Is a silicon-based life possible? - David L. Van Vranken and Vanessa Arredondo

Is a silicon-based life possible?

(By David L. Van Vranken and Vanessa Arredondo)

Chapter in Spanish / Capítulo en español

Chapter 79,  SCIENCE, and I also understand it!!!

(November 2016)

Carbon atoms and molecules containing carbon-carbon bonds are central to all living organisms on Earth. For example, they are the backbone of DNA, RNA, proteins, plants, animals, humans, and much more. Even so, is it possible for life to be centered around an element other than carbon? The periodic table, introduced in the 1860s, orders elements by size and chemical properties. Elements in the same column are predicted to exhibit similar Chemical properties. Silicon should be the most chemically similar to carbon since it is located directly below carbon in the periodic table. They both have four valence electrons in their outer shell so both are capable of bonding four groups to form tetrahedral structures.

However, there are a few key differences between the bonds that carbón and silicon can make. Carbon-carbon bonds are slightly stronger than silicon-silicon bonds due to the larger size of silicon atoms. Carbon is limited by the octet rule to eight valence electrons and is generally limited to four bonds. Silicon is not constrained by the octet rule and can have more than eight valence electrons; it prefers four bonds but easily makes stable molecules where it has five or even six bonds to other atoms.

The ability to form more bonds should allow silicon to produce a wider array of complex molecular structures than carbon. Additionally, silicon predominates over carbon in rocky planets like Earth. Silicon makes up 14% of Earth by mass whereas carbon makes up less than 0.1%. Given the chemical promiscuity and abundance of silicon can we envision life forms based on silicon instead of carbon?

The question of silicon based life isn’t new. Many have speculated on silicon-based life forms and Isaac Asimov’s biochemical training and expansive vision led him to assess the chemical features of carbon relative to silicon. Both elements form highly stable oxides with molecular oxygen: carbon forms carbon dioxide (CO2) and silicon forms silica (SinO2n). The physical properties of these two compounds differ dramatically. Carbon dioxide is readily processed; it is a gas that readily dissolves in and reacts with water. In contrast, silica readily forms refractory silicate salts. Silica and silicates are the main component of rock; they are insoluble in water and unreactive. Furthermore, the higher stability of silica relative to carbon dioxide makes it harder to reduce to form useful Si-H or Si-Si bonds. Life on our planet is ultimately driven by biochemical reduction of CO2 to make molecules composed of C-H and C-C bonds.

Life is also dependent on a host of other biochemical processes such as replication, adaptation, and metabolism. These processes are dependent on interactions involving flat rings that are one atom thick. The flat shape of such molecular fragments is dependent upon the ability to form intrinsically stable, flat, double bonds (Figure 1). Carbon atoms can do it; nitrogen atoms can do it; oxygen atoms can do it; and they can combine to form stable carbon-nitrogen, carbon-oxygen, and nitrogen-oxygen doublé bonds. Silicon atoms cannot form stable double bonds with each other or with other atoms. Silicon-silicon double bonds are weaker than a typical carbon-carbon doublé bond (14-24 kcal/mol vs >48 kcal/mol) and require extremely large groups on silicon to prevent spontaneous reactions with oxygen or water. Silicon-silicon double bonds are not planar because the silicon atoms prefer pyramidal geometries.

Figure 1: Examples of stable double bonds involving carbon and an example of an unstable silicon-silicon double bond.

The ability of carbon to form stable flat molecules with other carbon atoms makes it a powerful atom. In one of its purest forms – graphite – carbon atoms are bonded with each other to form flat sheets. Each carbon atom in graphite is attached to three other carbon atoms, forming a two-dimensional hexagonal array that resembles a honeycomb structure (Figure 2, left). In a simplified representation, each carbon atom in graphite is doubly bonded to one other carbon atom. These double bonds are also known as pi bonds. The two-dimensional sheets of carbon atoms in graphite stack on top of each other. When the sheets stack, the pi bonds from one sheet interact with pi bonds on sheets above and below.

Figure 2: Left: In graphite, carbon atoms are arranged in stacked sheets. Right: In diamond, carbon atoms are arranged in a 3-dimensional lattice.

Those interactions are referred to as pi stacking interactions, which are stabilizing; they make the aggregate of sheets stronger than the individual sheets. Diamond is another pure form of carbon in which each carbon atom is bonded to four other carbon atoms forming a rigid three-dimensional lattice (Figure 2, right). Under normal conditions, graphite is slightly more stable than diamond because of the favorable pi stacking interactions between the sheets. The energy of these sheet like interactions in graphite is approximately 1.4 kcal/mol, making stacked sheets of carbón ten times more stable than isolated sheets.

Pi stacking is equally possible when the flat molecules contain double bonds between carbon, nitrogen, and oxygen in various combinations. The molecules of life are completely dependent on these pi stacking interactions between atomically flat components. For example, in DNA, pi stacking of subunits called “bases” is essential for self-assembly into the iconic double helix (Figure 3, left). The DNA bases are flat rings composed of carbon, nitrogen, and oxygen atoms. The pi stacking interactions between DNA bases are essential for the long term stability of DNA and its function as a repository for genetic information. The biological molecule RNA also contains bases and is widely recognized as the molecular precursor to DNA in the genesis of life. Not surprisingly, similar pi stacking interactions are evident in the chemical structure of RNA (Figure 3, center). Finally, inspection of proteins reveals the importance of pi stacking interactions both within the folded structure of proteins and between proteins and their reacting partners (Figure 3, right).

Figure 3: Pi-stacking interactions between flat bases in the molecules of life. Left: flat bases stack up in DNA; Middle: flat bases stack up in RNA; Right: protein side chains stack in a metabolic protein enzyme.

Carbon can form stable flat double bonds and atomically flat rings that are necessary for the molecular recognition processes responsible for life. Silicon does not form stable double bonds with any atom: nitrogen, carbon, oxygen or even itself. Since silicon cannot form stable double bonds, it cannot form atomically flat structures capable of stacking. A biochemical universe based on silicon would lack the capacity for face-to-face molecular recognition through pi-stacking, much like a warehouse containing irregular containers that could not be stacked.

