“El entorno físico”, en Ciencia: conocimiento para todos

Capítulo 4: EL ENTORNO FÍSICO

Los seres humanos siempre han mostrado interés en tratar de descubrir la forma en que se creó el universo, la manera en que funciona y el sitio que ocupa en el esquema cósmico de las cosas. El desarrollo de la comprensión de la arquitectura del universo seguramente no es completo, pero se han hecho grandes progresos. Un universo que está constituido por distancias demasiado vastas para poderse alcanzar y de partículas tan pequeñas que no se pueden ver y tan numerosas que resultan incontables, es un tributo a la inteligencia humana, en la que se ha ido progresando a medida que se va explicando la manera en que se originan las cosas. Todos los seres humanos deberían participar en el placer de conocer mejor su entorno.
Este capítulo lo conforman recomendacionés para el conocimiento básico de la estructura general del universo y los principios fisicos sobre los cuales parece correr, haciendo hincapié en la Tierra y el sistema solar. El capítulo se centra además en dos asuntos fundamentales: 1. la estructura del universo y los procesos principales que le han dado forma al planeta Tierra, y 2. los conceptos con los cuales la ciencia describe el mundo fisico en general organizado por conveniencia con los nombres de materia, energía, movimiento y fuerzas.

EL UNIVERSO

El universo es grande y antiguo, según los parámetros vacilantes de la mente humana. La Tierra ha existido durante sólo una tercera parte de la historia del universo y es, en comparación, una particula en el espacio. El Sol es una estrella de tamaño intermedio que se mueve en una órbita cercana al borde del brazo de una galaxia ordinaria en forma de disco, parte de la cual se puede ver como una gran banda esplendente que se extiende en el cielo en una noche clara (la Vía Láctea). Esta galaxia contiene muchos miles de millones de estrellas, y el universo contiene muchos miles de millones de tales galaxias, algunas de las cuales se pueden ver a simple vista como manchas borrosas en una noche despejada.
Utilizando los cohetes más rápidos que se conocen tomaria miles de años llegar a la estrella más cercana al Sol. Incluso la luz procedente de la estrella más cercana se tarda cuatro años para llegar hasta nosotros. Y la luz que llega desde las galaxias más lejanas fue emitida en un momento cercano al inicio del universo. Por eso, cuando se miran las estrellas, se está observando su pasado.
Hay un número asombroso de tipos diferentes de estrellas que son mucho más grandes o mucho más pequeñas, mucho más calientes o mucho más frias, mucho más antiguas o mucho más recientes que el Sol. La mayor parte de ellas, al parecer, no están aisladas como estrellas solitarias, como lo está el Sol, sino que son parte de sistemas de dos o más estrellas que giran en órbitas alrededor de un centro de masa común. Asimismo, hay otras galaxias y grupos de galaxias distintas de la nuestra en tamaño, forma y dirección del movimiento. Pero, a pesar de esta variedad, todas están compuestas de los mismos elementos, fuerzas y formas de energía encontradas en nuestro sistema solar y galaxia, y al parecer se comportan de acuerdo con los mismos principios fisicos.
Tal parece que todo el contenido del universo conocido se expandió de manera explosiva hacia la existencia a partir de una masa única, densa, caótica, caliente hace más de diez mil millones de años. Las estrellas nacen en nubes de elementos más ligeros (hidrógeno y helio), se calientan por la energía de gravedad y comienzan a liberar energía nuclear por la fusión de elementos ligeros en otros más pesados dentro de sus núcleos en extremo densos y calientes. A la larga, muchas estrellas explotan, produciendo nuevas nubes a partir de las cuales otras estrellas, y supuestamente los planetas que giran alrededor de ellas, se condensan. El proceso de formación de estrellas continúa. Las estrellas se forman y por último se disipan, y la materia y la energía sufren cambios morfológicos como lo han hecho durante miles de millones de años.
El sistema solar se originó a partir de una nube gigantesca de gas y restos que quedaron tras la explosión de estrellas hace aproximadamente cinco mil millones de años. Todo en la Tierra y sobre ella, incluyendo a los organismos vivos, está hecho de este material. Cuando la Tierra y otros planetas se formaron, los elementos más pesados cayeron a su centro. En los planetas que están cerca del Sol (Mercurio, Venus, Tierra y Marte), los elementos más ligeros fueron alejados o evaporados por la radiación desde el Sol recién formado; en los planetas más lejanos (Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón), los elementos más ligeros todavía los circundan como atmósferas profundas de gas o como capas sólidas congeladas.
En total hay nueve planetas de tamaño, composición y características de superficie muy diferentes que se mueven alrededor del Sol en órbitas casi circulares. Alrededor de los planetas giran una gran variedad de lunas y, en algunos casos, anillos planos de rocas y restos de hielo, o, en el caso de la Tierra, una luna, y satélites artificiales. Las características de muchos de los ,planetas y sus lunas muestran evidencias de procesos de desarrollo similares a aquellos que ocurren en la Tierra, como sismos, flujos de lava y erosión.
También existe una gran cantidad de cuerpos rocosos y de hielo más pequeños que giran alrededor del Sol. Cuando la Tierra en su órbita anual alrededor del Sol encuentra a algunos de ellos, éstos brillan y se desintegran por fricción a medida que ingresan en la atmósfera y en ocasiones se impactan contra el suelo. Otros restos de roca y hielo tienen órbitas tan largas y excéntricas que periódicamente se acercan mucho al Sol, en donde algo del material de su superficie se evapora por la radiación solar y es impulsado en una larga cauda iluminada que se observa como un cometa.
