La fórmula más bella de la historia conecta a Einstein y a Kim Jong-un

Centrémonos por un momento en esas curiosas entidades que llamamos átomos que componen toda la materia de la que tenemos constancia en el universo. Todos ellos tienen una estructura similar: un núcleo rodeado de una nube de electrones.

Para entender a Einstein

Este texto es un capítulo del libro Para entender a Einstein. Una emocionante aproximación a E=mc² (Blackie Books), de Christophe Galfard, un divulgador científico francés que fue alumno de Stephen Hawking. En este nuevo volumen, Galfard, con un lenguaje totalmente asequible, se propone llevar de la mano al lector a conocer la teoría de la relatividad de Einstein: cómo surgió y cómo logró cambiar la historia del siglo XX.

Tenemos constancia de 95 átomos que se dan de forma natural en el universo. El menor de ellos es el hidrógeno, seguido del helio; el carbono es el número 6, y el oxígeno, el 8. El hierro es el 26. El oro, el 79.

Los núcleos atómicos están compuestos de dos tipos distintos de piezas más minúsculas todavía: los neutrones, que no tienen carga eléctrica (de ahí su nombre), y los protones, que tienen carga positiva.

Bien: todo elemento, como el carbono, el oro, etcétera, se caracteriza por el número de protones que contiene su núcleo atómico. El núcleo del hidrógeno solo tiene 1. El helio tiene 2. El carbono, 6, el oxígeno, 8. El hierro, 26. El oro, 79. Creo que entiendes cómo funciona.

Para construir un núcleo, básicamente, hay que juntar protones y neutrones. Pero no es tan sencillo como parece, porque los protones, al tener carga positiva, se repelen mutuamente. Consecuentemente, es necesaria una cantidad ingente de energía para juntarlos, del mismo modo que hace falta ser muy fuerte para acercar el polo positivo de un imán a otro polo positivo (de conseguir que se toquen mejor no hablamos).

Sin embargo este es precisamente el punto: en el mundo de lo muy pequeño, nuevas fuerzas hacen acto de presencia.

Tanto los neutrones como los protones están compuestos de partículas aún más pequeñas, llamadas quarks. Por lo que sabemos en la actualidad, ahí se acaba todo. Los quarks no están hechos de partículas aún más diminutas. Son elementales. Y existe una fuerza muy especial que mantiene unidos a los quarks para poder formar los protones y neutrones. Recibe el nombre de fuerza nuclear fuerte.

Y resulta que esa fuerza fuerte, en distancias muy, muy pequeñas, es mucho más potente que la repulsión electromagnética.

Es como si, habiendo tenido que luchar a brazo partido para acercar entre sí los polos positivos de dos imanes, una vez alcanzada una distancia mínima crítica estos empezasen a atraerse mutuamente; llegados a este punto, ya no tendrías forma de volver a separarlos.

Eso es exactamente lo que sucede en los núcleos atómicos: una lucha entre el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte. Y a todo o nada. Nunca hay empates. Quién gana y quién pierde es simple cuestión de distancias.

Ahora bien: la fuerza fuerte afecta no solo a los propios quarks, sino también a los protones y neutrones. Los científicos lo llaman fuerza residual, y une los protones y neutrones igual que une los quarks. Mientras los neutrones y protones no estén demasiado alejados unos de otros, la fuerza residual sigue siendo más fuerte que la repulsión electromagnética, lo que mantiene los núcleos de casi todos los átomos de la naturaleza seguros y agrupados. De no existir esa fuerza, los núcleos de los átomos estallarían, porque los protones se repelerían entre sí, y nosotros no habríamos existido nunca. Pero existimos. De lo que se deduce que no estallan. Y sin embargo, dado que todo es cuestión de distancias, podrían estallar.

Las consecuencias serían, cuando menos, espectaculares.