A silicon-based biochemical system faces a serious design challenge that is not easily overcome. Even if all environmental conditions were met to allow for silicon containing bonds to the main constituent of biochemical processes, silicon will always fall short. In a world where life depends on molecular processes involving atomically flat structures, silicon will never be able to stack up.

 

 

Bibliography:

1.  a. Asimov, I. “Big Brother” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. September, 1982. b. Asimov, I. “V. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 61-71.

2.  a. Asimov, I. “Bread and Stone” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. October, 1982. b. Asimov, I. “VI. Bread and Stone” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 72-82.

3.  a. Asimov, I. “VII. A Difference of an E” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. November, 1982. b. Asimov, I. “VII. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 83-94.

4.  a. Asimov, I. “Silicon Life After All” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. December, 1982. b. Asimov, I. “VIII. Silicon Life After All” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 95-108.

5. Iwamoto, T.; Ishida, S. “Multiple Bonds with Silicon: Recent Advances in Synthesis, Structure, and Functions of Stable Disilenes” in Functional Molecular Silicon Compounds II. Scheschkewitz, D., Ed. Structure and Bonding, Vol 156. Springer: Switzerland, 2013. pp. 125-202.

6.  Zacharia, Renju “Chapter 4. Energetics of interlayer binding in graphite.” in Desorption of Gases from Graphitic and Porous Carbon Surfaces. Dissertation. Freie Universtitat Berlin. 2004.

7.  Girifalco, L. A.; Lad, R. A. Lad, J. Chem. Phys., 1956, 25, 693.

8. Winter, N. W.; Ree, F. H. “Stability of the Graphite and Diamond Phases of Finite Carbon Clusters” Detonation Symposium Snowmass, CO August 30 – September 4,1998.

 

 David L. Van Vranken                          Vanessa Arredondo

        Professor of Chemistry             Ph.D. Candidate in Chemistry**

University of California, Irvine

 

** (Ph.D. 2019)

David L. Van Vranken

David Van Vranken is a Professor of Chemistry at the University of California at Irvine where he studies chemical reactivity and harnesses it for construction of new molecules, atom-by-atom and bond-by-bond. He earned his B.S. in Chemistry at the University of Texas at Austin and his Ph.D. at Stanford University before doing postdoctoral work at the University of California at Berkeley. He is co-author of the textbook Introduction to Bioorganic Chemistry and Chemical Biology.

Vanessa Arredondo

Vanessa Arredondo studied chemistry at Vanderbilt University where she earned her BS in Chemistry.

She now studies chemical reactivity with Professor David Van Vranken in the graduate program at the University of California at Irvine.**

** (Ph.D. 2019)

¿Es posible una vida basada en el silicio? - David L. Van Vranken y Vanessa Arredondo

¿Es posible una vida basada en el silicio?

(Por David L. Van Vranken y Vanessa Arredondo)

Capítulo en inglés / Chapter in English

Capítulo 79 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Los átomos de carbono y moléculas que contienen enlaces carbono-carbono son fundamentales para todos los organismos vivos de la Tierra. Por ejemplo, constituyen la estructura del ADN, ARN, de proteínas, plantas, animales, seres humanos, y mucho más. Aun así, ¿será posible que la vida se centre alrededor de un elemento además del carbono? La tabla periódica, introducida en la década de 1860, ordena los elementos por tamaño y propiedades químicas. Los elementos en la misma columna anticipan a exhibir propiedades químicas similares. Silicio debería ser el elemento químicamente más parecido al carbono ya que se encuentra directamente debajo del carbono en la tabla periódica. Ambos tienen cuatro electrones de valencia en su capa exterior que permite a los dos unirse con cuatro grupos para formar estructuras tetraédricas.

Sin embargo, hay algunas diferencias importantes entre los enlaces que el carbono y el silicio pueden hacer. Enlaces de carbono-carbono son un poco más fuertes que los enlaces de silicio-silicio debido al tamaño más grande del átomo de silicio. El carbono está limitado por la regla del octeto – solo puede tener ocho electrones de valencia – y por lo general se limita a cuatro enlaces. Silicio no está limitado por la regla del octeto y puede tener más de ocho electrones de valencia. Silicio prefiere cuatro enlaces, pero fácilmente produce moléculas estables en las que tiene cinco o incluso seis enlaces con otros átomos. La habilidad para formar más enlaces debería permitir al silicio producir una mayor variedad de estructuras moleculares complejas comparado con el carbono. Además, el silicio predomina en cantidad sobre el carbono en planetas rocosos como la Tierra. El silicio constituye el 14% de la Tierra por peso mientras el carbono representa menos del 0.1%. ¿Dada la promiscuidad química y la abundancia de silicio podemos visualizar formas de vida basadas en el silicio en lugar del carbono?

La cuestión sobre vida basada en el silicio no es nueva. Muchos han especulado sobre las formas de vida basadas en el silicio. La educación bioquímica de Isaac Asimov y su visión diletante lo llevó a evaluar las características químicas del carbono en relación con el silicio. Ambos elementos forman óxidos estables con oxígeno molecular: el carbono forma dióxido de carbono (CO₂) y el silicio forma sílice (Si_nO_2n). Las propiedades físicas de estos dos compuestos difieren dramáticamente. El dióxido de carbono se procesa sin esfuerzo; es un gas que se disuelve fácilmente en agua y reacciona con el agua. En contraste, sílice rápidamente forma sales de silicato refractario. Sílice y silicatos son el principal componente de la roca; son insolubles en agua y no son reactivos con agua. Además, la mayor estabilidad de sílice en relación con la del dióxido de carbono hace que sea más difícil de reducirlo para formar enlaces útiles como silicio-hidrógeno o silicio-silicio. La vida en nuestro planeta últimamente es posible por la reducción bioquímica de CO₂ para formar moléculas compuestas de enlaces carbono-hidrógeno y carbono-carbono.

