Capítulo 4: EL ENTORNO F�SICO

EL UNIVERSO

LA TIERRA

PROCESOS QUE LE DAN FORMA A LA TIERRA

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA

MOVIMIENTO

FUERZAS DE LA NATURALEZA

Capítulo 4: EL ENTORNO FÍSICO

EL UNIVERSO

El universo es grande y antiguo, seg�n los par�metros vacilantes de la mente humana. La Tierra ha existido durante s�lo una tercera parte de la historia del universo y es, en comparaci�n, una particula en el espacio. El Sol es una estrella de tama�o intermedio que se mueve en una �rbita cercana al borde del brazo de una galaxia ordinaria en forma de disco, parte de la cual se puede ver como una gran banda esplendente que se extiende en el cielo en una noche clara (la V�a L�ctea). Esta galaxia contiene muchos miles de millones de estrellas, y el universo contiene muchos miles de millones de tales galaxias, algunas de las cuales se pueden ver a simple vista como manchas borrosas en una noche despejada.

Utilizando los cohetes m�s r�pidos que se conocen tomaria miles de a�os llegar a la estrella m�s cercana al Sol. Incluso la luz procedente de la estrella m�s cercana se tarda cuatro a�os para llegar hasta nosotros. Y la luz que llega desde las galaxias m�s lejanas fue emitida en un momento cercano al inicio del universo. Por eso, cuando se miran las estrellas, se est� observando su pasado.

Hay un n�mero asombroso de tipos diferentes de estrellas que son mucho m�s grandes o mucho m�s peque�as, mucho m�s calientes o mucho m�s frias, mucho m�s antiguas o mucho m�s recientes que el Sol. La mayor parte de ellas, al parecer, no est�n aisladas como estrellas solitarias, como lo est� el Sol, sino que son parte de sistemas de dos o m�s estrellas que giran en �rbitas alrededor de un centro de masa com�n. Asimismo, hay otras galaxias y grupos de galaxias distintas de la nuestra en tama�o, forma y direcci�n del movimiento. Pero, a pesar de esta variedad, todas est�n compuestas de los mismos elementos, fuerzas y formas de energ�a encontradas en nuestro sistema solar y galaxia, y al parecer se comportan de acuerdo con los mismos principios fisicos.

Tal parece que todo el contenido del universo conocido se expandi� de manera explosiva hacia la existencia a partir de una masa �nica, densa, ca�tica, caliente hace m�s de diez mil millones de a�os. Las estrellas nacen en nubes de elementos m�s ligeros (hidr�geno y helio), se calientan por la energ�a de gravedad y comienzan a liberar energ�a nuclear por la fusi�n de elementos ligeros en otros m�s pesados dentro de sus n�cleos en extremo densos y calientes. A la larga, muchas estrellas explotan, produciendo nuevas nubes a partir de las cuales otras estrellas, y supuestamente los planetas que giran alrededor de ellas, se condensan. El proceso de formaci�n de estrellas contin�a. Las estrellas se forman y por �ltimo se disipan, y la materia y la energ�a sufren cambios morfol�gicos como lo han hecho durante miles de millones de a�os.

El sistema solar se origin� a partir de una nube gigantesca de gas y restos que quedaron tras la explosi�n de estrellas hace aproximadamente cinco mil millones de a�os. Todo en la Tierra y sobre ella, incluyendo a los organismos vivos, est� hecho de este material. Cuando la Tierra y otros planetas se formaron, los elementos m�s pesados cayeron a su centro. En los planetas que est�n cerca del Sol (Mercurio, Venus, Tierra y Marte), los elementos m�s ligeros fueron alejados o evaporados por la radiaci�n desde el Sol reci�n formado; en los planetas m�s lejanos (J�piter, Saturno, Urano, Neptuno y Plut�n), los elementos m�s ligeros todav�a los circundan como atm�sferas profundas de gas o como capas s�lidas congeladas.

En total hay nueve planetas de tama�o, composici�n y caracter�sticas de superficie muy diferentes que se mueven alrededor del Sol en �rbitas casi circulares. Alrededor de los planetas giran una gran variedad de lunas y, en algunos casos, anillos planos de rocas y restos de hielo, o, en el caso de la Tierra, una luna, y sat�lites artificiales. Las caracter�sticas de muchos de los ,planetas y sus lunas muestran evidencias de procesos de desarrollo similares a aquellos que ocurren en la Tierra, como sismos, flujos de lava y erosi�n.

