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Authors: Michio Kaku

Tags: #Divulgación Científica

Física de lo imposible (30 page)

Pero quizá el diseño más potente para una nave estelar implica el uso de antimateria. Aunque suena a ciencia ficción, la antimateria ya ha sido creada en la Tierra, y algún día puede ofrecer el diseño más prometedor para una nave estelar tripulada.

Capítulo
10
A
NTIMATERIA Y ANTIUNIVERSOS

La frase más excitante que se puede oír en ciencia, la que anuncia nuevos descubrimientos, no es «Eureka» (¡Lo encontré!) sino «Eso es divertido...».

I
SAAC
A
SIMOV

Si un hombre no cree lo mismo que nosotros, decimos que es un loco, y ahí queda todo. Bueno, eso pasa ahora, porque ahora no podemos quemarlo.

M
ARK
T
WAIN

Se puede reconocer a un pionero por las
flechas que lleva en la espalda.

B
EVERLY
R
UBIK

En el libro de Dan Brown
Angeles y demonios
, el
best seller
que precedió a
El código Da Vinci
, una pequeña secta de extremistas, los Illuminati, han urdido un complot para hacer saltar por los aires el Vaticano con una bomba de antimateria robada en el CERN, el laboratorio nuclear a las afueras de Ginebra. Los conspiradores saben que cuando se juntan materia y antimateria el resultado es una explosión monumental, muchísimo más potente que la de una bomba de hidrógeno. Aunque una bomba de antimateria es pura ficción, la antimateria es muy real.

Una bomba atómica, a pesar de su terrible poder, solo tiene una eficiencia de un 1 por ciento. Solo una minúscula fracción del uranio se transforma en energía. Pero si pudiera construirse una bomba de antimateria, convertiría el ciento por ciento de su masa en energía, lo que la haría mucho más eficiente que una bomba nuclear. (Más exactamente, alrededor de un 50 por ciento de la materia en una bomba de antimateria se convertiría en energía explosiva utilizable; el resto saldría en forma de partículas indetectables llamadas neutrinos).

La antimateria es desde hace tiempo el centro de una intensa especulación. Aunque no existe una bomba de antimateria, los físicos han sido capaces de utilizar sus potentes colisionadores de átomos para crear mínimas cantidades de antimateria para su estudio.

La producción de antiátomos y la antiquímica

A principios del siglo XX los físicos se dieron cuenta de que el átomo consistía en partículas subatómicas cargadas: electrones (con una carga negativa) que daban vueltas alrededor de un núcleo minúsculo (con una carga positiva). El núcleo, a su vez, consistía en protones (que llevaban la carga positiva) y neutrones (que eran eléctricamente neutros).

Por ello, a mediados de los años treinta se produjo una conmoción cuando los físicos se dieron cuenta de que por cada partícula hay una partícula gemela, una antipartícula, pero con carga opuesta. La primera antipartícula que se descubrió fue el antielectrón (llamado positrón), que tiene una carga positiva. El positrón es idéntico al electrón en todo, excepto que lleva la carga opuesta. Fue descubierto inicialmente en fotografías de rayos cósmicos tomadas en una cámara de niebla. (Las trazas de los positrones son bastante fáciles de ver en una cámara de niebla. Cuando se colocan en un potente campo magnético se curvan en dirección opuesta a la de los electrones. De hecho, yo fotografié estas trazas de antimateria mientras estaba en el instituto).

En 1955 el acelerador de partículas de la Universidad de California en Berkeley, el Bevatrón, produjo el primer antiprotón. Como se esperaba, es idéntico al protón salvo que tiene carga negativa. Esto significa que, en principio, se pueden crear antiátomos (en los que positrones dan vueltas en torno a antiprotones). De hecho, antielementos, antiquímica, antipersonas, antiTierras, e incluso antiuniversos son teóricamente posibles.

De momento, los gigantescos aceleradores de partículas en el CERN y el Fermilab en las afueras de Chicago han sido capaces de crear minúsculas cantidades de antihidrógeno. (Para ello, un haz de protones de alta energía procedente de un acelerador de partículas se lanza contra un blanco, con lo que se crea un chaparrón de residuos subatómicos. Potentes imanes separan los antiprotones, que luego se frenan hasta velocidades muy bajas y se exponen a antielectrones emitidos de forma natural por átomos de sodio-22. Cuando los antielectrones orbitan en torno a los antiprotones, forman antihidrógeno, puesto que el hidrógeno está formado por un protón y un electrón). En un vacío puro estos antiátomos podrían vivir para siempre. Pero debido a impurezas y colisiones con la pared, estos antiátomos chocan finalmente con átomos ordinarios y se aniquilan, liberando energía.

