Con galaxias y a lo loco

Un sorprendente descubrimiento sobre el universo y su dinámica, las claves del sistema inmunitario y una simetría de cristales que tiró por tierra las teorías vigentes, merecen este año los galardones de mayor prestigio en ciencias. Cinco especialistas españoles explican los méritos de sus distinguidos colegas en física, química y medicina

En el horno la masa de un pan de nueces se expande, pero las nueces no. Del mismo modo, observamos que el universo está en expansión: las galaxias tienen tamaños estables, pero el espacio entre ellas se estira. Mirando el universo desde cualquier galaxia, astrónomos de aquí o de allá podrían pensar que ellos están en reposo mientras que los demás se alejan, más velozmente cuanto más lejos estén. Pero esta velocidad es solo aparente: las nueces no se desplazan, es la masa la que se hincha. Edwin Hubble, en 1928, se hizo famoso por descubrir la expansión universal, aunque lo más novedoso de su publicación fuese el bello título: El Reino de las Nebulosas (o galaxias). En su favor diré que era un gran futbolista... pero eligió ser astrónomo. Los salarios relativos no eran lo que son.

Si pidiera un litro de futura supernova le darían una botella de dos toneladas Lo único capaz de acelerar la expansión del universo es su energía oscura

Para comentar el descubrimiento premiado este año con el Nobel conviene ir pasito a paso. La expansión del pan es algo más fácil de visualizar que la del cosmos. La entendemos (esta última) en el contexto de la teoría de la gravitación de Einstein, o Relatividad General, comprobada -a escalas menores que el universo- con precisión asombrosa. El pan se expande en el espacio que lo circunda, pero el universo no. El espacio y el tiempo son propiedades intrínsecas del universo y nacieron con él. La frase "al norte del Big Bang" es aún más indefendible que la de "antes del mismo".

Otros pasitos: una supernova es una estrella que explota; su luminosidad aumenta hasta competir con la de una galaxia entera. Las supernovas más luminosas -visibles hasta mayor distancia- son de tipo Ia, apodadas SN Ia. Tienen masas tan grandes como la del Sol pero, antes de explotar, son tan pequeñas como la Tierra. Consecuentemente, son muy densas: diga "póngame un litro de futura SN Ia" y le darán una botella de dos toneladas de masa.

Al parecer, las SN Ia explosionan al volverse inestables tras haberse zampado parte de otra estrella muy cercana. No está demasiado claro por qué, pero una virtud de estas supernovas es que su luminosidad es (con pequeñas correcciones) fija o estándar. Si tuviéramos un tren estándar (que pitase siempre con la misma nota e igual de fuerte) podríamos saber cómo está de lejos y a qué velocidad va, midiendo la intensidad y frecuencia de su pitido; lo oímos más flojo cuanto más lejos está, más grave cuanto más raudo se aleja. Pues con la luz de las supernovas, igualito. Uno puede medir la distancia y la velocidad aparente de las galaxias en las que las SN Ia están. Midiendo docenas de ellas, desde cercanas a muy lejanas, se consigue reconstruir buena parte de la historia de la expansión del universo. Historia porque mirando lejos miramos al pasado, la luz tarda en llegar.

La mitad del Nobel de Física de 2011 le ha tocado a Saul Perlmutter, líder de un grupo de cazadores de supernovas y sendos cuartos a Brian Schmidt y Adam Riess, del grupo competidor. No se hubieran repartido el Gordo si el resultado no fuese inesperadamente loco: el universo no solo se expande, sino que está acelerando. Cuando lo anunciaron, en 1998, hasta a ellos les costaba creérselo.

Más pasos: a una bola de billar le basta su inercia para moverse a velocidad constante, un cohete necesita algo que lo acelere. Evitando discutibles imitaciones, lo único capaz de acelerar la expansión del universo es su energía oscura, que Einstein inventó bajo el nombre de constante cosmológica. Esa energía sería la del vacío, lo que quedaría en el cosmos si pudiéramos sustraerle toda la materia y radiación que contiene. Que el vacío sea distinto de la nada es fascinante, que pueda ejercer sobre sí mismo un efecto gravitacional repulsivo que acelere el universo... lo es más. Pero la mayor sorpresa surge de la combinación de los datos de las SN Ia con otros, en particular los de la radiación cósmica de fondo, que nos llega de cuando el universo era un jovencito de 379.000 años de edad, unas 36.000 veces más joven que ahora. En promedio, la energía del vacío contribuye un 75% de la densidad de energía del universo, el resto es materia, de la cual solo 1/5 es la ordinaria, de la que nosotros y las estrellas estamos constituidos.