El conocimiento creciente del sistema solar y del resto del universo se adquiere por observación directa pero sobre todo mediante el uso de instrumentos que se han desarrollado para extender y suplir los propios sentidos. Estas herramientas incluyen radiotelescopios y telescopios de rayos x, que son sensibles a un amplio espectro de información que llega del espacio; computadoras que pueden llevar a cabo cálculos cada vez más complicados de sistemas gravitacionales o reacciones nucleares, encontrando pautas en los datos y deduciendo las implicaciones de teorías; sondas espaciales que envían de regreso fotografías detalladas y otros datos desde planetas distantes en el sistema solar, y enormes "desintegradores de átomos" que simulan condiciones del universo primitivo e indagan el funcionamiento interno de los átomos.
La mayor parte de lo que se cree saber acerca del universo debe inferirse a partir del uso de todas estas herramientas para investigar secciones muy pequeñas de espacio y tiempo. Lo que se sabe sobre las estrellas está basado en el análisis de la luz que llega de ellas. Lo que se conoce acerca del interior de la Tierra se basa en mediciones que se hacen en su superficie o cerca de ella o con satélites que giran sobre la superficie. Lo que se sabe sobre la evolución del Sol y los planetas procede del estudio de la radiación de una pequeña muestra de estrellas, características visuales de los planetas y muestras de material (como piedras, meteoritos y otras provenientes de la Luna y Marte), e imaginando la manera en que llegaron a ser lo que son.

LA TIERRA

Vivimos en un planeta bastante pequeño, el tercero alrededor del Sol en el único sistema de planetas que se sabe definitivamente que existe, aunque es probable que sistemas similares sean comunes en el universo. La forma de la Tierra es casi esférica, como la de todos los planetas y las estrellas, la cual es resultado de la atracción gravitacional mutua que jala su material hacia un centro común. A diferencia de los planetas externos, mucho más grandes, que están formados principalmente de gas, la Tierra es sobre todo roca, con tres cuartas partes de su superficie cubiertas por una capa relativamente delgada de agua y todo el planeta envuelto por una capa tenue de aire. En ambos lados del planeta, se forman abultamientos en la capa de agua debido a la atracción gravitacional de la Luna y el Sol, produciendo mareas altas aproximadamente dos veces al día en la orilla de los océanos. También se producen protuberancias similares en la capa de aire.
De todos los planetas y las lunas diversos en el sistema solar, solamente la Tierra parece ser capaz de sostener la vida en la forma como se conoce. La fuerza gravitacional de la masa del planeta es suficiente para mantenerla en la atmósfera. Esta envoltura delgada de gases surgió como resultado de condiciones fisicas cambiantes en la superficie de la Tierra y la evolución de la vida vegetal, y es parte integral del ecosistema planetario. Alterar la concentración de los gases componentes naturales de la atmósfera, o agregar otros 3 nuevos, puede tener serias consecuencias sobre los sistemas de vida de la Tierra.
La distancia de la Tierra al Sol asegura que la energía alcance al planeta a un indice suficiente para mantener la vida, pero no tan rápido como para que el agua se evapore o no se formen las moléculas necesarias para la vida. El agua existe en la Tierra en las formas líquida, sólida y gaseosa, hecho poco común entre los planetas, los otros están tan cercanos al Sol que están demasiado calientes, o tan lejanos, que están demasiado fríos.
El movimiento de la Tierra y su posición respecto al Sol y la Luna tienen efectos notables. Debido a la inclinación del eje terrestre, la revolución de un año de la Tierra alrededor del Sol cambia directamente la manera en que la luz del Sol incide en una u otra parte de la Tierra. Esta diferencia en calentamiento de partes distintas de la superficie de la Tierra produce las variaciones estacionales en clima. La rotación del planeta sobre su eje cada 24 horas produce un ciclo planetario de noche y día y (para los observadores en la Tierra) hace que parezca como si el Sol, los planetas, las estrellas y la Luna estuvieran girando alrededor de la Tierra. La combinación del movimiento de la Tierra y el de la Luna, en su órbita alrededor de aquélla, una vez aproximadamente en 28 días, da por resultado las fases lunares (con base en el cambio de ángulo en el cual se observa el lado iluminado de la Luna por la luz del Sol).
La Tierra posee diversos patrones climáticos, los cuales consisten en diferentes condiciones de temperatura, precipitación, humedad, viento, presión del aire y otros fenómenos atmosféricos. Estos patrones resultan de la interrelación de muchos factores. La fuente básica de energía es el calentamiento de la tierra, el océano y el aire por la radiación solar. La transferencia de energía calorífica en las interfases de la atmósfera con la tierra y los océanos produce capas a diferentes temperaturas en el aire y los océanos. Estas ascienden, descienden o se mezclan, dando lugar a vientos y corrientes oceánicas que transportan la energía calorífica entre las regiones cálidas y frías. La rotación de la Tierra curva el flujo de los vientos y las comentes marinas, los cuales se desvían aún más por la forma del planeta.
El ciclo del agua, en el que este liquido entra y sale de la atmósfera, desempeña un papel importante en la determinación de los patrones climáticos evaporación de la superficie, ascensión y enfriamiento, condensación en nubes y después en nieve o lluvia, y precipitación otra vez a la superficie, en donde se colecta en ríos, lagos y capas porosas de rocas. También hay grandes áreas en la superficie de la Tierra cubiertas de una capa gruesa de hielo (como la Antártida), la cual interactúa con la atmósfera y los océanos e incide sobre las variaciones climáticas en el ámbito mundial.
