisión sigue más o menos donde estaba.

Hace ahora unos tres años, fuimos sorprendidos por una reactivación repentina del debate sobre la energía nuclear de fisión. De pronto, todas las agencias de propaganda habituales estaban plagadas de artículos, elegías y (falsas) propuestas para el debate para adelantar las posturas de la industria atómica civil, cuando apenas unos meses antes nadie comentaba ni mú. De hecho, resultaba bastante ridículo ver a los juntapalabras a sueldo de turno (comúnmente llamados periodistas o comunicadores) hablando de temas complejísimos de los que no tenían ni la más remota idea.

Uno, que además de defensor moderado de lo nuclear (o, al menos, contrario al histerismo anti-nuclear) ya va siendo perro viejo, fue captando los matices de este debate con los oponentes silenciados que en realidad no era sino una campaña propagandística para inculcar a las masas que la energía nuclear es lo mejor que se ha inventado desde el pan tierno y quien no lo viera así, es que debía ser un poco tontito. O un peligroso subversivo trabajando para los enemigos de Occidente. O las dos cosas a la vez. Ya dijo Goebbels que la propaganda no se hace para los intelectuales.

Evidentemente, esta campaña estaba relacionada con un intento de posicionamiento de los conglomerados energéticos, que hace décadas que vienen viendo cómo sus subsidiarias atómicas languidecen sin pena ni gloria, al calor de las subidas de los hidrocarburos durante 2006 y 2007. Quizás por vergüenza de verse asociados con esta nueva generación de nuclearistas sin la menor idea de física o economía energética, por el disgusto de sentirse manipulados o por simple realismo, mucha gente que normalmente es partidaria de la energía nuclear en distintos grados pasó de sumarse a la avalancha.

Porque la energía nuclear ni es el demonio que temen unos ni el maná que quieren imponer otros. Su seguridad ha mejorado mucho en los últimos años, pero desde el punto de vista social y económico es tan mediocre como cualquier otra. Entre el "nuclear, sí" y el "nuclear, no", las posturas más razonables se encuentran esencialmente en el medio y oscilan entre una postura y otra. Por eso, muchos países perfectamente sensatos siguen apostando por ella, y otros al menos igualmente sensatos han decidido ignorarla mediante moratorias o cierres.

Por eso, también, a pesar de los monstruosos incrementos de demanda energética mundial de las últimas décadas, el número de reactores permanece esencialmente estable desde hace 25 años; y al no haber construido muchas unidades nuevas en este periodo, su número decaerá próximamente porque la mayor parte andan ya muy viejitos.

(Fuente: European Nuclear Society)

Quizá para horror de algunos miembros de esta nueva generación de nuclearistas, la energía nuclear nunca se ha desempeñado muy bien en el mercado libre; su historia es una historia de estatalismo, monopolios públicos, militares, funcionarios, políticos, subvenciones, ayudas e inversiones con dinero de los contribuyentes. La energía nuclear de mercado no existe, no ha existido nunca. Comenzaremos por aquí.

Con dinero de todos, nuclear sí. Con mi dinero, nuclear ni de coña.

La energía nuclear comercial constituye el caso extremo de tecnología ultra-fomentada y protegida hasta el absurdo por fuerzas ajenas al mercado. Pese al victimismo del que suelen hacer gala sus proponentes, resulta imposible determinar las inmensas cantidades de dinero público y privado gastadas a lo largo de décadas para intentar hacerla rentable y segura, sin un éxito claro (al menos, mientras el gas natural siga por debajo de 5€/MMBtu). Por razones estratégicas, políticas y militares, la energía nuclear contó con subvenciones prácticamente ilimitadas durante la mayor parte de su existencia, bajo la forma de I+D militar, facilidades y ayudas a su instalación, absorción de pérdidas operativas por parte del usuario o contribuyente y sostenimiento público de una miríada de necesidades asociadas como las densas redes de vigilancia radiológica o la presencia de funcionarios de la seguridad del estado para proteger sus locales.


