La misteriosa relación entre los móviles y el Big Bang

¿Qué tienen que ver las baterías de los móviles con los comienzos del universo? Para contestar a esa pregunta, hagamos un viaje fantástico. Imaginemos que hace 20 segundos que empezó todo. Cuando digo “todo”, me refiero al universo en sí. Cuando escribo “empezó”, quiero decir que incluso el tiempo comenzó su existencia tal y como lo conocemos hoy (o pensamos que lo conocemos). Estamos a 20 segundos del Big Bang. En ese momento, la temperatura de todo el universo es de 1.000 millones de grados, casi 100 veces mayor que la temperatura del interior del Sol, y que solo se alcanza en algunas estrellas durante breves periodos explosivos. La densidad de todo el universo en ese momento es de unos 10.000 kg/m³, que tampoco es tan alta, decenas de veces menor que la del interior del Sol, e incluso menor que lo más denso que tenemos en la Tierra, el osmio o el iridio.

La comparación con el Sol no es baladí. La temperatura y densidad son tan extremas en ese universo recién nacido (aunque el concepto de nacer es extraño, no empieza su vida en un entorno, es el entorno en sí) que es altamente probable que las partículas choquen y se fusionen, como en el Sol. Y, de nuevo, muy parecido al Sol, las partículas de materia normal que hay en esas condiciones son fundamentalmente protones, neutrones, y electrones, bañadas por un mar de fotones, neutrinos y otras partículas más exóticas (tan exóticas que algunas no tienen masa). Justo cuando se cumplen 20 segundos del reloj cósmico, las fusiones son tan probables como las fisiones. Efectivamente, hay protones y neutrones que se encuentran, chocan y se unen para formar otras partículas, que llamamos átomos. Más en concreto, núcleos de átomos, porque los electrones tienen demasiada energía para ser atraídos por los núcleos, y pasarán así cientos de miles de años. De igual manera, a la temperatura y densidad que mencionábamos, los átomos también chocan y se dividen, liberando los protones y neutrones, o conjuntos de ellos.

Pero hay una diferencia clave entre ese universo de 20 segundos y el interior del Sol. Mientras nuestra estrella es estable, y la temperatura, densidad y tamaño permanecen bastante constantes mientras se crea energía en las reacciones de fusión, el universo no es nada estable en una propiedad: el espacio-tiempo se expande, su volumen cada vez es más grande. Si el contenido del universo no cambia (tampoco puede coger nada de otro sitio, ni soltarlo, es “todo” lo que existe), y el volumen crece, entonces la densidad, que es masa dividida por volumen, disminuye. Eso significa que cada vez es más difícil que las fusiones y fisiones ocurran, muchos átomos ya formados no pueden ser destruidos. Y llegará un momento en que no se formen más átomos, todo el pescado estará vendido en esa etapa del universo que llamamos de la nucleosíntesis del Big Bang. BBN es como se suele escribir, los físicos somos vagos y usamos muchos acrónimos (la mayoría, provenientes del inglés, como este caso).

El viaje que describo, más que hecho por una persona, es el viaje del universo entero. ¿Y qué pruebas tienes de que ese viaje existió? Pues con sus “fotos de recuerdo”, que en este caso identificamos con mucha dificultad. Y aquí es donde entran en juego las baterías de nuestro título. El proceso de formación de núcleos antes de que las estrellas entren en juego, solo debió de ser capaz de crear átomos con 2 protones, que define al elemento llamado helio, 3 protones, que es litio, y alguno de 4 protones, que es berilio. Además de esos tres tipos de elementos, al que se une el elemento con un solo protón, que es el hidrógeno, se debieron formar núcleos de cada elemento con distinto número de neutrones. Por ejemplo, átomos de hidrógeno con un protón y un neutrón, que se llama deuterio, o con un protón y dos neutrones, que es el tritio. O elementos con dos protones y dos neutrones, que se llama helio-4, la forma más normal del helio, que también puede aparecer como helio-3, que son dos protones y un neutrón. O elementos con cuatro protones y tres neutrones, que se llama berilio-siete, y es el isótopo de ese elemento que se debió formar en esa BBN.