Los climas de la Tierra han cambiado radicalmente y se espera que lo sigan haciendo, sobre todo debido a los efectos de alteraciones geológicas, como el avance o el retroceso de los glaciares durante siglos o por enormes erupciones volcánicas en poco tiempo. Pero, incluso algunos cambios relativamente pequeños del contenido atmosférico o de la temperatura de los océanos, si duran mucho tiempo, pueden tener serias repercusiones en el clima.
La Tierra tiene muchos recursos de gran importancia para la vida de los seres humanos. Algunos de ellos son fácilmente renovables, otros se pueden renovar pero a un alto costo y otros más no son renovables. El planeta contiene una gran variedad de minerales, cuyas propiedades dependen de la historia de cómo se formaron, así como de los elementos de que se componen. La abundancia de estos minerales puede ser rara o ilimitada, pero la dificultad de extraerlos del ambiente es un aspecto tan importante como su abundancia. Una gran variedad de minerales constituyen fuentes de materiales básicos para la industria, tal es el caso del hierro, el aluminio, el magnesio y el cobre. Muchas de las fuentes más importantes se han ido agotando, haciendo cada vez más difícil y caro obtenerlos.
El agua dulce es un recurso esencial para la vida diaria y los procesos industriales. Se obtiene de ríos y lagos y del manto que se desplaza debajo de la superficie de la Tierra. Esta agua subterránea, la cual constituye una fuente importante para muchas personas, se ha acumulado al paso de un tiempo prolongado hasta alcanzar las cantidades que ahora se están usando. En algunos lugares se está agotando con suma rapidez. Además, muchas fuentes de agua dulce no se pueden utilizar debido a que están contaminadas.
El viento, las mareas y la radiación solar están disponibles de manera continua y pueden captarse para brindar fuentes de energía. En principio, los océanos, la atmósfera, los suelos, las criaturas marinas y los árboles son recursos renovables. Sin embargo, puede ser sumamente caro limpiar el aire y el agua contaminados, restablecer los bosques y las zonas de pesca destruidos, o restaurar o preservar los suelos erosionados debido al manejo deficiente de las áreas destinadas a la agricultura. Aunque los océanos y la atmósfera son muy grandes y tienen una gran capacidad para absorber y reciclar materiales de manera natural, tienen sus límites. Poseen una capacidad finita para resistir el cambio sin generar alteraciones ecológicas mayores, que también pueden tener efectos adversos sobre las actividades humanas.

PROCESOS QUE LE DAN FORMA A LA TIERRA

El núcleo de la Tierra es caliente, está sometido a alta presión debido al peso de las capas suprayacentes y es más denso que su corteza rocosa. Las fuerzas internas del planeta causan cambios continuos en su superficie. La corteza sólida incluidos los continentes y las cuencas de los océanos consiste en secciones separadas que descansan en una capa caliente semisólida. Las placas de la corteza se desplazan sobre esta capa más blanda más o menos una pulgada o más por año chocando en algunos sitios y apartándose en otros. En el lugar de colisión, las placas de la corteza terrestre se pueden raspar en sus extremos o comprimir la tierra en pliegues que más tarde se convierten en cadenas montañosas (como las montañas Rocosas y los montes del Himalaya); o bien, una placa puede deslizarse bajo la otra y hundirse más en la tierra. A lo largo de los límites entre las placas que chocan, los sismos sacuden y rompen la superficie de la Tierra, y las erupciones volcánicas liberan roca fundida desde abajo, lo cual también forma montañas.
En donde las placas se separan por abajo de los continentes la tierra se hunde para formar amplios valles. Cuando la separación ocurre en las regiones delgadas de las placas que subyacen en las cuencas de los océanos, las rocas derretidas manan y constituyen fondos oceánicos cada vez más amplios. La actividad volcánica a lo largo de estas separaciones en medio del océano puede construir montañas submarinas, las cuales llegan a ser más altas que las que se encuentran en la superficie terrestre en ocasiones salen de la superficie del agua y forman islas en medio de los océanos (como Hawai).
Las olas, el viento, el agua y el hielo esculpen la superficie de la Tierra para producir accidentes geográficos distintos. Los ríos y el hielo glacial se llevan el suelo y fracturan las rocas, depositando finalmente los materiales en sedimentos o transportándolos en solución al mar. Algunos de estos efectos ocurren con rapidez y otros muy lentamente. Por ejemplo, muchas de las características de la superficie de la Tierra pueden rastrearse en la actualidad hasta el movimiento de avance y retroceso de los glaciares en gran parte del hemisferio norte durante un periodo que duró más de un millón de años. En contraste, el litoral puede cambiar casi de la noche a la mañana en la medida que las olas erosionan las costas y los vientos desplazan los materiales sueltos de la superficie y los depositan en otra parte.
Elementos como el carbón, el oxígeno, el nitrógeno vuelven y el azufre se reciclan lentamente a través de la tierra, los océanos y la atmósfera, cambiando sus localizaciones y combinaciones químicas. Los minerales se hacen, se disuelven y se n a formar sobre la superficie de la Tierra, en los océanos y en las capas calientes de alta presión que se encuentran debajo de la corteza. Los sedimentos de arena y conchas de organismos muertos se van enterrando gradualmente, se consolidan con los minerales disueltos, convirtiéndose a la larga nuevamente en roca sólida. Las rocas sedimentarias profundas pueden sufrir cambios por presión o calor, fundiéndose y volviendo a cristalizar en diferentes tipos de roca.
Las capas de roca enterrada se pueden impulsar de nuevo hacia arriba hasta convertirse en superficie terrestre e incluso formar montañas. Miles y miles de capas de roca sedimentaria atestiguan la larga historia de la Tierra y de formas de vida cambiantes cuyos vestigios se encuentran en capas sucesivas de roca.