En 1939, los físicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann publicaron el extraño resultado de uno de sus experimentos. Puesto que todos los núcleos atómicos están compuestos de neutrones y protones, a Hahn y Strassmann se les ocurrió que, si añadían con mucho cuidado un neutrón al núcleo de uno de los átomos conocidos más pesados, el uranio, crearían un nuevo átomo más pesado que el uranio. Pero no fue eso lo que consiguieron. Al lanzar un neutrón a baja velocidad contra su objetivo, no obtuvieron un núcleo más grande, sino varios de menor tamaño. Aquello los pilló tan desprevenidos que decidieron esperar algún tiempo antes de publicar su descubrimiento. Todavía desconcertados, lo hicieron por fin, y alguien comprendió de inmediato lo que había sucedido. La física austrosueca Lise Meitner supo ver que, al lanzar un neutrón contra el núcleo, Hahn y Strassmann habían dado al traste con el equilibrio interno del núcleo, modificando la fuerza que controlaba el conjunto y dividiendo el átomo de uranio.

Meitner comprendió también que la división había creado dos neutrones por cada neutrón utilizado, además de una cantidad enorme de energía, lo que abría las puertas a una reacción en cadena.

Una bomba.

No es difícil imaginar que cuando se trocea una gran concentración de neutrones y protones, se liberan algunos neutrones. La pregunta, con todo, es: ¿de dónde salió la energía?

Lise Meitner interpretó que salía de E=mc².

Efectivamente, la masa puede transformarse en energía.

Pero para entender mejor qué masa se convierte en pura energía, echemos otro vistazo a los núcleos de los átomos. ¿De qué está hecha la energía de algo tan minúsculo? De dos cosas: una es la masa normal, la otra la energía de enlace nuclear. Según E=mc², es posible traducir esa energía de enlace en su equivalente de masa. Una masa de enlace, podríamos decir. En ese caso, la masa efectiva total de todos los núcleos es la masa normal a la que estamos acostumbrados más la masa de enlace. Eso es lo que mide en realidad una báscula. Tu peso es la suma de esos dos elementos.

Ahora bien, si tomamos un núcleo de gran tamaño, como el de un átomo de uranio (que tiene 92 protones y 143 neutrones) y lo dividimos, obtendremos dos núcleos de menor tamaño. Sucede, sin embargo, que la energía de enlace necesaria para mantener íntegro el uranio es mayor que la suma de las energías de enlace de los dos núcleos menores que has obtenido. Dicho de otra manera, la fisión del uranio conlleva una pérdida de masa de enlace, que se transforma en pura energía por obra y gracia de E=mc². Ahí está el origen de la energía que irradian los materiales radioactivos, que se aprovecha en reactores atómicos o que liberan las bombas atómicas. Es la razón por la que E=mc² es tan conocida. Pero esto solo es aplicable a los núcleos grandes.

Más información

España se arriesga a perder la carrera por el gran acelerador de fusión nuclear

La energía nuclear entra en la ‘crisis de los 40’ antes de tiempo

El imán “más complejo” del mundo pesa 300.000 kilos y mide 14 metros

En el caso de los pequeños sucede justamente lo contrario.

Si tomas dos núcleos pequeños y los fusionas para crear otro mayor, la energía de enlace del núcleo grande que obtienes es menor que la suma de los dos núcleos con los que empezaste. Eso quiere decir que, en el caso de los átomos pequeños, la masa no se pierde al dividirlos, sino al fusionarlos. El fenómeno opuesto a la fisión.

Eso es lo que sucede en el núcleo de las estrellas.

Las estrellas fusionan núcleos atómicos pequeños en su interior para crear otros mayores, y la masa que se pierde en el proceso, una vez convertida en energía por virtud de E=mc², es lo que hace que brillen.

E=mc² explica de qué forma generan energía las estrellas, fusionando núcleos atómicos para crear la materia de la que estamos hechos. Al hacerlo, a partir del hidrógeno y el helio crean átomos de mayor tamaño hasta llegar al de hierro. Más allá de este, la fusión consume, y no libera, energía, de modo que todos los elementos que nos rodean y son más pesados que el hierro, como el oro, no se forjan durante la vida de una estrella, sino con la muerte de esta, cuando parte de la inmensa energía que se libera durante su explosión se emplea en crear los átomos pesados que conocemos.

E=mc² es el motivo por el que la materia de nuestro universo se crea y se destruye.