Al observar hacia el cielo, resulta inevitable preguntarnos: ¿cómo es posible que un objeto nos dé luz?, en un intento por responder esta pregunta, es necesario explicar lo primero: el Sol es una enorme esfera de plasma que se encuentra a unos 150 millones de kilómetros de distancia. Es nuestra fuente principal de energía y responsable de mantener las condiciones que permiten la vida en la Tierra.
Cuando le preguntas a niños: ¿cómo creen que funciona el Sol?, suelen responder con mucha creatividad: algunos imaginan que es una gigantesca bola de fuego que se quema, como si de una fogata habláramos. Sin embargo, la realidad es mucho más fascinante. Al interior del Sol ocurren procesos mucho más complejos: reacciones de fusión nuclear. Aunque, para que estas reacciones sucedan, se necesita uno de los fenómenos más extraordinarios de la mecánica cuántica: el efecto túnel.
¿Fusión o fisión? Las dos caras de la moneda nuclear
En el mundo de la energía nuclear existen dos tipos principales de reacciones: la fisión y la fusión. Una nos da energía en la Tierra, mientras que la otra se mantiene en el brillo de las estrellas.
La fisión nuclear consiste en dividir el núcleo de un átomo pesado en dos núcleos más ligeros. Al igual que en la fusión, este proceso libera enormes cantidades de energía. De la ecuación de Einstein: E=mc2 se conoce que la masa puede transformarse en energía. Durante la fisión, la masa total de los productos es un poco menor que la del núcleo original. Esta energía se aprovecha en centrales nucleares alrededor del mundo. Genera electricidad de manera constante, sin emisiones directas de carbono, y requiere mucho menor cantidad de combustible comparada a otras fuentes de energía.
Por otro lado, tenemos la fusión nuclear, que es la energía de las estrellas. En este proceso, a diferencia de la fisión, se unen núcleos ligeros para formar núcleos más pesados. La fusión libera incluso más energía que la fisión.
Este proceso interno en las estrellas no ocurre de forma aislada, sino mediante reacciones en cadena. Los principales procesos son:
- Cadena protón-protón (pp): es la reacción más común en estrellas como el Sol. En este proceso, cuatro protones se combinan para formar un núcleo de helio-4, liberando energía en forma de positrones, neutrinos y fotones. Este mecanismo mantiene el brillo del Sol durante miles de millones de años.
- Ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno): el hidrógeno se transforma en helio con la ayuda de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno, estos actúan como catalizadores, lo que quiere decir que aceleran el proceso sin consumirse. Este ciclo se ve en estrellas más grandes.
- Triple alfa: proceso que aparece cuando la estrella ha consumido la mayor parte de su hidrógeno y empieza a fusionar helio. Tres núcleos de helio-4 se combinan para formar carbono-12, liberando gran cantidad de energía y dando origen a elementos más pesados, esenciales para la vida y para la química del universo.
En conjunto, estas reacciones muestran cómo las estrellas generan energía y producen elementos que, con el tiempo, pasarán a formar parte de los planetas, lunas y, por supuesto, de nosotros, materializando la poética afirmación de Carl Sagan: “Somos polvo de estrellas”.
El efecto túnel: el milagro cuántico
En el núcleo de las estrellas, la temperatura, la densidad y la presión son extremadamente altas, lo que acerca los núcleos lo suficiente como para que la fusión sea posible. Sin embargo, estas condiciones no son suficientes para superar la repulsión eléctrica entre protones, pues al ser cargados positivamente se repelen. Aquí la física clásica nos dice que, incluso con esas condiciones, los núcleos no chocarían con la frecuencia suficiente; por lo tanto, la fusión no podría mantener el brillo del Sol.
Gracias a la mecánica cuántica, podemos observar un fenómeno mucho más interesante: el efecto túnel, que asombrosamente no tiene lugar en la física clásica. En este efecto, los protones pueden atravesar esa barrera de repulsión eléctrica. Entonces existe una probabilidad de que superen la barrera, lo que es suficiente para que la fusión ocurra a la velocidad necesaria. Así, el efecto túnel permite a los protones superar la repulsión eléctrica que los separa. La probabilidad de que un solo protón atraviese la barrera es pequeña, pero al hablar de la enorme cantidad de partículas en el núcleo de una estrella, podemos entender que ocurren suficientes fusiones para generar toda su energía.
Además, este fenómeno también regula la velocidad de las reacciones nucleares. Podríamos pensar que, si tantas partículas están chocando, las reacciones deberían ser rapidísimas y la estrella debería apagarse en poco tiempo, quizá en 100 años. Sin embargo, gracias al efecto túnel comprendemos por qué una estrella como el Sol sigue y seguirá brillando durante muchísimo tiempo: en estrellas de tamaño similar al Sol, la probabilidad de túnel es baja, por lo que la fusión ocurre de manera lenta y constante. Esto permite que brille durante miles de millones de años. Consecuentemente, en estrellas más masivas y con mayores temperaturas y tamaño, la probabilidad de túnel aumenta, haciendo la fusión más rápida y energética. Por lo que, la masa de la estrella es factor clave al determinar si la fusión será lenta y constante, o rápida y energética.
Aquí recalcamos que el efecto túnel es de vital importancia, pues sin él el Sol no podría producir la energía que llega a la Tierra, ya que las reacciones de fusión simplemente no ocurrirían. Como se mencionó, desde la perspectiva de la física clásica, la probabilidad de fusión sería prácticamente cero.
Es la física cuántica la que nos ofrece una visión asombrosa de lo que realmente sucede en el universo. En definitiva, el efecto túnel convierte lo aparentemente imposible en realidad. Gracias a este fenómeno, los núcleos se fusionan, las estrellas producen energía y se mantienen estables durante periodos que dependen de su masa y tamaño. Este principio se aplica en todas las estrellas, sin excepción, desde las enanas rojas hasta las gigantes azules.
Aunque el efecto túnel no se conoce únicamente en las estrellas, sabemos además que ocurre durante las supernovas, pues se crean elementos más pesados que el hierro. Los núcleos reciben una lluvia de neutrones, como los neutrones no tienen carga, se pueden unir sin dificultad a los núcleos y formar elementos más pesados. Este proceso se llama captura neutrónica. Pero no todos los elementos se forman así. Algunos necesitan que protones logren acercarse a núcleos pesados. Aquí vuelve a aparecer el efecto túnel. Aunque el protón tiene carga positiva y debería ser repelido por el núcleo, la mecánica cuántica le permite atravesar esa barrera y fusionarse.
En la Tierra también lo usamos, en el microscopio de efecto túnel que nos permite ver y mover átomos uno por uno. Al acercar una aguja ultrafina a una superficie, los electrones “saltan” gracias al efecto túnel, y con eso podemos mapear la superficie a nivel atómico.
Lo que aprendemos de las estrellas sirve para explorar incluso lo más pequeño en nuestro planeta. En pocas palabras, el efecto túnel conecta lo invisible. Es un puente entre lo subatómico y el universo, mostrando que las mismas leyes cuánticas que rigen lo infinitamente pequeño también crean la luz y la energía que mantienen vivo el cosmos.
Más información:
Sagan, C. (1980). Cosmos. Random House.
NASA – Stellar Evolution. https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-a-star
Atkins, P. & de Paula, J. (2010). Physical Chemistry (9th ed.)