Las plantas y los animales modifican la forma del paisaje de diversas maneras. La composición y la consistencia del suelo, y consecuentemente su fertilidad y resistencia a la erosión, reciben en gran medida la influencia de las raíces y restos de plantas, bacterias y hongos, que agregan material orgánico al suelo, y de insectos, gusanos y animales de madriguera, que lo desmenuzan. La presencia de vida también ha alterado la atmósfera terrestre. Las plantas absorben el dióxido de carbono del aire, utilizan el carbono para sintetizar azúcares y liberar oxígeno. Este proceso es el que explica la presencia de oxígeno en el aire actualmente.
Los accidentes geográficos, el clima y los recursos de la superficie de la Tierra afectan el lugar y la forma de vida de las personas, asi como la manera en que se ha desarrollado la historia humana. Al mismo tiempo, las actividades humanas han cambiado la superficie terrestre, los océanos y la atmósfera. Por ejemplo, la reducción de la cantidad de bosques que cubren la superficie de la Tierra ha provocado un incremento importante en el dióxido de carbono atmosférico, que puede conducir a su vez a un aumento en la temperatura promedio de la atmósfera y la superficie terrestres. El humo y otras sustancias que se desprenden de la actividad humana interactúan químicamente con la atmósfera y producen efectos indeseables, como esmog, lluvia ácida y tal vez un incremento en la nociva radiación ultravioleta que penetra en la atmósfera. La agricultura intensiva ha desnudado la tierra de vegetación y humus, creando prácticamente desiertos en algunas partes del mundo.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Las cosas del mundo físico parecen estar hechas de una variedad asombrosa de materiales, que difieren mucho en forma, densidad, flexibilidad, textura, dureza y color; en su capacidad para emitir, absorber, desviar o reflejar la luz; en la forma en que se comportan a diferentes temperaturas; en sus respuestas entre sí, y en cientos de otras formas. Sin embargo, a pesar de las apariencias, todo está constituido en realidad de una cantidad minima de tipos de materiales básicos combinados de diversos modos; se sabe que existen unos cíen en la actualidad los elementos químicos y sólo unos cuantos de ellos son abundantes en el universo. Cuando dos o más sustancias interactúan para formar otras nuevas, como sucede en la combustión, digestión, corrosión y cocción, los elementos componentes se combinan de maneras distintas. En tales recombinaciones, las propiedades de las combinaciones nuevas pueden ser muy diferentes de las sustancias originales. Un tipo especialmente importante de reacción entre las sustancias incluye la combinación del oxígeno con algo más, como sucede en la combustión o la oxidación.
La premisa básica de la teoría moderna de la materia es que los elementos constan de muy pocos tipos de átomos diferentes partículas tan pequeñas que no se pueden observar en un microscopio que se unen en distintas configuraciones para formar sustancias. Hay una o más pero nunca muchas clases de estos átomos para cada uno de los aproximadamente cien elementos.
Existen patrones distintos de propiedades entre los elementos. Hay grupos de éstos que tienen propiedades similares, incluyendo los metales altamente reactivos, los metales menos reactivos, los elementos no metálicos muy reactivos (como el cloro, el flúor, y el oxígeno), y algunos gases casi completamente no reactivos (como el helio y el neón). Algunos elementos no encajan en ninguna de estas categorías; entre ellos se encuentran el carbono y el hidrógeno, componentes esenciales de la materia viva. Cuando los elementos se disponen en una lista en orden por la masa de sus átomos, aparecen secuencias similares de propiedades una y otra vez en la lista.
Cada átomo está compuesto de un núcleo central cargado positivamente sólo una fracción muy pequeña del volumen del átomo, pero contiene la mayor parte de su masa, rodeado por una nube de electrones mucho más ligeros con carga negativa. El número de electrones en un átomo que va desde uno hasta casi cien define el número de partículas cargadas, o protones, en el núcleo, y determina la forma en que el átomo se unirá a otros átomos para formar moléculas. Las partículas eléctricamente neutras (neutrones) que se encuentran en el núcleo se agregan a la masa de éste, pero no afectan el número de electrones y, por tanto, casi no tienen efecto sobre las uniones del átomo con otros átomos (su comportamiento químico). Por ejemplo, un bloque de carbono puro está constituido de dos tipos, o isótopos, de átomos de carbono que difieren algo en masa pero que tienen propiedades químicas casi idénticas. Los científicos siguen investigando los átomos y han descubierto incluso constituyentes más pequeños que componen los electrones, neutrones y protones.
Cada sustancia puede existir en varios estados diferentes, dependiendo de la temperatura y la presión. Así como el agua puede existir en forma de hielo, agua y vapor, todas las sustancias salvo unas cuantas pueden tomar también las formas sólida, líquida y gaseosa. Cuando la materia se enfría lo suficiente, los átomos o las moléculas se anclan en un lugar, en una forma más o menos ordenada, para constituir sólidos. Aumentar la temperatura significa incrementar la energía cinética promedio de los átomos. Así, si aumenta la temperatura, los átomos y las moléculas se agitan más y se separan ligeramente; esto es, el material se expande. A temperaturas más altas, los átomos y las moléculas se agitan aún más y se pueden deslizar unos sobre otros manteniendo sus enlaces laxos, como sucede en el estado líquido. A temperaturas aún más altas, la agitación de los átomos y las moléculas supera la atracción entre ellas y pueden moverse libremente alrededor, interactuando sólo cuando están muy cercanas; por lo general se separan unas de otras para constituir un estado gaseoso.