La vida también depende de una serie de otros procesos bioquímicos tales como la replicación, la adaptación, y el metabolismo. Estos procesos son dependientes de las interacciones que involucran anillos planos que son un átomo grueso. La forma plana de estos fragmentos moleculares depende de la capacidad de formar enlaces dobles estables y planos. Los átomos de carbono, nitrógeno, y oxigeno pueden hacerlo. Además, estos elementos también pueden combinarse para formar enlaces dobles estables de carbono-nitrógeno, carbono-oxígeno, y nitrógeno-oxígeno (Figura 1). Los átomos de silicio no pueden formar enlaces dobles estables entre sí o con otros átomos. Enlaces dobles de silicio-silicio son más débiles que enlaces dobles típicos de carbono-carbono (14-24 kcal/mol comparado a más de 48 kcal/mol) y requieren extremadamente grandes grupos en el átomo de silicio para prevenir reacciones espontáneas con el oxígeno o el agua. Además, enlaces dobles de silicio-silicio no son planos debido a que los átomos de silicio prefieren geometrías piramidales (Figura 1).

Figura 1: Ejemplos de enlaces dobles estables que incluyen carbono y de un enlace doble inestable del silicio.

La capacidad del carbono para formar moléculas planas estables con otros átomos de carbono hace que sea un átomo potente. En una de sus formas más puras, grafito, átomos de carbono forman enlaces con otros tres átomos de carbono. En esta disposición, los átomos de carbono forman láminas u hojas planas (Figura 2, izquierda). En una representación simplificada, cada átomo de carbono está enlazado doblemente a otro átomo de carbono. Estos dobles enlaces son conocidos como enlaces p (pi). Las láminas bidimensionales de átomos de carbono en el grafito se apilan unas encima de las otras. Cuando se apilan, los enlaces pi de una hoja interactúan con los enlaces pi de la otra hoja. Esas interacciones se conocen como apilamiento pi, y son estables; hacen que el agregado de hojas sea más fuerte que las hojas individuales. El diamante es otra forma pura de carbono, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos de carbono y forman una red tridimensional rígida (Figura 2, derecho). En condiciones normales, el grafito es ligeramente más estable que el diamante, debido a las favorables interacciones de apilamiento pi entre las hojas. La energía de estas interacciones entre las láminas de grafito es de aproximadamente 1.4 kcal/mol. Esto significa que las hojas apiladas de carbono son diez veces más estables que las hojas aisladas.

Figura 2: Izquierda: En grafito, los átomos de carbono están ordenados en láminas apiladas. Derecha: En diamante, los átomos de carbono están ordenados en una red tridimensional.

Apilamiento pi es igualmente posible cuando las moléculas planas contienen enlaces dobles entre carbono, nitrógeno, y oxígeno en diversas combinaciones. Las moléculas de la vida son completamente dependientes de las interacciones del apilamiento pi entre componentes atómicamente planos.  Por ejemplo, en el ADN, el apilamiento pi de subunidades llamadas bases es esencial para el auto-ensamblaje de las unidades en la estructura icónica doble hélice (Figura 3, izquierda). Las bases de ADN son anillos planos compuestos de átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Las interacciones de apilamiento pi entre las bases de ADN son esenciales para la estabilidad del ADN y para su función como repositorio de información genética. La molécula biológica ARN también contiene bases y es ampliamente reconocido como el precursor molecular a ADN en la génesis de la vida. No es sorprendente que interacciones similares de apilamiento pi son evidentes en la estructura química del ARN (Figura 3, centro). Por último, la inspección de las proteínas revela la importancia de las interacciones de apilamiento pi, tanto dentro de la estructura plegada de proteínas como entre las proteínas y su par de reacción (Figura 3, derecha).

Figura 3: Interacciones apilamiento pi entre las bases planas en las moléculas de la vida. Izquierda: bases planas apiladas en el ADN; Centro: bases planas apiladas en ARN; Derecha: cadenas laterales de proteínas se apilan en una enzima metabólica.

El carbono puede formar enlaces dobles planos y estables y también anillos planos que son necesarios para los procesos de reconocimiento molecular responsable de la vida. El silicio no forma enlaces dobles estables con cualquier átomo: nitrógeno, carbono, oxígeno o incluso a sí mismo. Dado que el silicio no puede formar enlaces dobles estables, no puede formar estructuras atómicamente planas capaces de apilamiento. Un universo bioquímico basado en silicio carecería de la capacidad para el reconocimiento molecular cara a cara a través de apilamiento pi. Sería semejante a un almacén que contiene envases irregulares que no podían ser apilados. Un sistema bioquímico basado en silicio se enfrenta a un reto de diseño serio que no es fácil de superar. Aunque todas las condiciones ambientales necesarias existirían para permitir enlaces con silicio como el constituyente principal de los procesos bioquímicos, silicio siempre se quedará corto. En un mundo donde la vida depende de los procesos moleculares que implican estructuras atómicamente planas, el silicio nunca será capaz de apilar.

 

Bibliografía:

1.  a. Asimov, I. “Big Brother” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. September, 1982. b. Asimov, I. “V. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 61-71.

2.  a. Asimov, I. “Bread and Stone” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. October, 1982. b. Asimov, I. “VI. Bread and Stone” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 72-82.

3.  a. Asimov, I. “VII. A Difference of an E” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. November, 1982. b. Asimov, I. “VII. Big Brother” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 83-94.

4.  a. Asimov, I. “Silicon Life After All” The Magazine of Fantasy and Science Fiction. December, 1982. b. Asimov, I. “VIII. Silicon Life After All” X Stands for Unknown. Doubleday: New York, 1984. p. 95-108.

5. Iwamoto, T.; Ishida, S. “Multiple Bonds with Silicon: Recent Advances in Synthesis, Structure, and Functions of Stable Disilenes” in Functional Molecular Silicon Compounds II. Scheschkewitz, D., Ed. Structure and Bonding, Vol 156. Springer: Switzerland, 2013. pp. 125-202.

6.  Zacharia, Renju “Chapter 4. Energetics of interlayer binding in graphite.” in Desorption of Gases from Graphitic and Porous Carbon Surfaces. Dissertation. Freie Universtitat Berlin. 2004.