También le atribuimos al vacío, por el llamado mecanismo de Higgs, la generación de la masa de las partículas elementales, solo las partículas de luz tienen masa nula. Una vibración de la sustancia del vacío sería el tan buscado bosón de Higgs, que algunos madridistas llaman la partícula de Mou. Pero el valor medido de la constante cosmológica y el que uno sospecharía a partir del mecanismo de Higgs discrepan enormemente, paso atrás.

Ultimo paso: el universo visible es una parte del universo, puesto que solo podemos ver hasta el horizonte: allá desde donde le ha dado tiempo a la luz a llegarnos desde que el cosmos nació. Por eso, el año pasado el universo visible era un año-luz más pequeño que hoy (incluso más, ya que se está expandiendo). La parte del universo que aún no vemos se está alejando de nosotros a una velocidad (¡aparente!) mayor que la de la luz, que es la máxima a la que podemos enviar información de un lugar a otro. ¡Pero del universo hoy invisible no nos llegará información hasta que lo veamos!

Si los neutrinos pudiesen viajar más rápido que la luz, como los autores del experimento Opera han anunciado recientemente, la explicación más razonable -de lejos- sería que las leyes de la relatividad fueran válidas para todo ente... menos el vacío. Pero los resultados de Opera, si así fuera, serían inconsistentes consigo mismos. Por ahora, opino, Einstein puede reposar tranquilo, aunque su energía oscura aún no esté del todo clara.

Álvaro de Rújula es científico del Instituto de Física Teórica del CSIC en la Universidad Autónoma de Madrid y del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN).

1. ¿Qué es una supernova y una SINa? Explícate.

Son las estrellas moribundas que explotan y mantienen una luminosidad constante.

2. Que dicen las estrellas SNIa del universo?

Al estudiarse las ondas de luz que desprenden nos proporcionan gran información sobre la distancia y velociadad de las galaxias su aceleracion y el aumento del espacio aperente

3. ¿Cuándo se ralentizó y cuando se aceleró la expansión del Universo?
El universo se reletiza hace 5.000.000 millones de años la gravedad lo relentiza pero la energia oscura hace que lo acelere.

4. ¿Quién se opone a la expansión del Universo y qué es lo que acelera?
El universo si le quita la materia y la luz se opone el efecto que realiza la energia oscura.

5.¿Es visible todo el Universo desde la Tierra? ¿cómo varía?

No es visible la totalidad del universo pues solo podemos ver hasta donde llega la luz, si el universo se expande a una velocidad mayor no podemos llegar a verlo solo hasta donde la luz llega.

6. ¿Realmente las galaxias se alejan más rápidamente cuanto más lejos se encuentran?
Crece el espacio y la velacidad y el espacio son aparente.

7. ¿El universo, el espacio y el tiempo siempre han existido?
 El universo ,el tiempo y el espacio nace atravez del bing bang de la gran explosion.

No pues son propiedades intrínsecas del Universo, antes de existir el universo no habría espacio ni tiempo.

Cuasicristales, osadía, tesón y belleza

Belleza es sinónimo de simetría, de orden, y de eso va la cristalografía. Los cristales no son otra cosa que apilamientos ordenados de pedacitos idénticos de materia (átomos, moléculas, macromoléculas ...). No vemos ese orden íntimo porque esos pedacitos de materia son demasiado pequeños para nuestros ojos, e incluso para nuestros microscopios, pero podemos reconocer el resultado de ese orden regular en las subyugantes y angulosas formas externas de los cristales. Y podemos notarlo a diario por las propiedades derivadas de ese orden interno: en alimentos que comemos, en medicinas que tomamos, en dispositivos tecnológicos que usamos, o en los huesos que nos mantienen erguidos. Casi todo está basado en cristales.

