Christophe Galfard - El universo en tu mano

Resulta tentador imaginarlos como planetas que giran en torno a una estrella central, pero eso llevaría a confusión: de hecho, a las trayectorias de los electrones alrededor del núcleo del átomo las llamamos orbitales para distinguirlas expresamente de las órbitas planetarias.

A la velocidad adecuada, en teoría, un planeta puede orbitar alrededor de su estrella a la distancia que le plazca, pero ese no es el caso de los electrones. A diferencia de las órbitas planetarias, los orbitales electrónicos están separados por zonas de exclusión, espacios en los cuales los electrones simplemente no pueden estar. Además, los electrones pueden saltar con facilidad —en ocasiones, incluso espontáneamente— por encima de esas zonas prohibidas, de un orbital a otro.

Sin embargo, y esto es lo que nos interesa, esos saltos no se producen gratuitamente.

Para pasar de un orbital a otro, los electrones tienen que absorber o emitir algo de energía.

Y puesto que cuanto más alejado está un electrón de su núcleo, mayor es la energía que transporta, para que un electrón salte de un orbital a otro más alejado tiene que ganar algo de energía, un poco como la llamarada con la que un globo aerostático gana algo de altitud.

Inversamente, para acercarse al núcleo el electrón tiene que emitir algo a fin de deshacerse de parte de su energía, como cuando un globo suelta aire caliente para dejarse caer hacia la Tierra.

¿De dónde sale esa energía?

Precisamente ahí es donde entra en juego la luz: los electrones pueden saltar de un orbital a otro absorbiendo o emitiendo algo de luz. Pero no cualquier clase de luz.

Para pasar de un orbital a otro, los electrones tienen que saltar por encima de las zonas de exclusión electrónica que los separan y, para lograrlo, deben absorber o emitir una cantidad específica de energía que se corresponde con un rayo de luz específico. Si la luz que reciben no contiene la energía suficiente, los electrones no podrán dar el salto y permanecerán donde están. Del mismo modo, si los alcanza un rayo de luz excesivamente cargado de energía, podrían saltar por encima de varias zonas, e incluso verse expulsados del átomo al que pertenecen.

La humanidad llegó a esta conclusión a comienzos del siglo XX.

Quizá no te parezca algo sensacional, pero lo es.

Einstein (que desde luego era el perejil de todas las salsas) recibió el premio Nobel de física en 1921 por descubrir esto mismo a propósito de los átomos que componen varios metales. *

*

Tras décadas de experimentos (y reflexiones) realizados desde entonces sobre todos los átomos conocidos del universo, los científicos comprendieron que la energía necesaria para que un electrón se traslade de un orbital a otro en cualquier tipo de átomo corresponde específicamente al átomo del que forma parte. Y esto es una enorme suerte para nosotros, porque las diferentes energías se corresponden con distintas fuentes de luz, y mediante nuestros telescopios, evidentemente, podemos captar la luz procedente de casi cualquier lugar.

Esta sencilla circunstancia significa que los científicos son capaces de saber de qué están compuestos objetos lejanos como las estrellas o las nubes de gas, o incluso las atmósferas de planetas lejanos, sin necesidad de viajar hasta ellos.

Ahora te explico cómo.

Imagina una fuente de luz perfecta, una que emita luces en todas las longitudes de onda posibles, desde las menos potentes (microondas) hasta las más cargadas de energía (rayos gamma), en todas direcciones. Esa fuente perfecta crea una reluciente esfera lumínica. Si a cierta distancia se encuentra un átomo, sus electrones, cegados por toda la luz que llega hasta ellos, absorben desaforados todas las que necesitan para saltar a un orbital más cargado de energía. Y cuando lo hacen se excitan.

¿Cómo que «se excitan»?

Sí, sí. Se excitan. Ese es el término técnico concreto con el que se describe lo que sucede entonces.

Es un poco como cuando a los niños se les ofrecen dulces en una fiesta.