Tambi�n existe una gran cantidad de cuerpos rocosos y de hielo m�s peque�os que giran alrededor del Sol. Cuando la Tierra en su �rbita anual alrededor del Sol encuentra a algunos de ellos, �stos brillan y se desintegran por fricci�n a medida que ingresan en la atm�sfera y en ocasiones se impactan contra el suelo. Otros restos de roca y hielo tienen �rbitas tan largas y exc�ntricas que peri�dicamente se acercan mucho al Sol, en donde algo del material de su superficie se evapora por la radiaci�n solar y es impulsado en una larga cauda iluminada que se observa como un cometa.

El conocimiento creciente del sistema solar y del resto del universo se adquiere por observaci�n directa pero sobre todo mediante el uso de instrumentos que se han desarrollado para extender y suplir los propios sentidos. Estas herramientas incluyen radiotelescopios y telescopios de rayos x, que son sensibles a un amplio espectro de informaci�n que llega del espacio; computadoras que pueden llevar a cabo c�lculos cada vez m�s complicados de sistemas gravitacionales o reacciones nucleares, encontrando pautas en los datos y deduciendo las implicaciones de teor�as; sondas espaciales que env�an de regreso fotograf�as detalladas y otros datos desde planetas distantes en el sistema solar, y enormes "desintegradores de �tomos" que simulan condiciones del universo primitivo e indagan el funcionamiento interno de los �tomos.

La mayor parte de lo que se cree saber acerca del universo debe inferirse a partir del uso de todas estas herramientas para investigar secciones muy peque�as de espacio y tiempo. Lo que se sabe sobre las estrellas est� basado en el an�lisis de la luz que llega de ellas. Lo que se conoce acerca del interior de la Tierra se basa en mediciones que se hacen en su superficie o cerca de ella o con sat�lites que giran sobre la superficie. Lo que se sabe sobre la evoluci�n del Sol y los planetas procede del estudio de la radiaci�n de una peque�a muestra de estrellas, caracter�sticas visuales de los planetas y muestras de material (como piedras, meteoritos y otras provenientes de la Luna y Marte), e imaginando la manera en que llegaron a ser lo que son.

LA TIERRA

Vivimos en un planeta bastante peque�o, el tercero alrededor del Sol en el �nico sistema de planetas que se sabe definitivamente que existe, aunque es probable que sistemas similares sean comunes en el universo. La forma de la Tierra es casi esf�rica, como la de todos los planetas y las estrellas, la cual es resultado de la atracci�n gravitacional mutua que jala su material hacia un centro com�n. A diferencia de los planetas externos, mucho m�s grandes, que est�n formados principalmente de gas, la Tierra es sobre todo roca, con tres cuartas partes de su superficie cubiertas por una capa relativamente delgada de agua y todo el planeta envuelto por una capa tenue de aire. En ambos lados del planeta, se forman abultamientos en la capa de agua debido a la atracci�n gravitacional de la Luna y el Sol, produciendo mareas altas aproximadamente dos veces al d�a en la orilla de los oc�anos. Tambi�n se producen protuberancias similares en la capa de aire.

De todos los planetas y las lunas diversos en el sistema solar, solamente la Tierra parece ser capaz de sostener la vida en la forma como se conoce. La fuerza gravitacional de la masa del planeta es suficiente para mantenerla en la atm�sfera. Esta envoltura delgada de gases surgi� como resultado de condiciones fisicas cambiantes en la superficie de la Tierra y la evoluci�n de la vida vegetal, y es parte integral del ecosistema planetario. Alterar la concentraci�n de los gases componentes naturales de la atm�sfera, o agregar otros 3 nuevos, puede tener serias consecuencias sobre los sistemas de vida de la Tierra.

La distancia de la Tierra al Sol asegura que la energ�a alcance al planeta a un indice suficiente para mantener la vida, pero no tan r�pido como para que el agua se evapore o no se formen las mol�culas necesarias para la vida. El agua existe en la Tierra en las formas l�quida, s�lida y gaseosa, hecho poco com�n entre los planetas, los otros est�n tan cercanos al Sol que est�n demasiado calientes, o tan lejanos, que est�n demasiado fr�os.