Cuando la temperatura aumenta todavía más, la energía de las colisiones descompone todas las moléculas en átomos, al tiempo que impacta los electrones y los aleja de los átomos, produciendo iones. A temperaturas extremadamente altas, los núcleos de los átomos pueden estar tan cerca durante las colisiones que resultan afectados por las poderosas fuerzas nucleares internas, y pueden ocurrir reacciones nucleares.
La disposición de los electrones más externos en un átomo determina el modo en que éste se puede unir a otros y formar materiales. Los enlaces se forman entre los átomos cuando los electrones son transferidos de un átomo a otro, o cuando los electrones se comparten más o menos entre ellos. Dependiendo de qué tipo de enlace se lleve a cabo, los átomos se pueden unir en mezclas caóticas, en moléculas distintas que tienen un número y configuración uniforme de átomos, o en los patrones repetidos simétricamente de las disposiciones cristalinas. Las configuraciones moleculares pueden ser tan simples como pares de átomos idénticos (tal es es el caso de las moléculas de oxígeno) o tan complejas como cadenas plegadas y enlaces cruzados de miles de átomos de largo (como las moléculas de proteína y ADN). Las formas exactas de estas moléculas complejas constituyen un factor critico en la manera en que interactúan entre sí. Los arreglos cristalinos pueden ser enteramente regulares o estar permeados con irregularidades de composición y estructura. Las pequeñas diferencias en composición y estructura pueden dar materiales con propiedades muy distintas.
La configuración de los electrones en los átomos determina qué reacciones pueden ocurrir entre estos últimos, cuánta energía se requiere para hacer que suceda la reacción, y cuánta energía se libera en ella. Los indices a los cuales ocurren las reacciones en un gran conjunto de átomos dependen en gran medida de la frecuencia con la que los reactivos se encuentran uno con otro; por tanto, dependen de su concentración y de la rapidez con que se mueven, es decir, de la temperatura. Los indices de reacción se pueden afectar en gran medida por concentraciones muy pequeñas de algunos átomos y moléculas que se unen a las sustancias que van a reaccionar en una forma que la posiciona adecuadamente para unirse entre sí, o las cuales tienen un estado excitado que puede transferir la cantidad correcta de energía para que suceda la reacción. En particular, las reacciones que ocurren en soluciones acuosas pueden afectarse de manera significativa por la acidez de la solución.
Cada uno de los elementos que constituyen las sustancias conocidas consisten en sólo unos cuantos isótopos que aparecen de manera natural. La mayor parte de otros posibles isótopos de cualquier elemento son inestables y, si llegan a formarse, tarde o temprano se desintegrarán en algún isótopo de otro elemento (que por sí mismo puede ser inestable). La desintegración incluye la emisión de partículas y radiación del núcleo, esto es, radiactividad. En los materiales de la Tierra, hay pequeñas proporciones de algunos isótopos radiactivos que quedaron de la formación original de elementos pesados en las estrellas. Algunos se formaron en épocas más recientes debido a impactos de partículas nucleares provenientes del espacio, o a partir de la desintegración nuclear de otros isótopos. Juntos, estos isótopos producen un bajo nivel de radiación de fondo en el ambiente general.
No es posible predecir cuándo se va a desintegrar un núcleo inestable. Se puede determinar solamente qué fracción de un conjunto de núcleos idénticos tienen la posibilidad de desintegrarse en un periodo determinado. La vida media de un isótopo inestable es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos en cualquier muestra de ese isótopo; las vidas medias de isótopos diferentes van de menos de una millonésima de segundo hasta muchos millones de años. La vida media de cualquier isótopo particular es constante y no se ve afectada por condiciones físicas, como presión y temperatura. Por tanto, la radiactividad se puede utilizar para estimar el paso del tiempo, midiendo la fracción de núcleos que ya se han desintegrado. Por ejemplo, la fracción de un isótopo inestable de vida media larga que permanece en una muestra de roca, puede utilizarse para estimar cuánto tiempo hace que se formó dicha roca.

TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA

La energía aparece en muchas formas, incluida la radiación, el movimiento de los cuerpos, el estado de excitación de los átomos y la tensión intra e itermolecular. Todas estas formas son equivalentes en un sentido importante; es decir, una forma puede transformarse en otra. La mayor parte de lo que sucede en el universo como el colapso y la explosión de estrellas, el crecimiento y la descomposición biológicos, la operación de máquinas y computadorasincluye una forma de energía que se transforma en otra.
Las formas de energía se pueden describir de diferentes maneras: la energía del sonido es sobre todo el movimiento regular de atrás hacia adelante de las moléculas; la energía calorífica es el movimiento aleatorio de moléculas; la energía gravitacional aparece en la separación de masas que se atraen mutuamente; la energía almacenada en tensiones mecánicas incluye la separación de cargas eléctricas que se atraen entre sí. Aunque las diversas formas parecen muy distintas, cada una de ellas se puede medir de un modo que hace posible calcular qué tanto de una forma puede convertirse en otra. Cuando disminuye la cantidad de energía en un lugar o en una forma, la cantidad en otro sitio o en otra forma aumenta en una cantidad equivalente. Por tanto, si la energía no se filtra hacia dentro o hacia fuera a través de los límites de un sistema, la energía total de las diferentes formas en el sistema no cambia, no importa qué tipo de transformaciones graduales o violentas ocurran realmente en él.