Muchos de quienes ahora lamentan los muy limitados subsidios públicos para el desarrollo de la energía nuclear de fusión suelen olvidar que la de fisión fue íntegramente investigada en laboratorios estatales (casi siempre, militares), a costa del contribuyente; fue implementada a gran coste por compañías eléctricas entonces públicas (Soyuzatomenergo en la URSS, las derivaciones de Atoms for Peace en los EEUU, Central Electricity Authority en el Reino Unido, Electricité de France en Francia, etc); y ha sido operada bajo las condiciones de garantía estatal ya reseñadas. Entre 1947 y 1999, la energía nuclear comercial en los Estados Unidos recibió subvenciones directas (sin incluir el efecto de los trabajos militares o las ayudas asociadas) por importe de 145.400 millones de dólares: el 96% de los subsidios totales al desarrollo energético en ese país (por comparación, la solar/fotovoltaica recibió 4.400 millones y la eólica, 1.300 millones).


A pesar de todo este dispendio, medio siglo después, la energía nuclear de fisión sigue sin ser más que marginalmente rentable, y sólo en algunos casos. Céntimo arriba o abajo, viene a salir como el carbón, el gas natural o la eólica, con una inversión inicial mucho mayor; tanto, que sigue dependiendo de la buena voluntad estatal, como en las recientes garantías sobre créditos que acaba de asegurar Obama para la construcción de dos de los tres primeros reactores nucleares en los EEUU desde los años '70. En Europa, los reactores de nueva generación en Flamanville 3 y Olkiluoto 2 han incurrido ya antes de su terminación en graves sobrecostes, retrasos y advertencias de las autoridades de seguridad nuclear, que se terminarán saldando con más dinero público.

De los 56 reactores nucleares que se construyen en la actualidad, 40 (el 71%) están en China, Rusia, Corea del Sur e India: países con necesidad perentoria de energía para su desarrollo, sobre todo en regiones remotas o pobremente conectadas a las grandes redes internacionales por razones geográficas. Y 50 de ellos (el 89%) pertenecen a empresas estatales monopolísticas, generalmente con intereses en lo atómico mucho más allá del libre mercado energético: los consorcios CNNC y CGNPG de China, Atomenergoprom en Rusia, KHNP de Corea, NPCIL de India, NEK EAD de Bulgaria, Taipower (Taiwan), Energoatom (Ucrania), Nucleoeléctrica Argentina, AEOI de Irán y PAEC de Pakistán, lo que deja sólo seis promovidos por la iniciativa privada y sus riesgos, aunque sean riesgos tan protegidos, intervenidos y subvencionados como ya indiqué.

En la práctica, nadie en el mundo está dispuesto a arriesgar sus bienes en nuevas centrales nucleares sin acceso garantizado por una u otra vía al talonario del dinero público, lo que en Occidente viene constituyendo un ejemplo clásico de privatización del beneficio y socialización de las pérdidas. Fuera de Occidente ni siquiera se molestan en mantener este teatrillo: todo lo nuclear es estatal de hecho, y se entiende como inversión estratégica, nacional y geopolítica con un componente de mercado secundario, a veces casi irrelevante.

De hecho, la liberalización de los mercados eléctricos en Occidente complica la apuesta nuclear. Una compañía estatal monopolística puede estar razonablemente segura de cuál será su demanda de energía y el valor de la misma en el porvenir, por lo que puede destinar grandes inversiones a largo plazo con cierta confianza; mientras que un operador en el mercado energético liberalizado está sujeto a los vaivenes del mismo y las acciones futuras de sus competidores, por lo que contemplará esta opción tan costosa y comprometida con menos interés.

El caso particular del accidente nuclear.

Desde los siniestros de Windscale-Sellafield en el Reino Unido, TMI-2 en los Estados Unidos y Chernóbyl-4 en la Unión Soviética, la seguridad de las centrales nucleares se ha incrementado enormemente (con una inversión también enorme); en la actualidad, se nos hace difícil concebir un accidente a gran escala en un reactor atómico moderno.

Y sin embargo, afirmar que una obra humana no puede sufrir un desastre constituye una vieja insensatez. De manera accidental o deliberada, todo lo que hacemos las personas (de hecho, todo lo que ocurre en este universo) puede salir mal y, a veces, rematadamente mal. Las instalaciones nucleares, por modernas y sofisticadas que sean, no constituyen una excepción.