El movimiento de la Tierra y su posici�n respecto al Sol y la Luna tienen efectos notables. Debido a la inclinaci�n del eje terrestre, la revoluci�n de un a�o de la Tierra alrededor del Sol cambia directamente la manera en que la luz del Sol incide en una u otra parte de la Tierra. Esta diferencia en calentamiento de partes distintas de la superficie de la Tierra produce las variaciones estacionales en clima. La rotaci�n del planeta sobre su eje cada 24 horas produce un ciclo planetario de noche y d�a y (para los observadores en la Tierra) hace que parezca como si el Sol, los planetas, las estrellas y la Luna estuvieran girando alrededor de la Tierra. La combinaci�n del movimiento de la Tierra y el de la Luna, en su �rbita alrededor de aqu�lla, una vez aproximadamente en 28 d�as, da por resultado las fases lunares (con base en el cambio de �ngulo en el cual se observa el lado iluminado de la Luna por la luz del Sol).

La Tierra posee diversos patrones clim�ticos, los cuales consisten en diferentes condiciones de temperatura, precipitaci�n, humedad, viento, presi�n del aire y otros fen�menos atmosf�ricos. Estos patrones resultan de la interrelaci�n de muchos factores. La fuente b�sica de energ�a es el calentamiento de la tierra, el oc�ano y el aire por la radiaci�n solar. La transferencia de energ�a calor�fica en las interfases de la atm�sfera con la tierra y los oc�anos produce capas a diferentes temperaturas en el aire y los oc�anos. Estas ascienden, descienden o se mezclan, dando lugar a vientos y corrientes oce�nicas que transportan la energ�a calor�fica entre las regiones c�lidas y fr�as. La rotaci�n de la Tierra curva el flujo de los vientos y las comentes marinas, los cuales se desv�an a�n m�s por la forma del planeta.

El ciclo del agua, en el que este liquido entra y sale de la atm�sfera, desempe�a un papel importante en la determinaci�n de los patrones clim�ticos evaporaci�n de la superficie, ascensi�n y enfriamiento, condensaci�n en nubes y despu�s en nieve o lluvia, y precipitaci�n otra vez a la superficie, en donde se colecta en r�os, lagos y capas porosas de rocas. Tambi�n hay grandes �reas en la superficie de la Tierra cubiertas de una capa gruesa de hielo (como la Ant�rtida), la cual interact�a con la atm�sfera y los oc�anos e incide sobre las variaciones clim�ticas en el �mbito mundial.

Los climas de la Tierra han cambiado radicalmente y se espera que lo sigan haciendo, sobre todo debido a los efectos de alteraciones geol�gicas, como el avance o el retroceso de los glaciares durante siglos o por enormes erupciones volc�nicas en poco tiempo. Pero, incluso algunos cambios relativamente peque�os del contenido atmosf�rico o de la temperatura de los oc�anos, si duran mucho tiempo, pueden tener serias repercusiones en el clima.

La Tierra tiene muchos recursos de gran importancia para la vida de los seres humanos. Algunos de ellos son f�cilmente renovables, otros se pueden renovar pero a un alto costo y otros m�s no son renovables. El planeta contiene una gran variedad de minerales, cuyas propiedades dependen de la historia de c�mo se formaron, as� como de los elementos de que se componen. La abundancia de estos minerales puede ser rara o ilimitada, pero la dificultad de extraerlos del ambiente es un aspecto tan importante como su abundancia. Una gran variedad de minerales constituyen fuentes de materiales b�sicos para la industria, tal es el caso del hierro, el aluminio, el magnesio y el cobre. Muchas de las fuentes m�s importantes se han ido agotando, haciendo cada vez m�s dif�cil y caro obtenerlos.

El agua dulce es un recurso esencial para la vida diaria y los procesos industriales. Se obtiene de r�os y lagos y del manto que se desplaza debajo de la superficie de la Tierra. Esta agua subterr�nea, la cual constituye una fuente importante para muchas personas, se ha acumulado al paso de un tiempo prolongado hasta alcanzar las cantidades que ahora se est�n usando. En algunos lugares se est� agotando con suma rapidez. Adem�s, muchas fuentes de agua dulce no se pueden utilizar debido a que est�n contaminadas.