¿Por qué no se formaron otros elementos? ¿Cuántos átomos e isótopos de cada tipo se formaron? ¿Cuánto duró esta etapa del universo? ¿Qué pasó con los átomos que se crearon en ese momento en el resto de la historia del universo? Para responder a esas preguntas hay que conocer múltiples cosas y formar una teoría que las aúne y sea comprobable. Tenemos que conocer propiedades generales del universo, como la evolución de su temperatura y densidad, que en realidad es conocer bien la expansión en esos primeros momentos del cosmos. Esos datos son esenciales para saber cuán probables son los encuentros entre partículas. También debemos saber propiedades físicas que podemos estudiar en un laboratorio, como cuán probable es que un protón y un neutrón se unan para formar deuterio, o cómo depende esa probabilidad de la energía de las dos partículas (que depende de la temperatura). También hay que conocer las reacciones para todos los demás átomos, aunque el trabajo de laboratorio se complica porque para formar helio-4, por ejemplo, puedes hacerlo con un choque de helio-3 con un neutrón, o uniendo dos deuterios, o destruyendo un berilio-7, los métodos de formación relevantes ya son varios.

La cosa no se queda ahí, las cantidades de hidrógeno “normal”, y de deuterio, helio-3, helio-4 o berilio-7 formadas dependen de cuántos protones y neutrones había al principio del proceso, que sumados dan toda la masa de materia normal del cosmos. Y también se debe considerar que los neutrones son muy inestables, solo duran unos diez minutos antes de desintegrarse en un protón y un electrón (y otras partículas), a no ser que se unan con protones en un núcleo atómico, que los hace mucho más estables. Aunque no completamente, algunos núcleos son muy inestables también, radiactivos decimos, como es el caso del berilio-7. Todo el proceso de BBN depende también de cuántos fotones había en el universo y su energía. ¡Un montón de distintos ingredientes!

Como decíamos, si aunamos todo nuestro conocimiento en una teoría, debemos ser capaces de comprobarla con datos. Y aquí entra la parte astrofísica y la relación con los móviles. Nuestra teoría de la nucleosíntesis del Big Bang predice que el proceso duró unos veinte minutos y que el 75% de la masa que suman todos los átomos creados estaba en forma de hidrógeno (es decir, protones que “sobraron”), y prácticamente todo lo demás fue helio, salvo un 0.01% de deuterio y helio-3 y una mil-millonésima parte de litio. Esas son las conocidas como abundancias del BBN.

Las abundancias de hidrógeno y helio que hoy observamos y medimos, considerando adecuadamente los elementos que las estrellas han ido formando y las muy pequeñas variaciones que han sufrido por el paso del tiempo por otros procesos, son extremadamente parecidas a lo que predice la teoría del Big Bang. También las abundancias de deuterio y helio-3. Pero no así las abundancias de litio: en el universo hoy debería haber unas tres veces más litio del que hay o, al menos, del que medimos que hay.

El litio, que es esencial para fabricar las baterías de nuestros móviles y de otros dispositivos que usan pilas recargables, como portátiles o coches eléctricos, es mucho menos abundante de lo esperado. ¿Por qué? Una posible respuesta es que hay algo que no cuadra en la teoría del Big Bang, algo no entendemos de cómo se comportó el litio en la BBN o después. Alternativamente, quizás más probable, nuestras medidas de las abundancias de litio en el universo de hoy (14.000 millones de años después de esos 20 segundos primigenios de la BBN) están mal por algún fenómeno que no hemos tenido en cuenta. Las empresas que fabrican baterías deberían estar atentas, seguramente tiene que haber mucho más litio por ahí pululando. Ahí hay negocio (y ciencia básica).