7.  Girifalco, L. A.; Lad, R. A. Lad, J. Chem. Phys., 1956, 25, 693.

8. Winter, N. W.; Ree, F. H. “Stability of the Graphite and Diamond Phases of Finite Carbon Clusters” Detonation Symposium Snowmass, CO August 30 – September 4,1998.

 

 David L. Van Vranken                          Vanessa Arredondo

      Doctor en Química, Profesor Titular           Candidata a Doctora en Química**

Universidad California de Irvine

 

** (Ph.D. 2019)

David L. Van Vranken

David Van Vranken es Profesor de Química en la Universidad de California en Irvine, donde estudia la reactividad química y la aprovecha para la construcción de nuevas moléculas, átomo por átomo y enlace por enlace. Obtuvo su B.S. en Química en la Universidad de Texas en Austin y su Ph.D. en la Universidad de Stanford antes de hacer trabajo postdoctoral en la Universidad de California en Berkeley. Es coautor del libro de texto Introducción a la Química Bioorgánica y la Biología Química.

Vanessa Arredondo

Vanessa Arredondo estudió química en la Universidad de Vanderbilt donde obtuvo su licenciatura en Química.

Ahora estudia la reactividad química con el profesor David Van Vranken en el programa de postgrado de la Universidad de California en Irvine.**

** (Ph.D. 2019)

Prólogo - CIENCIA, y además lo entiendo!!! - José Manuel Sánchez Ron

Prólogo.

(Por José Manuel Sánchez Ron)

Prólogo de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Difundir los conocimientos científicos, la ciencia, es una de las tareas más nobles que conozco, especialmente si, como sucede en el presente caso, lo hace, de manera completamente desinteresada, un numeroso grupo de científicos, coordinados – más correcto sería decir, liderados – por Quintín Garrido Garrido. Digo que es una de las tareas más nobles que conozco, porque la ciencia es, de lejos, el mejor instrumento que han creado los humanos para librarse de mitos, de esas muy abundantes ideas que no son sino fruto de la imaginación, que, por supuesto, puede obedecer a razones muy variadas, entre las que sin duda se hallan algunas perfectamente comprensibles dada la naturaleza humana, que busca seguridad y permanencia. De la imaginación, y no pocas veces también de intereses particulares. Sin la ciencia no podemos entendernos a nosotros mismos, ni a todo lo que nos rodea, el medio, terrestre y cósmico, que llamamos bien Naturaleza o Universo. Es cierto que, al menos por el momento, la ciencia no proporciona respuestas a todas las preguntas que podemos imaginar – ¿quién sabe si lo logrará alguna vez?; yo lo dudo –, pero cada día da alguna respuesta nueva, y aunque no suministrara más a partir de ahora, cosa que no sucederá, ¡menudo equipaje nos ofrece ya!

Acabo de referirme a las preguntas que contesta la ciencia, y precisamente es, en general, recurriendo a preguntas – en campos muy variados: matemáticas, física, astrofísica, química, biología, neurociencias, geología, oceanografía, ciencia de los materiales… – cómo está estructurado el presente libro, este Ciencia, y además lo entiendo!!! El esfuerzo que sus autores han realizado porque se entienda lo que escriben es digno del mayor reconocimiento. No existe mayor peligro, mayor enemigo de la ciencia que acorralarla en la oscuridad de presentaciones técnicas, especializadas. Es evidente que ese tipo de presentaciones son las propias de la dinámica de la investigación científica, pero es absolutamente necesario salir en ocasiones de ese mundo tan cerrado en sí mismo. Aunque la sociedad pueda no reclamarlo – desgraciadamente, esto sucede con frecuencia –, lo necesita. Y cuando esa sociedad, la ciudadanía, recibe explicaciones claras y amenas de lo que es la ciencia y sus contenidos, lo agradece.

No ignoro que algunas de las respuestas que brinda la ciencia seguramente no nos harán felices. Como Darwin y sus seguidores nos enseñaron, no somos, ay, el fruto privilegiado de un Creador todopoderoso, sino polvo de estrellas que se condensó, dando origen a muy diferentes formas de vida, mediante procesos no dirigidos de prueba y error, que, eso sí, obedecieron a las leyes que va desvelando la ciencia. El azar de caminos en los que reinó lo fortuito, y la necesidad de cumplir lo que imponen las leyes naturales. Pero si la ciencia no da siempre felicidad, sí que da dignidad. Entre los atributos que más admiro de los humanos, se encuentra el ser capaces de actuar noblemente no teniendo la esperanza de la eternidad, siendo conscientes, muy conscientes, de nuestra contingencia.

            Como Quintín señala en su presentación, este libro celebra el segundo aniversario de un blog que se ocupa de libros de divulgación científica, y aunque quien escribe estas líneas no frecuente demasiado tales lugares del hiperespacio digital – por demasiado apego a una galaxia, la Gutenberg, en vías de desaparecer, cual si fuese una supernova a punto de explotar –, no ignoro sus muchas virtudes, entre las que destacan el no conocer fronteras, lo que significa estar a disposición de cualquiera, y la generosidad de quienes dedican parte de su tiempo a componerlos. Como este libro, es un ejemplo de generosidad y de creencia en la importancia de lo común, que es importante celebrar. Al igual que la aparición de esta benemérita obra.

José Manuel Sánchez Ron

(Madrid 1949) Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid (1971) y Doctor (Ph.D.) en Física por la Universidad de Londres (1978). Desde 1994 es Catedrático de Historia de la Ciencia en el Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, y previamente (1983 y 1994) fue Profesor Adjunto, primero, y Titular después de Física Teórica en la misma Universidad.

En marzo de 2003 fue elegido miembro de la Real Academia Española, en la que leyó su discurso de ingreso (Elogio del mestizaje: Historia, lenguaje y ciencia) el 19 de octubre de 2003. En ella ocupa el sillón “G” y desde enero de 2016 ocupa el cargo de vicedirector. En diciembre de 2006 fue elegido académico correspondiente de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de Madrid y en 2006 miembro correspondiente de la Académie Internationale d’Histoire des Sciences de París, de la que pasó a ser académico de pleno derecho (membre effectif) en 2015.