El viento, las mareas y la radiaci�n solar est�n disponibles de manera continua y pueden captarse para brindar fuentes de energ�a. En principio, los oc�anos, la atm�sfera, los suelos, las criaturas marinas y los �rboles son recursos renovables. Sin embargo, puede ser sumamente caro limpiar el aire y el agua contaminados, restablecer los bosques y las zonas de pesca destruidos, o restaurar o preservar los suelos erosionados debido al manejo deficiente de las �reas destinadas a la agricultura. Aunque los oc�anos y la atm�sfera son muy grandes y tienen una gran capacidad para absorber y reciclar materiales de manera natural, tienen sus l�mites. Poseen una capacidad finita para resistir el cambio sin generar alteraciones ecol�gicas mayores, que tambi�n pueden tener efectos adversos sobre las actividades humanas.

PROCESOS QUE LE DAN FORMA A LA TIERRA

El n�cleo de la Tierra es caliente, est� sometido a alta presi�n debido al peso de las capas suprayacentes y es m�s denso que su corteza rocosa. Las fuerzas internas del planeta causan cambios continuos en su superficie. La corteza s�lida incluidos los continentes y las cuencas de los oc�anos consiste en secciones separadas que descansan en una capa caliente semis�lida. Las placas de la corteza se desplazan sobre esta capa m�s blanda m�s o menos una pulgada o m�s por a�o chocando en algunos sitios y apart�ndose en otros. En el lugar de colisi�n, las placas de la corteza terrestre se pueden raspar en sus extremos o comprimir la tierra en pliegues que m�s tarde se convierten en cadenas monta�osas (como las monta�as Rocosas y los montes del Himalaya); o bien, una placa puede deslizarse bajo la otra y hundirse m�s en la tierra. A lo largo de los l�mites entre las placas que chocan, los sismos sacuden y rompen la superficie de la Tierra, y las erupciones volc�nicas liberan roca fundida desde abajo, lo cual tambi�n forma monta�as.

En donde las placas se separan por abajo de los continentes la tierra se hunde para formar amplios valles. Cuando la separaci�n ocurre en las regiones delgadas de las placas que subyacen en las cuencas de los oc�anos, las rocas derretidas manan y constituyen fondos oce�nicos cada vez m�s amplios. La actividad volc�nica a lo largo de estas separaciones en medio del oc�ano puede construir monta�as submarinas, las cuales llegan a ser m�s altas que las que se encuentran en la superficie terrestre en ocasiones salen de la superficie del agua y forman islas en medio de los oc�anos (como Hawai).

Las olas, el viento, el agua y el hielo esculpen la superficie de la Tierra para producir accidentes geogr�ficos distintos. Los r�os y el hielo glacial se llevan el suelo y fracturan las rocas, depositando finalmente los materiales en sedimentos o transport�ndolos en soluci�n al mar. Algunos de estos efectos ocurren con rapidez y otros muy lentamente. Por ejemplo, muchas de las caracter�sticas de la superficie de la Tierra pueden rastrearse en la actualidad hasta el movimiento de avance y retroceso de los glaciares en gran parte del hemisferio norte durante un periodo que dur� m�s de un mill�n de a�os. En contraste, el litoral puede cambiar casi de la noche a la ma�ana en la medida que las olas erosionan las costas y los vientos desplazan los materiales sueltos de la superficie y los depositan en otra parte.

Elementos como el carb�n, el ox�geno, el nitr�geno vuelven y el azufre se reciclan lentamente a trav�s de la tierra, los oc�anos y la atm�sfera, cambiando sus localizaciones y combinaciones qu�micas. Los minerales se hacen, se disuelven y se n a formar sobre la superficie de la Tierra, en los oc�anos y en las capas calientes de alta presi�n que se encuentran debajo de la corteza. Los sedimentos de arena y conchas de organismos muertos se van enterrando gradualmente, se consolidan con los minerales disueltos, convirti�ndose a la larga nuevamente en roca s�lida. Las rocas sedimentarias profundas pueden sufrir cambios por presi�n o calor, fundi�ndose y volviendo a cristalizar en diferentes tipos de roca.