El problema radica en que las consecuencias potenciales tanto humanas como económicas de una catástrofe atómica son mucho más graves y extensas, en el espacio y en el tiempo, que el peor accidente posible en cualquier otra clase de planta generadora de energía. Si una central térmica a carbón o gas explota, pues explota, arde una semana y se acabó: la mayor parte del mal empieza y termina ahí. Si un pantano revienta, pues hasta aquí llegó la riada, pero al día siguiente enterramos a nuestros muertos y empezamos a vivir otra vez. Si un molino eólico se parte en pedazos, en el peor de los casos le romperá la crisma a algún desdichado. Etcétera.

Un desastre nuclear a gran escala constituye una clase completamente distinta de catástrofe. Nunca se han podido cuantificar con exactitud las pérdidas materiales ocasionadas por el embalamiento de Chernóbyl-4, pero se estiman generalmente en cientos de miles de millones de dólares, incluyendo la pérdida de extensas regiones agrícolas, y diversos autores apuntan que fue instrumental en el estancamiento económico que condujo al colapso político de la Unión Soviética.

Aunque el número de víctimas humanas ha sido y sigue siendo objeto de discusión entre anti-nucleares y partidarios de la energía nuclear tanto allá como acá, resultaron afectadas cientos de miles de personas en distintos niveles de gravedad. El número de casos de cáncer de tiroides se ha multiplicado en las zonas afectadas, sobre todo entre niños y adolescentes, y también se observa una mayor incidencia de leucemias, malformaciones congénitas y empeoramiento generalizado del estado de salud (aunque esto puede estar relacionado con la grave crisis sanitaria, de atención infantil y de calidad de vida que se experimentó en muchas de estas regiones tras el colapso de la URSS). Las cifras, pues, oscilan entre las 47 víctimas directas del desastre y decenas o cientos de miles a lo largo de décadas; un informe conjunto de la Agencia Internacional de la Energía Atómica, la Organización Mundial de la Salud y el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo calcula unas 9.000 muertes en total, mientras otros creen que este informe incluye subestimaciones groseras y apuntan cifras aproximadamente razonables entre 10.000 y 60.000 a lo largo de 80 años, con algunos subiéndose a la parra por encima de las 100.000. En todo caso, el número de personas afectadas por diversos males y reducción de su esperanza de vida se contará con toda seguridad en los centenares de millar.

La cuestión es que en Chernóbyl-4 tuvimos mucha suerte. Y tuvimos mucha suerte porque la central se encontraba en una región remota del país más grande del mundo, con lo que la mayor y peor parte de la radiación cayó sobre zonas escasamente pobladas. La cercana ciudad de Kiev, con sus dos millones y medio de habitantes, se salvó porque los vientos dominantes alejaron mucha radioactividad hacia el norte, hacia las inmensas extensiones agrícolas de Bielorrusia; un fenómeno de inversión térmica también evitó que lloviera durante las horas peores.

En Europa Occidental, donde los países son mucho más pequeñitos y la densidad de población es mucho mayor, una catástrofe de este tipo pondría a millones de personas bajo densas lluvias radioactivas en breves horas, sin muchos lugares a donde ser evacuadas rápidamente. Incluso una burda superposición a escala del mapa de España sobre el de la zona de deposición primaria del peligroso radioisótopo cesio-137 durante el accidente de Chernóbyl nos da una idea clara de lo que podría significar para un país como el nuestro:

 

Zona de deposición primaria de cesio-137 durante el accidente de Chernóbyl, con mapa de España superpuesto a escala.

El alcance en el espacio y en el tiempo de un accidente nuclear es muy superior al de cualquier forma convencional de producción energética, y este es un factor que, pese a todos los esfuerzos propagandísticos, permanecerá por mucho tiempo en la memoria de las gentes y de quienes toman decisiones.

La crisis económica global.