El mundo que tenemos ahí afuera cada vez se revela menos clasificable

¿Cuántos tipos de cristales existen? Es decir, ¿de cuantas formas distintas puede ordenarse la materia? Aunque parezcan ilimitadas, lo cierto es que son muy pocas las opciones para rellenar ordenadamente un espacio repitiendo periódicamente una misma pieza. Por ejemplo, si queremos rellenar una superficie lo podemos hacer con rectángulos, con triángulos, con cuadrados o con hexágonos, pero no con pentágonos. Por eso no venden losetas pentagonales, o si las venden, se combinan con los rombos necesarios para rellenar los inevitables huecos entre pentágonos. Desde el siglo XIX, la cristalografía goza de una preciosa demostración de que hay únicamente 17 formas distintas de alicatar una superficie, formas que se pueden disfrutar visitando la Alhambra, ya que eran conocidas por los geómetras árabes. Y también se demuestra que sólo existen 230 formas distintas de empaquetar periódicamente un volumen con unidades idénticas. Ni una más, ni una menos.
Los cristalógrafos comprobamos ese orden cuando iluminamos un cristal con un haz de electrones, neutrones o rayos X. Entonces el cristal genera (difractando la luz) bellas constelaciones de puntos que muestran la simetría del ordenamiento. Y siempre esas constelaciones coinciden, como manda la teoría, con una de las 230 formas distintas de empaquetamiento. Siempre con simetría de orden uno, dos, tres, cuatro o seis. Nunca con ejes de rotación de orden cinco, ni más de seis.
Hace 29 años, durante una estancia sabática en Estados Unidos, el israelí Daniel Shechtman realizaba uno más de los estudios de difracción que se hacen a diario, cuando observó que su constelación de puntos tenía una simetría de orden cinco: ¡pentágonos! Un científico que no mereciera un Nobel habría pensado que había cometido un error, y se hubiera olvidado de ello. Dan Shechtman no. Lo revisó una y otra vez y se lo contó a sus colegas de laboratorio. Ellos le dijeron que eso era imposible y que él debería saberlo. Repitió los experimentos, comprobó una y otra vez los resultados y trató de publicarlos sin éxito. Los publicó dos años después con ayuda de otros colegas.
Les asaetearon con duras críticas, incluyendo la de cristalógrafos y químicos tan excelsos como Linus Pauling, dos veces laureado con el Nobel. ¡Cómo iba a ser errónea una teoría cerrada y probada durante más de un siglo! Le resultó difícil seguir investigando, pero no cejó en el empeño.
Más tarde, otros colegas descubrieron muchos más casos similares que también rompían la simetría canónica de la cristalografía. La explicación estaba en algo que los matemáticos habían encontrado unos años antes: que las superficies y los volúmenes pueden rellenarse completamente siguiendo pautas regulares pero no necesariamente, periódicamente perfectas. Por ejemplo, pueden hacerlo con simetría de dilatación, siguiendo pautas como la serie de Fibonacci, ligada al famoso número de oro, para algunos el canon geométrico de belleza.
Lo que Shechtman había encontrado eran los primeros materiales que -contra todo pronóstico- estaban ordenados cuasi periódicamente, es decir, los cuasicristales. Ya se le busca a este descubrimiento aplicaciones como materiales antiadherentes, aislantes y en la fabricación de aceros de alta tecnología. Pero eso cuenta poco en este caso. Lo que importa es que la tenacidad de este israelí ha roto una teoría considerada cerrada, intachable e intocable, mostrando que aún le queda larga vida a la cristalografía y que el mundo que tenemos ahí afuera, cada vez se revela menos discreto, menos compartimentado y clasificable y más continuo de lo que parecía.
Este Nobel de Química es un premio a la mera curiosidad, el motor de todo descubrimiento. Y también una llamada de atención para los jóvenes científicos. Como el propio Shechtman aconseja, "si encuentras algo radicalmente nuevo, defiéndelo". Te lloverán las críticas, y serán más duras cuanto más heterodoxo sea tu hallazgo. Si estás en lo cierto, al final te darán la razón. Y si no, todos habremos aprendido mucho en el camino.
es investigador del CSIC y director del Master on Crystallography and Crystallization del CSIC y la Universidad Internacional Menéndez Pelayo.
Juan Manuel García Ruiz

1. ¿Como se estudian los cristales si no podemos verlos?
Mdiante una radiografia  y rayos x sobre el cristal se ilumina y se aprecia los puntos simetricos de los cristales.

2. ¿Qué descubrió Daniel Shehtman y como se lo tomó?

Que los átomos estaban ordenados en forma pentagonal cosa que era imposible, pues se oponía a la hermética teoría de la cristalografía. Pero Shetman lo reviso, y al no ver cambios lo intento publicar, hasta que lo consiguió

3.¿Como se explica su descubrimiento?

Las cristalógrafia estudia los ejes simetricos de 1,2,3,4,6 en el ordenamiento de las constelaciónes descrubriendo un 5 eje. 
4. ¿Cual es la importancia de su descubrimiento?
 
Habia roto una teoria fundada hace un siglo ya establecida en la se fundaba los quasicristales.
5. ¿Qué le recomienda a los jóvenes investigadores?
El descubrimiento de algo nuevo hay que defenderlo hasta el final.