Pero la energía tiende a escaparse a través de los límites. En particular, las transformaciones de energía generalmente dan por resultado la producción de algo de calor, el cual se disipa por radiación o conducción (como sucede en las máquinas, los alambres eléctricos, los tanques de agua caliente, el cuerpo humano y los sistemas estereofónicos). Además, cuando el calor sufre conducción o radiación hacia un líquido, se establecen corrientes que suelen favorecer la transferencia de calor. Los materiales que no conducen bien el calor se pueden utilizar para reducir la pérdida de éste, aunque nunca puede evitarse por completo la fuga calorífica. Por tanto, la cantidad total de energía disponible para la transformación casi siempre es decreciente. Por ejemplo, casi toda la energía almacenada en las moléculas de gasolina que se utiliza durante un viaje en automóvil se disipa a través de la fricción y el tubo de escape, produciendo un ligero aumento de temperatura en el vehículo, la carretera y el aire. Pero incluso si tal energía difusa se pudiera detener, tendería a distribuirse de modo uniforme y, por tanto, ya no podría volverse a utilizar. Esto se debe a que la energía puede provocar transformaciones solamente cuando se concentra más en algunos sitios que en otros, como en las caídas de agua, las moléculas de alta energía de combustibles y alimentos, los núcleos inestables y la radiación que proviene del Sol intensamente caliente. Cuando la energía se transforma en energía calorífica que se difunde a todas partes, es menos probable que ocurran más transformaciones.
La razón por la que el calor tiende siempre a difundirse de lugares más calientes a otros más fríos es un asunto de probabilidad. La energía calorífica en un material consiste de movimientos desordenados de sus átomos o moléculas que se encuentran en colisión perpetua. Cuando un gran número de átomos o moléculas en una región de un material chocan en forma aleatoria y repetida con las de una región vecina, hay mucho más maneras en las que su energía de movimiento aleatorio puede terminar por distribuirse casi igualmente en ambas regiones en lugar de concentrarse en una sola. Por consiguiente, es mucho más probable que ocurra la distribución desordenada de energia calorifica a todas partes que la concentración más ordenada en un lugar. De manera más general, en cualesquiera interacciones de átomos o moléculas, la probabilidad estadistica establece que terminarán en un mayor desorden que con el que empezaron.
Sin embargo, es completamente posible que en algunos sistemas aumente el orden mientras que en los sistemas conectados a ellos el desorden se incrementa aún más. Las células de un organismo humano, por ejemplo, siempre están ocupadas en incrementar el orden, como sucede en la síntesis de moléculas complejas y la formación de estructuras corporales. Pero esto ocurre al costo de aumentar el desorden circundante aún más como descomponer la estructura molecular de los alimentos que se consumen y calentar los alrededores. El asunto es que la cantidad total de desorden tiende siempre a aumentar.
Se asocian diferentes niveles de energía con diversas configuraciones de átomos en las moléculas. Algunos cambios en la configuración requieren energía adicional, en tanto que otros la liberan. Por ejemplo, tiene que suministrarse energía calorífica para iniciar el fuego con carbón (mediante la evaporación, algunos átomos de carbono se separan de otros en el carbón); sin embargo, cuando las moléculas de oxígeno se combinan con los átomos de carbono en la configuración de baja energía de una molécula de dióxido de carbono, se libera mucho más energía como calor y luz. O una molécula de clorofila se puede excitar hacia una configuración de alta energía por la luz solar; la clorofila, por su parte, excita a las moléculas de dióxido de carbono y agua de modo tal que pueden unirse, a través de varios pasos, en la configuración de alta energía de una molécula de azúcar (más cierta cantidad de oxígeno regenerado). Más tarde, la molécula de azúcar puede interactuar con el oxígeno para producir moléculas de dióxido de carbono y agua otra vez, transfiriendo la energía adicional de la luz solar todavía a otras moléculas.
Es evidente que la energía y la materia se presentan en unidades discretas en el nivel molecular y niveles inferiores: cuando la energía de un átomo o una molécula cambia de un valor a otro, lo hace en saltos definidos, sin valores posibles entre ellos. Estos efectos de cuanto producen fenómenos en la escala atómica muy diferentes de aquéllos con los que se está familiarizado. Cuando la radiación encuentra un átomo, puede excitarlo a un nivel más alto de energía interna solamente si puede aportar la cantidad correcta de energía para el paso. También ocurre lo inverso: cuando el nivel de energía de un átomo se relaja por un paso, se produce una cantidad discreta (cuanto) de energía de radiación. Por tanto, la luz emitida o absorbida por una sustancia puede servir para identificar de qué sustancia se trata, no importa si está en el laboratorio o en la superficie de una estrella distante.
Las reacciones en los núcleos de los átomos incluyen cambios de energía mucho más grandes que las reacciones entre las estructuras de los electrones externos de los átomos (esto es, reacciones químicas). Cuando núcleos muy pesados, como los de uranio o plutonio se dividen en otros de peso medio, o cuando núcleos muy ligeros, como los de hidrógeno y helio, se combinan con otros más pesados, se liberan grandes cantidades de energía en forma de radiación y partículas que se mueven con rapidez. La fisión de algunos núcleos pesados ocurre de manera espontánea, produciendo neutrones adicionales que inducen la fisión en más núcleos, y así sucesivamente, dando lugar a una reacción en cadena. Sin embargo, la fisión de núcleos ocurre solamente que choquen a velocidades muy altas (superando la repulsión eléctrica entre ellos), como las colisiones que ocurren a temperaturas muy altas producidas dentro de una estrella o por una explosión por fisión.

MOVIMIENTO

El movimiento es también una parte del mundo fisico, como lo son la materia y la energía. Todo se mueve átomos y moléculas; estrellas, planetas y lunas; la Tierra y su superficie y todo aquello que se encuentra sobre esta última; todos los seres vivos y cada una de sus partes. Nada en el universo está en reposo.
