MASA Y DENSIDAD. LA PARADOJA DEL VACÍO

Como ya hemos visto en anteriores entradas de este mismo blog (El bosón de Higgs, Teoría de cuerdas, La tabla periódica…), la gran cantidad de partículas elementales que actualmente maneja el modelo estándar, tiene más bien que ver con determinados estados de las partículas, que con su naturaleza intrínseca. Simplificando al máximo, cada átomo está compuesto por tres clases de partículas elementales: protones, a los que asignamos una carga eléctrica positiva (+); electrones, con carga negativa (-) (no olvidéis que se trata de una convención, como vimos en el post sobre la carga eléctrica); y neutrones, que carecen de carga, y por lo tanto de signo, pero sí poseen masa, lo que los convierte en unas partículas de capital importancia.

Protones y neutrones se agrupan, formando el núcleo atómico, mientras que los electrones ‘giran’ o más bien ‘orbitan’ en torno al núcleo (esto tampoco termina de ser exacto, pero resulta útil a efectos pedagógicos). El número de protones otorga al átomo su identidad química: un átomo con un protón es un átomo de hidrógeno; si tiene dos protones es un átomo de helio; y así sucesivamente… Si añades un protón, consigues un nuevo elemento: con tres protones es un átomo de litio… Naturalmente, como deben estar siempre equilibrados eléctricamente (+ con -), el número de electrones coincide siempre con el de protones.

Los neutrones no influyen en la identidad del átomo, pero en dependencia de su número, pueden aumentar o disminuir su masa. El número concreto de neutrones es lo que caracteriza a los llamados isótopos. El carbono14 es un átomo de carbono con sus seis protones reglamentarios, pero con ocho neutrones: 6+8=14; de ahí que se llame carbono14. Si recordáis el post dedicado a la gravedad, la masa se define como la constante que relaciona la fuerza que debe aplicarse a un objeto para obtener una aceleración. A continuación reproduzco un cuadro en el que podéis ver de menor a mayor, la masa de diferentes objetos expresada en kilogramos y en notación científica. Veréis que, como pasa siempre en estas relaciones, lo más asombroso son las apabullantes diferencias:

Masas expresadas en kilogramos

Electrón	9 x 10-31
Protón	2 x 10-27
Átomo de Oxígeno	3 x 10-26
Proteína pequeña	10-23
Molécula de Penicilina	10-18
Ameba gigante	10-8
Hormiga	10-5
Colibrí	10-2
Perro	101
Hombre	102
Elefante	104
Ballena azul	105
Buque petrolero	108
La Luna	7 x 1022
La Tierra	6 x 1024
El Sol	2 x 1030
Nuestra galaxia	2 x 1041

Pero en el universo físico, cuando hablamos de las propiedades de los materiales en general, en vez de referirnos a objetos determinados, resulta conveniente remitirse a la masa por unidad de volumen. Es lo que conocemos como densidad de los cuerpos. La densidad viene dada por el cociente: r = m / v; donde r es la densidad, m la masa y v el volumen de cualquier objeto material. La densidad suele expresarse en kilogramos por metro cúbico (Kg.m³). Cuando hablamos de densidad relativa, nos referimos a la razón de la densidad de una sustancia con respecto a la del agua a 0º C. En la tabla siguiente (ya sabéis lo que me gustan) tenéis algunas densidades de sustancias y objetos de lo más variopinto.

Algunas densidades representativas expresadas en Kg.m³, y referidas a condiciones de presión atmosférica y temperatura:

Espacio interestelar	10-20
Máximo vacío de laboratorio	10-17
Hidrógeno	0,0899
Aire a 0º C y 1 atmósfera	1,29
Aire a 100º C y 1 atmósfera	0,95
Aire a 0º C y 50 atmósferas	6,5
Agua a 0º C y 1 atmósfera	1.000
Agua a 100º C y 1 atmósfera	958
Agua a 0º C y 50 atmósferas	1.002
Sangre completa a 25º C	1.059,5
Mercurio	13.600
Aluminio	2.700
Hierro, acero	7.800
Cobre	8.900
Plomo	11.300
Oro	19.300
Núcleo de La Tierra	9.500
Centro del Sol	1,6 x 105
Estrellas enanas blancas	1011
Núcleos atómicos	1017
Estrellas de neutrones	1017

Ya veis que el núcleo atómico es, junto con las estrellas de neutrones, el objeto más denso del universo. El núcleo está formado por protones y neutrones, y es extremadamente pequeño: sólo una millonésima de milmillonésima de todo el volumen del átomo. Sin embargo, es asombrosamente denso, porque contiene prácticamente toda su masa. Bill Bryson afirma que si un átomo tuviese el tamaño de una catedral, su núcleo sería como una mosca. Eso si, una mosca muchos miles de veces más densa (y pesada) que la propia catedral.

Os he dicho muchas veces que la realidad física es mucho más impresionante y extraordinaria que cualquier fábula. Reparad en que los átomos son fundamentalmente espacio vacío, y por extensión, lo es también el conjunto del universo, formado por átomos, no lo olvidemos. En los gases, cuyas moléculas están muy separadas entre sí, podemos apreciar sin dificultad este característico vacío universal. No ocurre así en los cuerpos sólidos, y os preguntaréis por qué.

Siguiendo a Bryson, la solidez que apreciamos a nuestro alrededor no es más que una ilusión. Cuando dos objetos sólidos (por ejemplo, dos bolas de billar) chocan, lo que en realidad sucede es que los campos eléctricos de ambas se repelen entre sí. Si no fuese por la carga eléctrica (acordaos del post que le dedicamos), las bolas, lo mismo que las galaxias, podrían pasar una a través de la otra sin sufrir el menor daño. Concluye Bryson: cuando te sientas en una silla, no estás en realidad sentado allí, sino levitando por encima de ella a una altura de un ángstrom (una cienmillonésima de centímetro), con tus electrones y sus electrones oponiéndose implacablemente a una mayor intimidad.

La densidad tiene también mucho que ver con la hidrodinámica. Arquímedes lo sabía bien. Para terminar (lo prometo) os dejo con este extraño párrafo evangélico: Pedro le contestó: Señor, si eres tú, mándame ir hacia ti andando sobre el agua. Él le dijo: Ven. Pedro bajó de la barca y se echó a andar sobre el agua acercándose a Jesús; pero, al sentir la fuerza del viento, le entró miedo, empezó a hundirse y gritó: Señor, sálvame. Enseguida Jesús extendió la mano, lo agarró y le dijo: ¡Hombre de poca fe! ¿Por qué has dudado? (Mateo 14, 22-36).

La realidad es a menudo más asombrosa que la ficción. Ello se debe a que la ficción, para resultar creíble, debe tener sentido, mientras que la realidad casi nunca lo tiene.  Albert Einstein.