Estamos viviendo en la mayor parte del mundo la que probablemente sea la mayor contracción económica desde 1929. Este hecho ha cambiado el perfil de los mercados energéticos globales, y lo que hace apenas tres o cuatro años podía significar una apuesta clara por el renacimiento nuclear, ahora está más bien oscuro por una diversidad de motivos, y entre ellos dos muy notorios:

• La demanda energética global se ha estancado, y aunque esperan una pronta recuperación, ésta se prevé sobre todo en Asia (donde ya se está plantando la gran mayoría de los nuevos reactores). Como consecuencia, los precios del petróleo y el gas natural han regresado a sus tendencias habituales, lejos de las sacudidas especulativas de 2006 y 2007. A menos que los impuestos sobre el carbono para la prevención del calentamiento global se implanten en todo el mundo, esto significa que la situación que arrancó el renacimiento nuclear con tonos de urgencia ha desaparecido temporalmente, dando lugar a consideraciones más reflexivas. Con el petróleo por debajo de US$100/bbl y sobre todo el gas natural a menos de US$8-10/MMBtu, la energía nuclear no es realmente tan interesante, y aunque seguramente los combustibles fósiles terminarán superando esas cifras, no parece que lo vaya a hacer de manera tan inmediata como se temía hace tres años.
• La crisis financiera y crediticia juega contra los proyectos que requieren grandes inversiones iniciales y largo tiempo de amortización; este es el caso exacto de la energía nuclear de fisión.  El coste de instalación de una nueva central nuclear oscila entre 2.500 y 9.000 dólares por kW(e), con el reactor de Olkiluoto-2 a US$4.400/kW(e) en estos momentos y todas las estimaciones para las nuevas centrales nucleares norteamericanas por encima de 4.100. Moody's calcula el coste final total para instalar cualquier nuevo reactor nuclear occidental en 5.000 a 6.000 dólares por kilovatio. China asegura haberlo conseguido a 1.300 y 1.500 US$/kW(e), lo que sería realmente competitivo. Pero en Europa o Norteamérica, estos costes de capitalización inicial de varios miles de dólares tienen que competir con los 869 dólares de una central a gas natural (1.558 con captura de carbono) o los 2.567 del ciclo combinado del carbón (3.387 con captura de carbono) (fuente). Esto se traduce en créditos más fáciles de conseguir, por su menor importe y más pronta amortización, que además sufren menor incertidumbre política y comercial. Por no hablar de la década larga que transcurre desde que te planteas en serio hacer una hasta que escupe el primer vatio, debido a su enorme complejidad.

¿Independencia energética?

Se ha postulado insistentemente que la energía nuclear de fisión es una forma eficaz de conseguir la independencia energética frente a países productores potencialmente conflictivos. Sin embargo, la industria nuclear es extremadamente dependiente de un número muy reducido de países, lo que puede conducir de hecho a cambiar una dependencia energética por otra.

Las mayores minas de uranio, por ejemplo, sólo están en Canadá, Australia, Kazajstán, Rusia, Namibia y Níger: muchos menos países que productores de petróleo o gas. Si se opta por combustible reprocesado, únicamente hay reactores regeneradores a gran escala en Rusia.

Hablar de mercado libre del uranio es una especie de chiste. Para empezar, el uranio no se negocia libremente, por motivos obvios. Para continuar no existe un mercado del uranio, sino dos: uno en torno a Occidente (Australia, América, Europa Occidental) y otro más allá de lo que venía siendo más allá del Telón (Rusia, Kazajstán, Europa del Este, China); obsta mencionar el clientelismo y el intervencionismo político que existe en ambos. Como consecuencia, tampoco existe ni siquiera un precio unificado del uranio, más allá de las fantasías de algunos aficionados a apostar en futuros: las condiciones de la operación dependen rigurosamente de las relaciones geopolíticas globales entre comprador y vendedor. En la práctica, una compraventa de uranio es una operación política, no económica.

Algunos componentes esenciales para la construcción de grandes reactores nucleares, debido a la deslocalización industrial, sólo se fabrican en un número muy reducido de países. Este es el caso de las grandes vasijas de presión necesarias para la mayor parte de los diseños presentes de alta potencia, cuyos únicos fabricantes actuales son Japan Steel Works, China First Heavy Industries y OMX Izhora de Rusia, a las que se quieren sumar Corea del Sur, Francia y el Reino Unido. Pero hoy por hoy, por ejemplo, Westinghouse depende por completo de Japan Steel Works para sus nuevos reactores AP1000.