Puesto que todo se mueve, no hay un punto de referencia fijo contra el cual se pueda describir el movimiento de las cosas. Todo movimiento es relativo al punto u objeto que se elige. Así, un autobús estacionado no tiene movimiento con referencia a la superficie de la Tierra; pero, puesto que ésta gira sobre su eje, el autobús se está moviendo aproximadamente a mil millas por hora alrededor del centro del planeta. Si el autobús se está desplazando en la carretera y una persona camina por el pasillo, ésta tiene una velocidad con referencia al autobús, otra respecto de la carretera y una más en relación con el centro de la Tierra. No hay un punto en el espacio que pueda servir como referencia de lo que está realmente en movimiento.
Las alteraciones en el movimiento la aceleración, la desaceleración, los cambios de la dirección se deben a los efectos de las fuerzas. Cualquier objeto mantiene una velocidad y dirección consllantes de movimiento a menos que actúe una fuerza externa no equilibrada sobre él. Cuando una fuerza tal actúa sobre un objeto, cambia el movimiento de éste. Dependiendo de la dirección de la fuerza respecto a la dirección del movimiento, el objeto puede cambiar su velocidad (una manzana que cae) o la dirección de su movimiento (la Luna y su órbita curva), o ambos (una pelota en vuelo). Mientras más grande es la intensidad de la fuerza no equilibrada, mayor es la rapidez con la que cambia la velocidad o la dirección de movimiento de un objeto; cuanto mayor es la masa de un objeto, menor es la rapidez con la que se modifica su velocidad o dirección en respuesta a cualquier fuerza. Y cuando un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, B ejerce una fuerza igualmente intensa sobre A. Por ejemplo, un clavo de hierro A atrae a un imán B con la misma fuerza que el imán B atrae al clavo de hierro A, pero en dirección opuesta. En situaciones más familiares, la fricción entre superficies crea fuerzas que entran en juego y complican la descripción del movimiento, aunque los principios básicos son aplicables todavía.
Algunos movimientos complicados se pueden describir de manera más conveniente, no en términos de fuerzas directamente sino en descripciones sumarias de los patrones de movimiento, como las vibraciones y ondas. La vibración incluye partes de un sistema que se mueve de atrás hacia adelante en el mismo lugar, de tal forma que el movimiento se puede resumir en la frecuencia con la que se repite y la distancia a la que una partícula se desplaza durante un ciclo. Otra característica sumaria es el índice al cual la vibración, cuando se deja a sí misma, desaparece gradualmente a medida que se disipa la energía.
Las vibraciones pueden causar una perturbación itinerante que se propaga a partir de su fuente. Los ejemplos de tales alteraciones son el sonido, la luz y los sismos, los cuales revelan una conducta muy semejante a la de las conocidas ondas superficiales en el agua, que cambian su dirección en los límites entre medios, se difractan en las esquinas y se interfieren entre sí de manera predecible. Por tanto, se habla de ondas sonoras, ondas de luz, etc., y las matemáticas de la conducta de las ondas son de utilidad para describir todos estos fenómenos. El comportamiento de las ondas también se puede describir en términos de la rapidez con que se propaga la perturbación, y de la distancia entre las crestas sucesivas de esta última (la longitud de onda).
La longitud de onda observada depende en parte del movimiento relativo de la fuente de la onda respecto al observador. Si la fuente está en movimiento hacia el observador, o viceversa, la onda está en efecto comprimida y se percibe como más corta; si la fuente y el observador se están alejando, la onda de hecho está estirada y se percibe como más larga. Ambos efectos son obvios en el cambio aparente de tono del claxon de un automóvil cuando pasa al observador. Por tanto, estos cambios aparentes en la longitud de onda ofrecen información sobre el movimiento relativo. Un ejemplo muy significativo de esta situación es el cambio en la longitud de onda de la luz procedente de estrellas y galaxias. Debido a que la luz emitida por la mayor parte de ellas cambia hacia longitudes de onda más largas, esto es, hacia el extremo rojo del espectro, los astrónomos concluyen que las galaxias se alejan entre sí y, por tanto, que estamos en un universo que se expande globalmente.
La longitud de onda puede influir de manera importante en la forma en que la onda interactúa con la materia en qué tan bien se trasmite, se absorbe, se refleja o se difracta. Por ejemplo, los modos en que las ondas de choque de diferentes longitudes de ondas viajan y se reflejan en las capas de roca constituyen una clave importante para averiguar cómo es el interior de la Tierra. La interacción de las ondas electromagnéticas con la materia varía en gran medida con la longitud de onda, tanto en la manera en que se producen como en sus efectos. Tipos diferentes de ondas, aunque un tanto traslapantes, han recibido distintos nombres: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja o calor radiante, luz visible, radiación ultravioleta, rayos x y rayos gamma.
Los materiales que permiten pasar a través de ellos una gama de longitudes de onda, pueden absorber completamente otras. Por ejemplo, algunos gases en la atmósfera, incluyendo el dióxido de carbono y el vapor de agua, son transparentes a la mayor parte de la luz que reciben del Sol, pero no a la radiación infrarroja de la superficie caliente de la Tierra. En consecuencia, la energía calorífica se ve atrapada en la atmósfera. La temperatura de la Tierra aumenta hasta que la radiación que disipa alcanza un equilibrio con la radiación que absorbe del Sol. El ozono, otro gas atmosférico, absorbe cierta cantidad de la radiación ultravioleta de la luz solar las longitudes de onda que producen quemaduras, bronceado y cáncer en la piel de los seres humanos.