Las capas de roca enterrada se pueden impulsar de nuevo hacia arriba hasta convertirse en superficie terrestre e incluso formar monta�as. Miles y miles de capas de roca sedimentaria atestiguan la larga historia de la Tierra y de formas de vida cambiantes cuyos vestigios se encuentran en capas sucesivas de roca.

Las plantas y los animales modifican la forma del paisaje de diversas maneras. La composici�n y la consistencia del suelo, y consecuentemente su fertilidad y resistencia a la erosi�n, reciben en gran medida la influencia de las ra�ces y restos de plantas, bacterias y hongos, que agregan material org�nico al suelo, y de insectos, gusanos y animales de madriguera, que lo desmenuzan. La presencia de vida tambi�n ha alterado la atm�sfera terrestre. Las plantas absorben el di�xido de carbono del aire, utilizan el carbono para sintetizar az�cares y liberar ox�geno. Este proceso es el que explica la presencia de ox�geno en el aire actualmente.

Los accidentes geogr�ficos, el clima y los recursos de la superficie de la Tierra afectan el lugar y la forma de vida de las personas, asi como la manera en que se ha desarrollado la historia humana. Al mismo tiempo, las actividades humanas han cambiado la superficie terrestre, los oc�anos y la atm�sfera. Por ejemplo, la reducci�n de la cantidad de bosques que cubren la superficie de la Tierra ha provocado un incremento importante en el di�xido de carbono atmosf�rico, que puede conducir a su vez a un aumento en la temperatura promedio de la atm�sfera y la superficie terrestres. El humo y otras sustancias que se desprenden de la actividad humana interact�an qu�micamente con la atm�sfera y producen efectos indeseables, como esmog, lluvia �cida y tal vez un incremento en la nociva radiaci�n ultravioleta que penetra en la atm�sfera. La agricultura intensiva ha desnudado la tierra de vegetaci�n y humus, creando pr�cticamente desiertos en algunas partes del mundo.

Las cosas del mundo f�sico parecen estar hechas de una variedad asombrosa de materiales, que difieren mucho en forma, densidad, flexibilidad, textura, dureza y color; en su capacidad para emitir, absorber, desviar o reflejar la luz; en la forma en que se comportan a diferentes temperaturas; en sus respuestas entre s�, y en cientos de otras formas. Sin embargo, a pesar de las apariencias, todo est� constituido en realidad de una cantidad minima de tipos de materiales b�sicos combinados de diversos modos; se sabe que existen unos c�en en la actualidad los elementos qu�micos y s�lo unos cuantos de ellos son abundantes en el universo. Cuando dos o m�s sustancias interact�an para formar otras nuevas, como sucede en la combusti�n, digesti�n, corrosi�n y cocci�n, los elementos componentes se combinan de maneras distintas. En tales recombinaciones, las propiedades de las combinaciones nuevas pueden ser muy diferentes de las sustancias originales. Un tipo especialmente importante de reacci�n entre las sustancias incluye la combinaci�n del ox�geno con algo m�s, como sucede en la combusti�n o la oxidaci�n.

La premisa b�sica de la teor�a moderna de la materia es que los elementos constan de muy pocos tipos de �tomos diferentes part�culas tan peque�as que no se pueden observar en un microscopio que se unen en distintas configuraciones para formar sustancias. Hay una o m�s pero nunca muchas clases de estos �tomos para cada uno de los aproximadamente cien elementos.

Existen patrones distintos de propiedades entre los elementos. Hay grupos de �stos que tienen propiedades similares, incluyendo los metales altamente reactivos, los metales menos reactivos, los elementos no met�licos muy reactivos (como el cloro, el fl�or, y el ox�geno), y algunos gases casi completamente no reactivos (como el helio y el ne�n). Algunos elementos no encajan en ninguna de estas categor�as; entre ellos se encuentran el carbono y el hidr�geno, componentes esenciales de la materia viva. Cuando los elementos se disponen en una lista en orden por la masa de sus �tomos, aparecen secuencias similares de propiedades una y otra vez en la lista.