Y así como no resulta difícil saber a posteriori qué dulces prefieren los niños (basta con comprobar cuáles no se han comido), es posible deducir qué tipos de luz se ha tragado el átomo examinando cuáles están ausentes en su sombra. Toda la luz no consumida atraviesa indemne el átomo, y resulta sencillo detectar su característica longitud de onda. Las ausentes, en cambio, aparecen como pequeños borrones oscuros en lo que, por lo demás, era un arcoíris continuo de colores y luz. Esa imagen recibe el nombre de espectro , *mientras que los borrones oscuros se conocen como líneas de absorción .

Los científicos son capaces de discernir qué átomos se interponen en el recorrido de una fuente de luz simplemente fijándose en las longitudes de onda ausentes en un espectro.

De este modo, valiéndote de la luz puedes descubrir qué tipo de materiales hay ahí fuera sin necesidad de llegar hasta su ubicación.

Y todos los telescopios que captan luz y que la humanidad ha utilizado hasta ahora nos dicen que todas las estrellas del universo están hechas de la misma materia que el Sol, la Tierra y nosotros mismos. Todos los objetos cósmicos del firmamento nocturno están hechos de los mismos átomos que nosotros.

Si no fuera así, nuestros telescopios nos lo dirían.

Por eso, podemos imaginar que las leyes que gobiernan la naturaleza son las mismas en todas partes.

Y por eso todo el mundo considera que el primer principio cosmológico es correcto.

Menos mal, ¿no?

En realidad, es una noticia tan excelente que, ya que estás en el espacio exterior, decides echarle otro vistazo a las remotas galaxias para descubrir por ti mismo de qué están hechas. ¡Y qué bonitas son, con todos esos hermosos espectros cargados de líneas correspondientes al hidrógeno, al helio y a... !

Un momento.

Espera.

Algo no cuadra...

Al examinar los espectros que has ido recabando, observas que las longitudes de onda ausentes en la luz que procede de estrellas remotas están ahí, sí, pero no donde deberían estar...

Así como los electrones de algunos elementos químicos en la Tierra se excitan en presencia de la luz azul, esos mismos electrones en idénticos elementos químicos de galaxias remotas parecen preferir tonalidades algo más verdosas para saltar de un orbital a otro...

Y los átomos que se pirran por el amarillo en la Tierra optan por luces más anaranjadas en cualquier otro lugar.

Y las que aquí absorben el naranja consumen el rojo en otros sitios.

¿Por qué? ¿Cómo puede ser?

¿Hay una desviación cromática en el espacio exterior?

¿O nos hemos equivocado en algo?

Contemplas de nuevo las distintas fuentes remotas. No hay duda: todos los colores tienden al rojo.

Pero eso no es todo: cuanto más lejana es la fuente de luz, más acusada es esa tendencia...

¡Maldición! Con lo fácil que era todo.

¿Qué está pasando?

¿Al final resulta que las leyes de la naturaleza son diferentes en distintas áreas del universo? Si pudieras salir a pasear por un planeta similar a la Tierra, uno que orbitase en torno a una estrella parecida al Sol a miles de millones de años luz de aquí, ¿verías cielos y océanos y zafiros verdes? ¿Serían las plantas y las esmeraldas amarillas, y los limones rojos?

Pues... no.

Si has viajado hasta allí, habrás visto que ese mundo extraterrestre es igual que el tuyo, y que los limones son amarillos y el cielo, azul. El motivo de esa desviación observada en los colores no se debe a que las leyes de la naturaleza cambien lejos de donde estamos. Va mucho más allá. De hecho, cambió todo lo que la humanidad había creído durante más de dos mil años.

¿Alguna vez has afinado una guitarra o cualquier otro instrumento de cuerda? ¿Te has fijado en la nota que emite una cuerda cuando se ajustan las clavijas? Cuanto más se tensa la cuerda, más agudo es el sonido que emite, ¿verdad?