Gran pregunta
Entonces, comencemos con las cuatro fuerzas que describen todo lo que hemos observado en el universo hasta ahora:
- Fuerza nuclear fuerte: esta fuerza mantiene a los quarks juntos en grupos de dos y tres. Los grupos de dos no son estables, por lo que no hacen nada que dure más que unas pocas fracciones de segundo (sin embargo, siguen siendo importantes porque a menudo son los pasos intermedios en las interacciones entre cosas más estables) Los tres quarks más comunes Las combinaciones son el protón y el neutrón. Esta fuerza es muy importante en la formación de núcleos atómicos. Esta es la fuerza más fuerte.
- Fuerza electromagnética: esta fuerza es responsable de la electricidad y el magnetismo y gobierna el comportamiento de todas las cosas que tienen carga. Es lo que hace que la carga positiva atraiga carga negativa, por lo que es muy importante en la formación de átomos. (La luz también es electromagnética) Esta es la segunda fuerza más fuerte.
- Fuerza nuclear débil: esta fuerza controla cómo los núcleos inestables experimentan transmutaciones para volverse más estables. Es por eso que algunos átomos con grandes núcleos son radiactivos. También es muy importante en los núcleos atómicos, pero no tanto para mantenerlos unidos. Se trata más de hacerlos estables. Esta fuerza es la tercera más fuerte, muchas veces más débil que las otras.
- Gravedad: esta fuerza es bien conocida y es lo que hace que las masas se atraigan. Hace que las cosas caigan cerca de la Tierra y permite a los planetas orbitar las estrellas. Es la fuerza más débil y requiere que se noten masas muy grandes.
De acuerdo. Ahora veamos el panorama general. Al principio del tiempo y el espacio solo había una energía muy densa. La temperatura era insondable. (podemos estimar las temperaturas reales, pero no son necesarias para entender el concepto; solo piense que es inimaginablemente caluroso) Recuerde de la ciencia de la escuela secundaria que estar caliente significa que todas sus partículas vibran y se mueven a velocidades bastante altas. Cuanto más caliente te vuelves, más rápido se moverán tus partículas! Entonces, a esta hora temprana, todo estaba tan caliente que no importaba que existiera. La otra cosa clave es que el universo se expande. Si tiene calor y se expande, expande el calor para que, en general, se enfríe. A medida que el universo se expande, ¡también se enfría!
En una fracción de segundo, el universo se había expandido mucho y se había enfriado un poco. (Todavía muy caliente, pero no tan caliente como antes) En este punto, es lo suficientemente frío como para que los primeros fragmentos de materia se “cristalicen” de la energía. Puedes pensar en cómo los pequeños cristales de hielo podrían comenzar a formarse a medida que el agua comienza a congelarse; no es la analogía más precisa, pero funciona como pensar en la materia como “energía congelada”. Estos primeros trozos de materia fueron quarks y electrones. Estas cosas tienen masa, por lo que la gravedad las atrae, pero son tan pequeñas y se mueven tan ridículamente rápido, que ni siquiera sienten el pequeño tirón de la gravedad en absoluto. La gravedad ni siquiera les importa. Los quarks también se atraen entre sí por la fuerza nuclear fuerte, pero incluso eso no es capaz de contenerlos todavía porque se están moviendo demasiado rápido. Los quarks y los electrones también tienen carga, pero la fuerza electromagnética no es lo suficientemente fuerte como para sostenerlos … todavía.
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A medida que el universo se expande y se enfría, la primera fuerza que se apodera es la fuerza nuclear fuerte. Las cosas se han ralentizado lo suficiente como para que esta fuerza agarre los quarks y los pegue en protones y neutrones. Ahora tenemos una gran nube de protones, neutrones y electrones, pero se están moviendo demasiado rápido para que cualquiera de las otras fuerzas los junte.
Después de expandirse y enfriarse más, las cosas disminuyen un poco más y la fuerza electromagnética se pone en marcha. Ahora los protones con carga positiva pueden atraer electrones con carga negativa y formar átomos. Los primeros átomos fueron los más simples: un protón y un neutrón, el hidrógeno.
Ahora tenemos átomos. Tomar una respiración profunda. Estamos a mitad de camino!