En 1995 el CERN hizo historia al anunciar que había creado nueve átomos de antihidrógeno. Pronto le siguió Fermilab al producir un centenar de átomos de antihidrógeno. En principio, no hay nada que nos impida crear también antielementos más altos, excepto su enorme coste. Producir siquiera unos pocos gramos de antiátomos llevaría a la bancarrota a cualquier nación. El ritmo actual de producción de antimateria está entre una milmillonésima y diez milmillonésimas de gramo por año. El producto podría aumentar en un factor tres para el año 2020. La economía de la antimateria no es nada rentable. En 2004 al CERN le costó 20 millones de dólares producir varias billonésimas de un gramo de antimateria. ¡A ese ritmo, producir un simple gramo de antimateria costaría 100 trillones de dólares y la factoría de antimateria necesitaría estar activa continuamente durante cien mil millones de años! Esto hace de la antimateria la sustancia más preciada del mundo.

«Si pudiéramos reunir toda la antimateria que hemos hecho en el CERN y aniquilarla con materia —dice un comunicado del CERN—, tendríamos energía suficiente para encender una simple bombilla durante algunos minutos.»

Manejar la antimateria plantea extraordinarios problemas, puesto que cualquier contacto entre materia y antimateria es explosivo. Poner antimateria en un contenedor ordinario sería suicida. Cuando la antimateria tocara las paredes, explotaría. Entonces, ¿cómo se maneja la antimateria si es tan volátil? Una manera sería ionizar primero la antimateria para producir un gas de iones, y luego confinarla en una «botella magnética». El campo magnético impediría que la antimateria tocara las paredes de la cámara.

Para construir un motor de antimateria sería necesario introducir una corriente continua de antimateria en una cámara de reacción, donde se combinaría cuidadosamente con materia ordinaria para producir una explosión controlada, similar a la explosión creada por cohetes químicos. Los iones creados por esta explosión serían entonces expulsados por un extremo del cohete de antimateria, y producirían propulsión. Debido a la eficiencia del motor de antimateria para convertir materia en energía, este es, en teoría, uno de los diseños de motor más atractivos para futuras naves estelares. En la serie
Star Trek
, la antimateria es la fuente de energía del
Enterprise
: sus motores están alimentados por la colisión controlada de materia y antimateria.

Un cohete de antimateria

Uno de los principales impulsores del cohete de antimateria es el físico Gerald Smith de la Universidad del Estado de Pensilvania. El cree que a corto plazo tan solo 4 miligramos de positrones serían suficientes para llevar un cohete de antimateria a Marte en varias semanas. Señala que la energía concentrada en la antimateria es aproximadamente 1.000 millones de veces mayor que la concentrada en el combustible de un cohete ordinario.

El primer paso para crear este combustible sería crear haces de antiprotones, mediante un acelerador de partículas, y luego almacenarlos en una «trampa de Penning» que Smith está construyendo.

Cuando esté construida, la trampa de Penning pesará 100 kilos (buena parte de ello en nitrógeno líquido y helio líquido) y almacenará aproximadamente un billón de antiprotones en un campo magnético. (A temperaturas muy bajas, la longitud de onda de los antiprotones es varias veces mayor que la longitud de onda de los átomos en las paredes del contenedor, de modo que los antiprotones se reflejarían en las paredes sin aniquilarse). Él afirma que esta trampa de Penning podría almacenar los antiprotones durante unos cinco días (hasta que al final se aniquilaran cuando se mezclaran con átomos ordinarios). Su trampa de Penning podría almacenar una milmillonésima de gramo de antiprotones. Su objetivo es crear una trampa de Penning que pueda almacenar hasta un microgramo de antiprotones.

Aunque la antimateria es la sustancia más preciada en la Tierra, sus costes siguen cayendo espectacularmente cada año (un gramo costaría unos 62,5 billones de dólares a los precios de hoy). Un nuevo inyector de partículas que se está construyendo en Fermilab, en las afueras de Chicago, podría incrementar la producción de antimateria en un factor 10, de 1,5 a 15 nanogramos por año, lo que debería reducir los precios. Sin embargo, Harold Gerrish, de la NASA, cree que con mejoras adicionales el coste podría reducirse de forma realista hasta 5.000 dólares por microgramo. El doctor Steven Howe, de Synergistics Technologies en Los Alamos, Nuevo México, afirma: «Nuestro objetivo es sacar la antimateria del reino lejano de la ciencia ficción y llevarla al reino explotable comercialmente para el transporte y las aplicaciones médicas».
[65]

Hasta ahora, los aceleradores de partículas que pueden producir antiprotones no están diseñados específicamente para hacerlo, de modo que son muy poco eficientes. Tales aceleradores de partículas están diseñados principalmente como herramientas de investigación, y no como fábricas de antimateria. Por eso Smith concibe la construcción de un nuevo acelerador de partículas que estaría diseñado de manera específica para producir copiosas cantidades de antiprotones y reducir los costes.