En 2001 recibió el Premio José Ortega y Gasset de Ensayo y Humanidades de la Villa de Madrid por su libro El Siglo de la Ciencia (Taurus 2000). En 2004 recibió el Prisma de la Casa de las Ciencias de La Coruña al mejor artículo de divulgación científica publicado en 2003 por su artículo “¿Para qué la ciencia?”, publicado en El País. En 2011 recibió el Premio Internacional de Ensayo Jovellanos por su manuscrito La Nueva Ilustración: Ciencia, tecnología y humanidades en un mundo interdisciplinar, publicado posteriormente (Ediciones Nobel, 2011). Y en 2016 el Premio Nacional de Ensayo, por su libro El mundo después de la revolución. La física de la segunda mitad del siglo XX.

Tras varios años de físico teórico, en los que trabajó en física relativista y matemática (fue profesor ayudante en el Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid entre octubre de 1971 y enero de 1975, y luego becario de l a ESRO –ahora ESA– en el Departament of Mathematics del King’s College de Londres y en el Departament of Physics and Astronomy del University College London [1975-1978], y más tarde Visiting Assistant Profesor en el Department of Physics de Temple University, Filadelfia, instalándose luego en la Universidad Autónoma de Madrid), se ha dedicado a la historia de la ciencia de, preferentemente, los siglos XIX y XX, tanto desde el punto de v ista de la historia de l a ideas como la historia institucional, internacional así como española.

Es autor de más de 400 publicaciones, de las cuales figuran 45 libros; Es director de las colecciones científicas (“Drakontos” y “Clásicos de la Ciencia y la Tecnología”) de la editorial Crítica. Ha publicado centenares de reseñas de libros científicos en el diario El País (antes en ABC), y también artículos de opinión. Desde octubre de 2015 publica semanalmente una sección, “Entre dos aguas”, en la revista El Cultural.

¿El universo tiene borde? - Elena Denia

¿El universo tiene borde? 

(Por Elena Denia)

Capítulo 8 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

There was a young lady named Bright,

Whose speed was far faster than light;

She started one day

In a relative way,

And returned on the previous night.

 

Arthur Henry Reginald Buller (1874 – 1944)

Todos alguna vez hemos escrutado la línea del horizonte, aguzando la vista para encontrar un atisbo de tierra o el final de los océanos. A lo largo de la historia, desde el más tenaz de los conquistadores hasta el individuo que da un paseo desinteresado por la costa, se ha preguntado por los bordes de la gran masa de agua. <Más allá hay dragones>, decían unos. <Es un abismo sin límite>, aseguraban otros. Las playas siempre han sido un escenario evocador.

Con la misma naturalidad hemos levantado la mirada hacia los cielos. Si bien es cierto que lidiar con la incertidumbre no es tarea fácil, el misterio siempre ha tenido un atractivo intrínseco al ser humano; curiosidad, afán de conocimiento –si se prefiere–; muchos de nosotros nos hemos preguntado alguna vez: ¿el universo tiene borde?

Al pensar en los confines del cosmos uno se puede imaginar en su busca, avanzando incesantemente en una nave a través del espacio. Este experimento mental permite plantear la idea de que, en algún momento, se acabarán los planetas, las estrellas, el polvo y todo lo demás. Que nos enfrentaremos a un vacío oscuro que aguarda alguna extraña deformación del tejido espaciotemporal, donde todo se acabe. A priori parece razonable, sobre todo después de escuchar a los expertos decir que lo más probable es que el universo sea plano.

Estamos ante un error conceptual que numerosas veces hace desistir al interesado. A menudo se dice que el universo es plano (geometría euclídea), esférico o con la forma de una silla de montar a caballo (geometría hiperbólica). Estas ideas generan confusión, porque uno se imagina el cosmos, por ejemplo, como la base de una pizza colosal o con la forma de una gran sandía. Sin embargo, cuando se citan esas tres posibilidades se está haciendo referencia a la geometría del tejido del universo en un entorno local, no a su morfología como un objeto único.

En el escenario local, una ciudad puede considerarse plana. Pero si pensamos en todo un continente, la curvatura de la Tierra empieza a manifestarse. En la ciudad, la suma de los ángulos de un triángulo siempre será 180º. En cambio, si trazamos el triángulo sobre el globo terrestre, la suma de sus ángulos será superior. Y si lo trazamos después sobre una silla de montar, veremos que es inferior.

Algo parecido sucede con el tejido del cosmos. No se trata de lo inmenso que sea el dibujo de nuestro triángulo, sino de comprender que el espaciotiempo es un tejido que se deforma con la presencia de masa, y la curvatura ya no se produce sobre la superficie terrestre, sino en tres dimensiones espaciales y una temporal, algo un poco más complejo de imaginar, pero todavía intuitivo. En cualquier caso este tejido, mayoritariamente, presenta una geometría cercana a la euclídea. Esto significa que los triángulos que pintemos con una brocha sideral sumarán típicamente 180º, salvando algunas pequeñas deformaciones ocasionadas por la materia –de hecho, si uno observa con cuidado, descubrirá que nuestra ciudad también presenta algún que otro desnivel–.

Además, pensando a grandes escalas, el universo es homogéneo e isótropo –éste es el llamado principio cosmológico–. Homogéneo porque al comparar dos fragmentos cualesquiera, eso sí, lo suficientemente grandes, presentan un aspecto similar; con cúmulos de galaxias y filamentos que conectan tales estructuras. E isótropo porque podemos mirar en direcciones arbitrarias y también presentará un aspecto similar.

Para ilustrarlo de forma más mundana, solo hay que pensar en que desde cualquier posición en la superficie de la Tierra podemos mirar hacia la profundidad del cosmos, sin que encontremos un lugar preferido para capturar la luz –excepto, por supuesto, aquellos espacios más despejados donde situar los telescopios–. El universo se nos presentará, aproximadamente, con el mismo aspecto en todas direcciones. Se mire como se mire, ahí estarán los cúmulos y los súper cúmulos; ya sean de polvo, de estrellas o de galaxias.