Una vez que obtienes enormes nubes de hidrógeno, la fuerza de la gravedad comienza a afianzarse. Las cosas se están moviendo mucho más lentamente ahora y la gravedad puede comenzar lentamente (muy lentamente) a juntar los átomos de hidrógeno. Finalmente, estas nubes masivas se condensan hasta que los átomos de hidrógeno en el centro se aplastan tan fuertemente que sus núcleos se tocan. Esto crea una reacción nuclear que de repente explota hacia afuera y nace una estrella.
Una estrella es una fábrica que puede hacer todos los otros átomos. He aquí cómo: después de que la reacción nuclear de hidrógeno comienza en el núcleo, la fuerza exterior de la explosión nuclear equilibra la fuerza interior de la gravedad y la estrella existe en una bola estable de energía nuclear. En el interior, los átomos de hidrógeno están siendo aplastados para hacer helio. Después de un largo tiempo, el hidrógeno comenzará a agotarse y la fuerza exterior de la reacción nuclear disminuirá. Esto le da a la gravedad el borde y la estrella comienza a colapsarse. Mientras lo hace, sus átomos se aplastan aún más. Los átomos de helio eventualmente se fusionarán y provocarán una nueva reacción nuclear que empuja hacia afuera y aumenta la estrella aún más de lo que era antes. Ahora la estrella permanece en una gravedad estable frente a una explosión nuclear a medida que el helio se fusiona en elementos más grandes como el carbono y el nitrógeno, etc. Lo que suceda a continuación depende del tamaño de la estrella.
Las estrellas más pequeñas consumen todo su helio y luego la reacción nuclear se detiene. Se apagan y se vuelven abultados trozos de roca.
Las estrellas más grandes tienen suficiente gravedad para comprimir átomos incluso más grandes, como el carbono, para iniciar una nueva reacción nuclear. Cuanto más grande es la estrella, más de estas expansiones y contracciones pueden atravesar y más y más átomos pueden formar. Eventualmente, explotan en una supernova y arrojan todos sus átomos en una nube gigante en el espacio. Esta nube puede condensarse nuevamente debido a la gravedad y formar nuevas estrellas con planetas a su alrededor.
Las estrellas más grandes tienen tanta gravedad que, en lugar de explotar, implosionan y se convierten en agujeros negros, muy interesantes pero no muy útiles para nosotros.
Así que ahora sabemos de dónde provienen todos los átomos, pero ¿qué hace que los átomos formen cosas más grandes?
Cada átomo tiene un problema simple. Aunque tiene exactamente el mismo número de protones y electrones, no es bastante estable por sí solo. Los patrones de electrones alrededor del núcleo son tales que los átomos necesitan encontrar otros átomos para compartir e intercambiar electrones con el fin de hacerlos estables. Esto se llama unión y es lo que hace que los átomos se peguen entre sí. Hay muchos tipos de enlace, dependiendo de cómo los átomos mueven sus electrones, pero todos ellos hacen que los átomos formen compuestos y moléculas más grandes. La fuerza electromagnética es la principal responsable de esta unión. Ahora podemos hacer cosas como la glucosa, el cloruro de sodio y todas las cosas que conociste en la clase de química de la escuela secundaria.
Lo que hace que estas moléculas y compuestos se peguen entre sí. De nuevo, es la fuerza electromagnética y el movimiento de los electrones. (recuerde que los electrones están en el exterior de todos los átomos, de modo que, cuando los átomos interactúan, generalmente son sus electrones externos los que interactúan) Las diferencias en la distribución de los electrones hacen que las diferencias en la distribución de la carga se denominen polos. Esto es lo que hace que las moléculas y los compuestos se unan para hacer cosas más grandes. Es posible que haya oído hablar de cosas como las fuerzas de Van der Waals o las atracciones de dipolos, que son nombres elegantes para estas interacciones electromagnéticas.
Algunas de estas moléculas más grandes tienen propiedades especiales que les permiten formar formas únicas y con propiedades muy interesantes. Algunos pueden formar membranas celulares o transportar energía. Hay una historia genial sobre eso, pero la guardaré para otra respuesta. Siéntete libre de preguntarme si quieres más sobre eso. Esa es la larga historia. La respuesta corta es que la fuerza electromagnética es lo que hace que los átomos se unan para formar formas más complejas.