por Néstor Espinoza*
Haga el cálculo: el Sol no debería brillar (según la física antes de la Mecánica Cuántica). El Sol brilla gracias a la fusión atómica en su núcleo. Aún así… ¿realmente existe la energía suficiente en el núcleo del Sol como para producir esta fusión atómica? Si no consideramos efectos “avanzados” en física, como los introducidos por la Mecánica Cuántica, la respuesta es no. Todo esto y más, ¡en la columna de hoy!
Cuando uno explica cómo es que el Sol brilla, uno siempre habla de la “quema de Hidrógeno en el Sol”. Sin duda, la frase suena bastante rara pero, básicamente, lo que se quiere decir es que en el núcleo del Sol se están fusionando átomos de hidrógeno (es decir, se están juntando los núcleos de dos átomos de hidrógeno, formando helio… ¡el sueño de los alquimistas!). Por la física nuclear sabemos que uno de los productos de una reacción como ésta es energía en forma de radiación (la palabra complicada para decir que se emite luz) y eso es, mayoritariamente, lo que observamos brillando en el cielo. Sé que esto ya es bastante información, aunque si lo pensamos un poco, lo que les acabo de comentar suena bastante a ciencia ficción; para producir fusión atómica o, en otras palabras, para juntar dos núcleos de átomos de hidrógeno, tendríamos que tener la suficiente energía como para vencer la repulsión eléctrica entre los protones ubicados dentro de estos núcleos… ¿de verdad hay energía suficiente en el Sol como para producir fusión atómica? Si sólo consideramos la energía dada por la temperatura… la respuesta es no.
Antes de continuar, debo explicar a qué me refiero con esto de “energía dada por la temperatura”. Sucede que la temperatura es en realidad una medida de la energía (cinética) promedio de las partículas en un gas: a más temperatura, ¡más energía, en promedio, tienen las partículas! Esto, a su vez, implica que a más temperatura, también hay una mayor velocidad promedio de las partículas en ese gas. Por tanto, a temperaturas muy altas, uno esperaría que los choques entre las partículas en un gas fuesen mucho más violentas.
Considerando lo anterior, uno podría calcular cuál es la temperatura necesaria para que se produzca fusión atómica, es decir, cuán rápido deben moverse en promedio las partículas en un gas como para que, al chocar, puedan vencer la repulsión eléctrica entre los núcleos, juntarse y formar la anhelada fusión atómica. El cuento está en que si uno considera sólo esta energía, para que pueda existir fusión atómica en el núcleo del Sol, este debería tener una temperatura en el núcleo de 1010 ºC (¡diez mil millones de grados Celsius!). ¿El problema? Sabemos que el núcleo del Sol posee, como mucho, 107 ºC (“sólo” diez millones de grados Celsius). O sea… ¡necesitaríamos aumentar la temperatura del núcleo del Sol a mil veces su temperatura actual para producir fusión! Supongo que nadie tiene un calefactor tan potente.
¿Cómo, entonces, es que se produce la fusión atómica en el núcleo del Sol? La respuesta está en el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, el que es en realidad una consecuencia de la Mecánica Cuántica. Para el que no lo haya escuchado antes, este Principio estipula un límite a la precisión con la cual se puede definir la velocidad y la posición de una partícula (es decir, las partículas no tienen una posición y una velocidad definida… ¡aunque usted no lo crea!). Más aún, estas dos cantidades están íntimamente relacionadas: si la posición de una partícula está muy acotada, entonces la velocidad de la partícula puede oscilar entre valores gigantescos y viceversa; si la velocidad de una partícula se encuentra muy acotada, la posición de la partícula puede oscilar entre valores gigantescos. Es justamente esta observación la que salva el día: si incorporamos este principio en nuestros cálculos, justamente obtenemos que es necesaria una temperatura de 107 ºC para que se produzca fusión atómica en el núcleo. Todo calza.
¿Increíble, no? La próxima vez que sientan ese calor de la luz solar en ustedes, ¡recuerden que si no fuera por la mecánica cuántica esos rayos de Sol no podrían producirse!
*Néstor Espinoza – Astrónomo (PUC), Candidato a Doctor en Astrofísica (PUC) e Investigador del Instituto Milenio de Astrofísica (MAS) – @nespinozap