Incluso dentro de los limites mencionados de la radiación electromagnética, diferentes longitudes de onda interactúan con la materia de maneras distintas. El ejemplo más familiar es que las diversas longitudes de onda de la luz visible interactúan con los ojos de manera diferente, dando la sensación de distintos colóres. Las cosas parecen tener diferentes colores porque reflejan o dispersan la luz visible de algunas longitudes de ondas más que otras, como en el caso de las plantas que absorben las longitudes de onda del azul y el rojo, y reflejan solamente el verde y el amarillo. Cuando la atmósfera dispersa la luz del Sol, la cual es una mezcla de todas las longitudes de onda, la luz de longitud de onda corta (que da la sensación del azul) es diseminada mucho más por las moléculas del aire que la luz de longitud de onda larga (el rojo). Por tanto, la atmósfera se ve azul, y el Sol, visto a través de ella en una luz sin dispersar, parece rojizo.

FUERZAS DE LA NATURALEZA

Los dos tipos de fuerza que se conocen comúnmente son la gravitacional y la electromagnética.
Todo en el universo ejerce fuerzas gravitacionales sobre cualquier cosa, aunque los efectos se notan con facilidad sólo cuando interviene por lo menos una masa muy grande, como una estrella o un planeta. La gravedad es la fuerza que se encuentra detrás de la caída de la lluvia, la fuerza de los ríos, el pulso de las mareas; atrae la materia de los planetas y las estrellas hacia sus centros para formar esferas, sostiene a los planetas en órbita y reúne el polvo cósmico para formar estrellas. Se cree que las fuerzas gravitacionales implican un campo de gravedad que afecta el espacio que se encuentra alrededor de cualquier masa. La fuerza del campo alrededor de un objeto es proporcional a su masa y disminuye con la distancia a partir de su centro. Por ejemplo, la atracción de la Tierra sobre un individuo dependerá de si la persona se encuentra en la playa o muy alejado en el espacio.
Las fuerzas electromagnéticas que actúan dentro de los átomos y entre ellos, son inmensamente más poderosas que las fuerzas gravitacionales que actúan entre ellos. En una escala atómica, las fuerzas eléctricas entre los protones y electrones con cargas opuestas mantienen a los átomos y a las moléculas juntos y así intervienen en todas las reacciones químicas. En una escala más grande, estas fuerzas conservan a los materiales sólidos y liquidos compactos y actúan entre los objetos cuando están en contacto, por ejemplo, la fricción entre una toalla y la espalda de una persona, el impacto de un bate sobre una pelota. Por lo general, no se nota la naturaleza eléctrica de muchas fuerzas conocidas porque las densidades casi iguales de las cargas eléctricas positivas y negativas en los materiales neutralizan aproximadamente los efectos mutuos fuera del material. Pero incluso un mínimo desequilibrio en estas cargas opuestas producirá fenómenos que van desde chispazos eléctricos y ropas adherentes hasta relámpagos.
Dependiendo de la cantidad de cargas eléctricas libres para moverse en los materiales, éstos muestran grandes diferencias en qué tanto responden a las fuerzas eléctricas. En un extremo, un material aislante de la electricidad, como el vidrio o el plástico, en condiciones normales no permite el paso de ninguna carga a través de él. En el otro extremo, un material conductor de la electricidad, como el cobre, ofrecerá muy poca resistencia al movimiento de cargas, de tal forma que las fuerzas eléctricas que actúan sobre él producen con facilidad una corriente de cargas. (La mayor parte de los cables eléctricos son una combinación de extremos: un conductor muy bueno cubierto por un aislante muy bueno.) De hecho, a temperaturas muy bajas, ciertos materiales pueden convertirse en superconductores, que ofrecen resistencia cero. Entre los materiales de baja y alta resistencia se encuentran los materiales semiconductores, en los cuales la facilidad con que se mueven las cargas puede variar en gran medida con cambios sutiles en la composición o las condiciones; estos materiales se emplean en transistores y ch¡ps de computadora para controlar señales eléctricas. El agua normalmente contiene fragmentos moleculares cargados de impurezas en solución que son móviles; por tanto, dicho líquido es un conductor bastante bueno.
Las fuerzas magnéticas están íntimamente relacionadas con las fuerzas eléctricas las dos se pueden visualizar como aspectos diferentes de una fuerza electromagnética única. Ambas actúan por medio de campos: una carga eléctrica tiene un campo eléctrico en su espacio circundante, el cual afecta a otras cargas, y un imán tiene un campo magnético alrededor de él, que afecta a otros imanes. Lo que es más, las cargas eléctricas en movimiento producen campos magnéticos y son afectadas por campos similares. Esta influencia es la base de muchos fenómenos naturales. Por ejemplo, las corrientes eléctricas que circulan en el centro de la Tierra le confieren a ésta un gran campo magnético, el cual se detecta por la orientación de las brújulas.
La interrelación de las fuerzas eléctricas y magnéticas es también la base de muchos diseños tecnológicos, como motores eléctricos (en los cuales la corriente produce movimiento), generadores (en los cuales el movimiento produce corriente) y los tubos de televisión (en los cuales un haz de cargas eléctricas en movimiento se desvía hacia atrás y hacia adelante por cambios periódicos de un campo magnético). De manera más general, un campo eléctrico oscilante induce un campo magnético y viceversa.
Otros tipos de fuerzas operan solamente a escala subatómica. Por ejemplo, la fuerza nuclear que conserva juntas a las partículas dentro del núcleo atómico es mucho más fuerte que la fuerza eléctrica, como lo evidencian las cantidades relativamente grandes de energía liberada por las interacciones nucleares.