En la ciencia hay ideas que logran confundir a muchas personas, incluso a las que pasan toda su vida dedicándose a entenderlas, como el hecho de que los constituyentes del universo que conocemos se comporten diferente, según su tamaño.
El mundo de todas las pequeñas partes a nuestro alrededor, donde habitan los átomos, moléculas y partículas subatómicas, es llamado universo microscópico. Las cosas que podemos ver a simple vista y a gran escala, incluyendo estrellas, planetas y galaxias, forman lo que se llama universo macroscópico.
Es curioso cómo las leyes de la física, que nos dicen como se comportan los componentes de estos dos mundos, como un electrón o una galaxia, resultan ser tan diferentes e incluso contradictorias. Sin embargo, en medio de estas diferencias encontramos casos en los que podemos describir el comportamiento de elementos del mundo macroscópico utilizando las leyes que rigen el mundo microscópico, esto es, la mecánica cuántica. Un ejemplo impactante es el hecho de que cierto objeto astronómico pueda existir debido a un efecto cuántico, es el caso de las estrellas de neutrones.
La muerte de una estrella
Cuando una estrella muere, el universo no lo lamenta; simplemente se prepara para un nuevo comienzo. En medio del silencio cósmico, tras una explosión violenta, según la cantidad de materia que conformaba a la estrella progenitora, pueden seguirse diferentes destinos.
Cuando una estrella de masa mayor a unas ocho veces la del Sol, consume todo su combustible en su núcleo, ya no puede seguir generando energía para contrarrestar su propio peso, para sostenerse. El equilibrio se rompe. Entonces, su núcleo comienza a aplastarse, encogiéndose de forma violenta por la fuerza de su propia gravedad, que siempre quiere hacer que todo se junte, que suceda un colapso gravitacional. Después, la estrella explota como una supernova, liberando más energía en segundos, que el Sol en toda su vida. Fruto de esto encontramos al núcleo comprimido, tan denso y compacto que desafía la lógica.
En ese núcleo comprimido la gravedad es tan intensa que los protones y electrones, que normalmente se mantienen separados, se ven forzados a unirse. Al hacerlo, forman neutrones y liberan neutrinos, partículas fantasmales que atraviesan la materia como si nada. Así comienza el nacimiento de una estrella de neutrones. Este “aplastamiento” no se detiene hasta que los neutrones, ya sin espacio, se “rebelan”. Aquí es donde entra en juego una de las leyes más extrañas, pero fundamentales de la física cuántica.
El Principio de Exclusión de Pauli
Wolfgang Pauli, de quien se dice que era un físico arrogante, pero brillante, siempre racionalizaba sus ideas a través de un lenguaje matemático riguroso. Sin embargo, hubo una ocasión en la que su genial intuición y creatividad consiguieron sobreponerse al afán racionalizador.
Así, Pauli logró formular una regla que cambiaría la forma en que entendemos el universo: “Dos partículas llamadas fermiones (como los electrones, protones o neutrones) no pueden ocupar exactamente el mismo estado cuántico al mismo tiempo”. Para entender esto, imaginemos lo siguiente, que en una fiesta cósmica ningún invitado pudiera usar el mismo traje, ni bailar la misma canción, ni estar en la misma pista a la vez. Cada partícula necesita su propio espacio cuántico. Este principio es el que estructura los átomos, y por lo tanto, toda la materia que conocemos, además cumple un papel crucial en el momento más crítico del nacimiento de una estrella de neutrones: evita que los neutrones sean aplastados completamente, porque no pueden estar todos en el mismo estado.
De forma impresionante el colapso se frena, la gravedad ya no puede seguir apretando el núcleo, porque las leyes cuánticas lo impiden, una estrella de neutrones ha nacido. Obtenemos un objeto del tamaño de una ciudad (aproximadamente 10 km de radio) que pesa más que dos soles. Toda esa masa comprimida en un volumen tan pequeño crea uno de los objetos más densos del universo.
Estrella de neutrones
Una estrella de neutrones existe porque una ley cuántica se impone sobre el poder gigantesco de la gravedad. La astrofísica y la cuántica, que podrían parecer mundos separados, se entrelazan como si fueran dos partes de un mismo enigma. El destino final de una estrella gigantesca depende de la imposibilidad cuántica de que dos partículas sean iguales, es como si la estructura de un lago dependiera de una ley que prohíbe que dos personas usen el mismo sombrero.
El universo es tan fantástico que al mirar el cielo podemos presenciar como algunas estrellas no mueren en silencio, sino que se convierten en enigmas cuánticos, en faros invisibles que nos susurran desde el abismo del espacio-tiempo. Y todo eso ocurre porque, en el universo, ninguna partícula puede ocupar el lugar de otra.
Más información:
Caballero Carretero, J. A. (2014). El espín: Pauli. Los electrones bailan. RBA Coleccionables / National Geographic.
García, F. (2012, junio). Estrellas de neutrones o neutrones estrellados. Boletín Radioastronómico, 10(37), 1-8. Instituto Argentino de Radioastronomía. http://tux.iar.unlp.edu.ar/boletin/bol-jun12/neutrones_estrellados-2.pdf