Y nosotros los observamos porque atrapamos sus partículas de luz –fotones– con los telescopios. Y es de esa luz de donde extraemos la información más variada, desde la composición química de un astro concreto hasta el alejamiento acelerado de una galaxia respecto a la nuestra.

De hecho, mirar hacia el universo profundo se traduce en capturar la luz más antigua que nos llega: el fondo cósmico de microondas, la radiación que se liberó hace cerca de 14 mil millones de años, poco después de la gran explosión que marcó el inicio de los tiempos, el Big Bang. 

El universo a escala logarítmica. Imagen creada por el artista Pablo Carlos Budassi como regalo de cumpleaños para su hijo, a partir de imágenes de la Nasa y mapas de la Universidad de Princeton.

Así, desde cualquier punto del globo terrestre, tendremos un límite visible al mirar hacia el espacio, un límite que en términos de distancia alcanza esos 14 mil millones de años luz. Pero siempre será el mismo, observemos desde España o desde las Islas Seychelles. Esta distancia define el radio del universo observable, que por extensión supone un horizonte observable que encierra la porción del cosmos que somos capaces de apreciar.

Hasta aquí tenemos frente a nosotros el borde del universo observable, situado a unos 14 mil millones de años luz apuntando en todas direcciones. Sin embargo, no podemos ignorar el hecho de que estamos mirando constantemente hacia el pasado, pues los fotones ancestrales que nos llegan provienen desde casi el principio de los tiempos. Quizá este borde no satisfaga al lector, al fin y al cabo, ¿podemos sentirnos aún contenidos en la piel del bebé que fuimos?

Para no perder la cordura, parece razonable retomar nuestro experimento mental y volver a surcar el espacio en nuestra intrépida expedición. Comprobaremos, una vez en marcha, que nuestro reloj de bolsillo no dejará de hacer <tic tac>: la flecha del tiempo siempre apunta hacia adelante. De este modo escaparemos del sistema solar, atravesaremos otros sistemas planetarios, también los confines de nuestra galaxia y los cúmulos globulares que la orbitan. Y todos estos objetos continuarán envejeciendo a nuestro alrededor, cada uno a su propio ritmo, con el devenir de un <tic tac> diferente –pero esto ya es otra historia–. ¿Nos encontraremos, entonces, con algún tope si viajamos a través del espacio indefinidamente?

Para tropezar con esa frontera debemos superar la velocidad de la luz y así poder abarcar una visión más allá del universo observable, porque precisamente esa es nuestra limitación: no podemos acceder a las partes del universo cuya distancia es tan prolongada que la luz no ha tenido tiempo suficiente para llegar hasta nosotros. Dadas tales complicaciones, no habrá más remedio que abortar nuestra misión por cuestiones técnicas. No obstante, al margen de esa restricción física, ¿quién nos impide tratar de deducirlo de manera teórica? Al menos –de momento– se pueden garabatear algunas soluciones interesantes sobre el papel e imaginarlas de forma conceptual en nuestras mentes.

Pensemos entonces, en la recta final de este ejercicio abstracto, en la geometría global del universo, que abarca tanto el fragmento observable así como todo lo demás.

Tratamos de dibujar el espacio métrico que ocupa el cosmos, la forma de su recipiente. Es aquí cuando debemos hacer el mayor esfuerzo y empujar nuestras mentes hacia el cambio de paradigma que supuso la relatividad general. Porque ya no podemos considerar al universo como un ente estático que podamos medir. Porque el tiempo transcurre. Y lo hace de forma distinta en las diversas partes. La cuestión, por tanto, no solo concierne al cómo es, sino también al cuándo lo ha sido, y por ello nuestro empeño por congelarlo para poder sacar la escuadra y el cartabón no es más que pura testarudez. Obstinación. Resistencia a entender que el tiempo fluye a distintas velocidades y que la sustancia espaciotemporal es solo una. No hay tiempo sin el espacio que le corresponde, ni espacio para el que no le es propio un tiempo.

Pese a todo ello, y para no defraudar al lector, puede quedarse con la idea de que, en realidad, no sabemos si el universo se extiende indefinidamente o si está contenido en un espacio métrico limitado. En el primer caso, tendríamos infinitos caminos que seguir con nuestra nave, como en el plano euclidiano. En el segundo caso, el confinado o compacto, podríamos descubrir, con gran sorpresa, que siguiendo un camino llegásemos al punto de partida, como sucede con las geodésicas de una esfera. «No se sabe la forma absoluta del universo», podría decir tranquilo, sin verse demasiado alejado de su zona de confort y acariciando en su bolsillo el reloj familiar; con el capricho de que el <tic tac> sea unívoco en cada recoveco cósmico.

Sin embargo, lo inquietante de todo este asunto es que preguntarse por la forma del universo, muy posiblemente, sea un sinsentido. Porque la forma, ¿la forma, cuándo?

Elena Denia

MSc en Física Avanzada, especialidad Cosmología

Investigadora del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Instituto de gestión de la innovación INGENIO

Universidad Politécnica de Valencia

Graduada en Física (Universidad de Valencia), con un máster en Periodismo y Comunicación de la Ciencia, la Tecnología y el Medio Ambiente (Universidad Carlos III de Madrid) y un segundo máster en Física Avanzada con especialidad en Astrofísica (Universidad de Valencia). 

Actualmente tiene un contrato predoctoral FPI del Ministerio de Economía y Competitividad con el que investiga para el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el instituto de gestión de la innovación INGENIO (Universidad Politécnica de Valencia). Su investigación está orientada hacia cuestiones relacionadas con la cultura científica, incluyendo percepción social de la ciencia y tecnología y comprensión pública de la ciencia. 

Es directora y locutora del programa de divulgación El Café Cuántico, creado en 2014. También colabora con reportajes en el suplemento de ciencia del Heraldo de Aragón.

Universo en expansión - Juan García-Bellido Capdevila

Si el universo está en expansión ¿cómo fue al principio?