Por tanto, la energía nuclear aumenta la independencia energética en combinación con otras fuentes, pero sólo la sustituye e incluso la reduce en solitario.

Proliferación de armas nucleares.

La proliferación de la tecnología nuclear civil crea un sustrato científico, tecnológico, industrial y económico para la proliferación de armas atómicas. Esto sólo se puede evitar en el caso de estados absolutamente clientes de tecnología nuclear, meros compradores de lo que les quieran vender sin nada que decir ni en el diseño de reactores ni en el ciclo del combustible. En el momento en que un país desarrolla o adquiere tecnología nuclear propia, la producción de armas nucleares se vuelve un problema sencillo de resolver, sólo compensado por las inspecciones de la Agencia Interenacional de la Energía Atómica.

La mayor parte de reactores comerciales actuales están diseñados para que sea difícil producir material militar con ellos: por ejemplo, el VVER-1000/446 que los rusos le están montando a Irán es especialmente incómodo para producir en él plutonio u otras sustancias de uso corriente en armas nucleares. Pero la ciencia nuclear es una sola, y difícilmente distingue entre civil y militar. La fantasía consensuada de los materiales de doble uso oculta el hecho simple de que todo es de doble uso (aunque unas cosas sean más prácticas que otras, a veces con mucha diferencia).

Una vez has formado un par de generaciones de físicos, químicos y tecnólogos nucleares, tus lagunas teóricas para desarrollar armas nucleares –incluso de cierta sofisticación– son mínimas. Si en ese mismo tiempo has desarrollado una industria nuclear extensiva, sobre todo si has hecho incursiones en el ciclo del combustible, los problemas prácticos para construirlas son sólo una cuestión de tiempo, dinero y voluntad política. Quizá no hoy. Quizá no mañana. Simplemente, cuando te lo propongas y quieras pagar el precio.

¿Y entonces, por qué estoy a favor de la energía nuclear?

Por muchos motivos, aunque diversos acontecimientos de los últimos meses me conducen a tenerlo cada vez menos claro. En primer lugar, porque es una energía práctica: plantas una central nuclear y se lía a tirar vatios con independencia de tus yacimientos energéticos, tu situación geopolítica o incluso tu red de distribución. Mira qué barquitos más monguis se están planteando los rusos para garantizar el suministro en zonas remotas.

En segundo lugar porque, no me fastidies, tira vatios sin parar aunque no haga viento, aunque no salga el sol, o aunque haya problemas de suministro con el petróleo o el gas o lo que sea. Es una energía fiable y sin estacionalidad de ninguna clase.

En tercer lugar porque, en el largo plazo y con contratos asegurados y garantizados por el estado, no es mucho menos rentable que la energía producida por medios convencionales. Porque su contribución a la independencia energética, aunque mucho menor que la asegurada por sus defensores, es real en combinación con otras fuentes de energía. Y también porque en las últimas décadas se ha ido volviendo muy segura, mucho más de lo que era en los '60, '70 y '80. Las probabilidades de un accidente nuclear a gran escala son hoy en día realmente bajas. ¿Nulas? No, nulas no. Los seres humanos siempre somos capaces de convertir una máquina que funciona perfectamente en un cráter humeante.

Como en cualquier otra cosa, la prudencia y oportunidad de la energía nuclear debe obedecer a un cuidadoso estudio de los riesgos y beneficios potenciales para cada caso determinado, bajo estrictos reglamentos de seguridad; no a la histeria de unos y la propaganda de otros. En todo caso, que nadie espere virguerías. El problema es que entonces las cosas dejan de estar claras y entramos en la difícil zona de los matices de gris, ya no es un partido Real Madrid vs Barça, ni nada utilizable en una diatriba PSOE-PP, ni una cuestión de buenos y malos o listos y tontos; se convierte en un complejo problema económico, político, científico y tecnológico, y eso no le interesa a los manipuladores de masas. Pero sí debería interesarnos a todos los demás, porque nuestro futuro depende en buena medida de las fuentes energéticas por las que optemos. Y la energía nuclear puede ser, o no, una de ellas.

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