Si los precios de la antimateria pueden rebajarse aún más por mejoras técnicas y producción en masa, Smith imagina una época en que el cohete de antimateria podría convertirse en un caballo de tiro para el viaje interplanetario y posiblemente interestelar. Hasta entonces, sin embargo, los cohetes de antimateria seguirán en las mesas de dibujo.

Antimateria en forma natural

Si la antimateria es tan difícil de crear en la Tierra, ¿sería más fácil encontrar antimateria en el espacio exterior? Por desgracia, las búsquedas de antimateria en el universo han dado muy poco resultado, lo que es bastante sorprendente para los físicos. El hecho de que nuestro universo esté formado básicamente de materia en lugar de antimateria es difícil de explicar. Uno supondría ingenuamente que en el principio del universo había cantidades iguales y simétricas de materia y de antimateria. Por ello, la falta de antimateria es intrigante.

La solución más probable fue propuesta en un principio por Andréi Sajárov, el hombre que diseñó la bomba de hidrógeno para la Unión Soviética en los años cincuenta. Sajárov teorizó que en el principio del universo había una ligera asimetría entre las cantidades de materia y antimateria en el big bang. Esta minúscula ruptura de simetría se denomina «violación CP». Tal fenómeno es actualmente objeto de una intensa investigación. De hecho, Sajárov teorizó que todos los átomos en el universo actual son los residuos de una cancelación casi perfecta entre materia y antimateria; el big bang  produjo una cancelación cósmica entre las dos. La minúscula cantidad de materia restante creó un residuo que forma el universo visible de hoy. Todos los átomos de nuestro cuerpo son residuos de esa titánica colisión de materia y antimateria.

Esta teoría deja abierta la posibilidad de que pequeñas cantidades de antimateria se den de forma natural. Si es así, descubrir dicha fuente reduciría drásticamente el coste de producir antimateria para uso en motores de antimateria. En principio, los depósitos de antimateria que se produzcan de forma natural deberían ser fáciles de detectar.

Cuando se encuentran un electrón y un antielectrón, se aniquilan en rayos gamma con una energía de 1,02 millones de electronvoltios o más. Por ello, se podría encontrar la «huella» de antimateria en forma natural explorando el universo en busca de rayos gamma de esta energía.

De hecho, el doctor William Purcell de la Universidad Northwestern ha encontrado «fuentes» de antimateria en la Vía Láctea, no lejos del centro galáctico. Aparentemente existe una corriente de antimateria que crea esta radiación gamma característica de 1,02 millones de electronvoltios cuando colisiona con el hidrógeno ordinario. Si esta pluma de antimateria existe de forma natural, sería entonces posible que existan en el universo otras bolsas de antimateria que no fueron destruidas en el big bang.

Para buscar de modo más sistemático antimateria en forma natural, en 2006 se puso en órbita el satélite PAMELA (Carga para Exploración Antimateria-Materia y Astrofísica de Núcleos Ligeros). Es una colaboración entre Rusia, Italia, Alemania y Suecia, diseñada para buscar bolsas de antimateria. Se habían realizado misiones anteriores de búsqueda de antimateria utilizando globos a gran altura y la lanzadera espacial, pero solo se recogieron datos durante una semana. PAMELA, por el contrario, permanecerá en órbita durante al menos tres años. «Es el mejor detector construido jamás y lo utilizaremos durante un largo período», declara el miembro del equipo Piergiorgio Picozza, de la Universidad de Roma.

PAMELA está diseñado para detectar rayos cósmicos procedentes de fuentes ordinarias, tales como supernovas, pero también de fuentes inusuales, como estrellas formadas enteramente por antimateria. En concreto, PAMELA buscará la firma del antihelio, que podría producirse en el interior de las antiestrellas. Aunque la mayoría de los físicos creen hoy que el big bang dio como resultado una cancelación casi perfecta entre materia y antimateria, como creía Sajárov, PAMELA se basa en una hipótesis diferente: que regiones enteras del universo de antimateria no experimentaron dicha cancelación, y por ello existen hoy en forma de antiestrellas.

Si existieran cantidades minúsculas de antimateria en el espacio profundo, sería posible «cosechar» algo de dicha antimateria y utilizarla para propulsar una nave estelar. El Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA se toma suficientemente en serio la idea de cosechar antimateria en el espacio y hace poco financió un programa piloto para estudiar esta idea. «Básicamente, queremos crear una red, como si estuviéramos pescando», dice Gerald Jackson, de Hbar Technologies, una de las organizaciones punteras del proyecto.

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