(Por Juan García-Bellido Capdevila)

Capítulo 59 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

1          Hubble y la expansión del universo.

Cuando Albert Einstein formuló la teoría de la relatividad general, hace ahora un siglo, no podía imaginar que nuestra visión del universo iba a cambiar de manera tan drástica. Unos años después, Vesto Slipher y Edwin Hubble mostraban que los objetos nebulosos que ahora llamamos galaxias se alejaban de nosotros a enormes velocidades. George Lemaitre, usando las ecuaciones de Einstein y Alexander Friedmann interpretó correctamente dichos desplazamientos como debidos a la expansión del universo. Esto cautivó la imaginación de los cosmólogos y abrió las puertas a la exploración de un posible origen del universo: si el universo está hoy en expansión, eso es que en el pasado tuvo que estar más concentrado y por tanto más caliente. Por otra parte, si el universo tuvo un origen, entonces tenemos acceso a solo una región finita del universo (que llamamos universo observable) que es aquella de la cual nos llega luz y cuyo tamaño es aproximadamente la edad del universo por la velocidad de la luz. Hoy en día nos llega luz de los confines del universo, en concreto del momento en que el plasma caliente primigenio se enfrió por la expansión lo suficiente para que se formaran los primeros átomos. Esta luz la detectamos en el rango de microondas y constituye la imagen más antigua del universo.

Ahora bien, si el universo está en expansión ¿qué agente actuó como disparador? La respuesta curiosamente estaba implícita en las propiedades del fondo de radiación de microondas. La luz de este fondo tiene un espectro de energía que corresponde a una única temperatura, cualquiera que sea la dirección en la que miremos. Según las ecuaciones de Einstein, esto no debería ser posible ya que fué emitida hace miles de millones de años, cuando el universo era mucho más pequeño, y regiones que hoy en día estan separadas por más de un grado en el cielo, entonces no estaban en contacto causal, luego no podrían haberse puesto de acuerdo en emitir fotones con la misma temperatura. A esas regiones causales se les conoce como horizontes, y son una característica ineludible de la estructura del espacio-tiempo.

 

2          Cosmología inflacionaria.

La solución vino de la mano de la física de altas energías, que postuló un periodo de expansión acelerada anterior a la formación de los primeros elementos, llamado inflación. De manera que regiones que estaban en contacto causal durante inflación dejaron de estarlo debido a la rápida expansión, que las sacó fuera del horizonte. Más tarde, cuando la inflación termina y se genera toda la materia, la expansión decelerada hace que vuelvan a entrar en el horizonte. Luego la razón por la que vemos regiones separadas en el cielo con la misma temperatura es una consecuencia directa de ese proceso inflacionario, que dio el pistoletazo de salida a la expansión del universo. La dinámica responsable de la inflación aún no se conoce. La teoría postula un campo escalar efectivo similar al de Higgs cuya densidad de energía acelera el universo. El origen de este proceso inflacionario bien podría ser una fluctuación cuántica del propio espacio-tiempo, a escalas de energías próximas a las de la gravedad cuántica, caracterizadas por la masa de Planck, diecinueve órdenes de magnitud mayor que la masa del protón y muy lejos de poder ser explorada con los actuales aceleradores de partículas.

 

3          Fluctuaciones cuánticas y formación de galaxias.

La enorme densidad de energía responsable del proceso inflacionario hizo que el universo se expandiera al menos treinta órdenes de magnitud, hasta tamaños del órden de un centímetro. Esta fenomenal expansión allanó cualquier grumo que pudiera tener el universo primordial y lo hizo extraordinariamente plano (esto es, Euclídeo). Lo interesante es que las propias fluctuaciones cuánticas del campo del inflatón perturbaron la métrica del espacio-tiempo, dejando su huella en forma de ondas, similar a las que deja la marea en la arena cuando se retira. Al final de la inflación, la enorme densidad de energía se transformó de forma explosiva (de ahí el nombre de “Big Bang”) en otras partículas de materia y energía que llenaron esas huellas. Cuando observamos el fondo de radiación de microondas se pueden ver los grumos de materia, en los cuales se dispersan los fotones antes de viajar hacia nosotros, como pequeñas desviaciones respecto a la temperatura común del fondo. Estas pequeñas perturbaciones de materia fueron creciendo conforme se expandía el universo, hasta formar las galaxias y cúmulos de galaxias. Las propiedades estadísticas de las fluctuaciones en la temperatura del fondo de microondas y las perturbaciones en la densidad de galaxias concuerdan entre sí y están de acuerdo con las predichas por el paradigma de inflación. Sin embargo, estas fluctuaciones no nos permiten todavía medir la escala de energía a la que este proceso ocurrió. Para ello es necesario tener en cuenta que, además de grumos de densidad, la inflación genera ondas gravitacionales, cuya amplitud es proporcional a la escala de inflación. Si en un futuro próximo detectamos las huellas dejadas por las ondas gravitacionales en la polarización del fondo de radiación, podremos determinar dicha escala de energía. Hay varios experimentos tomando datos en estos momentos y varios satélites propuestos, y su detección abriría la exploración de nueva física a gran escala de energía, inalcanzable por los actuales y futuros aceleradores de partículas.

 

4          El recalentamiento después de Inflación: el Big Bang.

Como hemos descrito antes, al final de inflación se genera toda la materia y energía en un proceso explosivo asociado a la desintegración del campo del inflatón, que llamamos el Big Bang. El proceso es tan violento que debió dejar un fondo de ondas gravitacionales que eventualmente seremos capaces de detectar, aunque su frecuencia típica está muy lejos del rango de sensitividad de los detectores actuales como LIGO. Antes del Big Bang, la enorme expansión inflacionaria del universo diluyó toda la materia que pudiera haber habido antes, luego solo quedaba el campo homogéneo del inflatón, es decir, la entropía del universo era aproximadamente cero. Con la fenomenal conversión de energía en el Big Bang se formaron de golpe trillones de trillones de partículas (concretamente diez elevado a noventa partículas), y por tanto una enorme entropía. Desde ese momento, el univeso se expande lentamente de forma cuasiadiabática, sin producción de entropía. En termodinámica cuántica hay un límite (descubierto por Bekenstein) a la cantidad de entropía que puede almacenar una región finita del espacio. La máxima entropía se alcanza cuando todo el sistema en dicha región llega al equilibrio termodinámico. A pesar de la enorme producción de partículas y entropía al final de inflación, el universo tenía un tamaño tan grande que la máxima entropía que podía contener era aún mucho mayor que la generada en el Big Bang. Eso ha permitido que en la evolución posterior del universo sea posible tener procesos que creen estructuras ordenadas que disminuyen la entropía, a costa de la entropía total del universo, que aumenta. Hoy en día los procesos de formación de galaxias por colapso gravitacional son capaces de crear orden porque aún nos queda un potencial enorme de aumento de entropía antes de llegar al equilibrio termodinámico. Esto explica, entre otras cosas, que sea posible que se dé la vida en nuestro universo, pues crea orden a costa de la entropía total, algo que obsesionaba a Lord Kelvin y a Ludwig Boltzmann a finales del s.XIX, que no entendían por qué no habíamos llegado ya a la muerte térmica en un universo eterno e infinito. Luego inflación no solo explica por qué es plano y homogéneo nuestro universo, sino que da el pisoletazo de salida del Big Bang y determina las condiciones iniciales de baja entropía que permiten la vida. Esta propiedad de inflación no suele discutirse, pero resulta esencial para comprender nuestra existencia en el universo.

 

5          Metauniverso: la estructura a muy gran escala del universo.

Nosotros observamos una región finita del universo, aquella de la cual nos llegan fotones y ondas gravitacionales desde el origen del universo. Esta región es una esfera centrada en la Tierra, con radio aproximado de cuarenta y seis mil millones de años luz, y constituye un horizonte físico. Puede parecer inmenso, inabarcable, pero esa región no comprende todo el universo. Aunque no nos llegue luz, sabemos que hay espacio-tiempo más allá de este horizonte ya que observamos que nuestro universo observable es aproximadamente euclídeo, con una curvatura espacial menor del 0.1%, luego al menos el espacio se extiende unas mil veces más allá del universo observable.

En el contexto de inflación,  el universo es esencialmente infinito, nuestra región del universo surgió hace trece mil ochocientos millones de años, pasó por un periodo inflacionario y más tarde decayó generando todo lo que vemos, pero hay regiones del universo muy alejadas de nosotros que podrían estar aún sufriendo dicho proceso de expansión acelerada. Es más, según el paradigma de inflación, dichas regiones podrían ser muy distintas de la nuestra, incluso con distintas constantes fundamentales como la masa del neutrino o la constante de interacción fuerte o el contenido de materia oscura. Hablamos por tanto de un “metauniverso”, donde las características locales no tienen por qué ser universales. Es cierto que esta estructura a muy gran escala de universo está tan lejos que no tenemos ninguna evidencia de su existencia, luego es más especulativo que ninguna de las otras predicciones de inflación.

 

6          El futuro de la expansión del universo.

En estos momentos conocemos con bastante precisión el contenido de materia y energía del universo observable. Sabemos que además de materia similar a aquella de la cual estamos hechos, hay una enorme cantidad de materia oscura, posiblemente agujeros negros primordiales, generados cuando el universo tenía menos de un segundo. También hay una pequeñísima densidad de energía (así llamada oscura) responsable de la aceleración actual del universo, que por el momento no somos capaces de distinguirla de una constante cosmológica. Pues bien, el futuro de la expansión del universo depende muy sensiblemente de la naturaleza de dicha energía oscura. Si es una constante fundamental, entonces el universo se seguirá expandiendo de forma acelerada y diluyéndose hasta que cada galaxia terminará aislada, en lo que se conoce con el Big Chill. Alternativamente, si la energía oscura decae en materia, como ocurrió al final de inflación, podría terminar en un Big Crunch. Finalmente, si la energía oscura crece con el tiempo, entonces la aceleración se hace cada vez mayor e incluso la estructura del espacio-tiempo sufre un desgarro y terminamos con un Big Rip. Ninguna de las tres alternativas son atractivas, pero su realización dependerá del contenido de materia y energía del universo observable. Por ello se están estudiando enormes cantidades de galaxias, en grandes regiones del espacio, para poder determinar con mayor precisión cuál es la naturaleza de la energía oscura y por tanto el destino del universo. Creo que el esfuerzo bien vale la pena.

Figure Caption: El proceso inflacionario se describe como una canica (cuya posición determina el valor del campo del inflatón) cayendo en un cuenco (cuya altura determina la densidad de energía del campo). La enorme energía aproximadamente constante del inflatón acelera el universo de forma casi exponencial. Al final de inflación las oscilaciones del campo alrededor del fondo del potencial recalienta el universo, generando toda la materia y energía que observamos. Llamamos Big Bang a este proceso y es tan violento que tuvo que producir enormes cantidades de ondas gravitacionales, que eventualmente serán detectadas.

 

Bibliografía:

“El universo inflacionario”, Alan Guth, Investigación y Ciencia, Nº 94, Julio 1984

“El universo inflacionario autoregenerante”, Andrei Linde, Investigación y Ciencia, Nº 220, Julio 1995

“El universo elegante”, Brian Green, Ed. Crítica, Drakontos (2006).

 

 

Juan García-Bellido Capdevila

Doctor Física Teórica

Catedrático, Universidad Autónoma de Madrid

 

Juan García-Bellido Capdevila

Profesor de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid e investigador del Instituto de Física Teórica del CSIC.

Autor de más de centenar y medio de artículos en revistas especializadas, es un cosmólogo teórico reconocido internacionalmente. Discípulo de Andrei Linde, ha trabajado en el CERN, el Imperial College de Londres y la Universidad de Stanford.

Sus investigaciones cubren un amplio rango de fenómenos, desde el origen del universo en términos de la teoría de la inflación cosmológica, hasta la formación de galaxias y la naturaleza de la materia y energía oscuras.

Es un amante de la música y de la pintura. Está casado y tiene dos hijos.