Cada �tomo est� compuesto de un n�cleo central cargado positivamente s�lo una fracci�n muy peque�a del volumen del �tomo, pero contiene la mayor parte de su masa, rodeado por una nube de electrones mucho m�s ligeros con carga negativa. El n�mero de electrones en un �tomo que va desde uno hasta casi cien define el n�mero de part�culas cargadas, o protones, en el n�cleo, y determina la forma en que el �tomo se unir� a otros �tomos para formar mol�culas. Las part�culas el�ctricamente neutras (neutrones) que se encuentran en el n�cleo se agregan a la masa de �ste, pero no afectan el n�mero de electrones y, por tanto, casi no tienen efecto sobre las uniones del �tomo con otros �tomos (su comportamiento qu�mico). Por ejemplo, un bloque de carbono puro est� constituido de dos tipos, o is�topos, de �tomos de carbono que difieren algo en masa pero que tienen propiedades qu�micas casi id�nticas. Los cient�ficos siguen investigando los �tomos y han descubierto incluso constituyentes m�s peque�os que componen los electrones, neutrones y protones.

Cada sustancia puede existir en varios estados diferentes, dependiendo de la temperatura y la presi�n. As� como el agua puede existir en forma de hielo, agua y vapor, todas las sustancias salvo unas cuantas pueden tomar tambi�n las formas s�lida, l�quida y gaseosa. Cuando la materia se enfr�a lo suficiente, los �tomos o las mol�culas se anclan en un lugar, en una forma m�s o menos ordenada, para constituir s�lidos. Aumentar la temperatura significa incrementar la energ�a cin�tica promedio de los �tomos. As�, si aumenta la temperatura, los �tomos y las mol�culas se agitan m�s y se separan ligeramente; esto es, el material se expande. A temperaturas m�s altas, los �tomos y las mol�culas se agitan a�n m�s y se pueden deslizar unos sobre otros manteniendo sus enlaces laxos, como sucede en el estado l�quido. A temperaturas a�n m�s altas, la agitaci�n de los �tomos y las mol�culas supera la atracci�n entre ellas y pueden moverse libremente alrededor, interactuando s�lo cuando est�n muy cercanas; por lo general se separan unas de otras para constituir un estado gaseoso.

Cuando la temperatura aumenta todav�a m�s, la energ�a de las colisiones descompone todas las mol�culas en �tomos, al tiempo que impacta los electrones y los aleja de los �tomos, produciendo iones. A temperaturas extremadamente altas, los n�cleos de los �tomos pueden estar tan cerca durante las colisiones que resultan afectados por las poderosas fuerzas nucleares internas, y pueden ocurrir reacciones nucleares.

La disposici�n de los electrones m�s externos en un �tomo determina el modo en que �ste se puede unir a otros y formar materiales. Los enlaces se forman entre los �tomos cuando los electrones son transferidos de un �tomo a otro, o cuando los electrones se comparten m�s o menos entre ellos. Dependiendo de qu� tipo de enlace se lleve a cabo, los �tomos se pueden unir en mezclas ca�ticas, en mol�culas distintas que tienen un n�mero y configuraci�n uniforme de �tomos, o en los patrones repetidos sim�tricamente de las disposiciones cristalinas. Las configuraciones moleculares pueden ser tan simples como pares de �tomos id�nticos (tal es es el caso de las mol�culas de ox�geno) o tan complejas como cadenas plegadas y enlaces cruzados de miles de �tomos de largo (como las mol�culas de prote�na y ADN). Las formas exactas de estas mol�culas complejas constituyen un factor critico en la manera en que interact�an entre s�. Los arreglos cristalinos pueden ser enteramente regulares o estar permeados con irregularidades de composici�n y estructura. Las peque�as diferencias en composici�n y estructura pueden dar materiales con propiedades muy distintas.

La configuraci�n de los electrones en los �tomos determina qu� reacciones pueden ocurrir entre estos �ltimos, cu�nta energ�a se requiere para hacer que suceda la reacci�n, y cu�nta energ�a se libera en ella. Los indices a los cuales ocurren las reacciones en un gran conjunto de �tomos dependen en gran medida de la frecuencia con la que los reactivos se encuentran uno con otro; por tanto, dependen de su concentraci�n y de la rapidez con que se mueven, es decir, de la temperatura. Los indices de reacci�n se pueden afectar en gran medida por concentraciones muy peque�as de algunos �tomos y mol�culas que se unen a las sustancias que van a reaccionar en una forma que la posiciona adecuadamente para unirse entre s�, o las cuales tienen un estado excitado que puede transferir la cantidad correcta de energ�a para que suceda la reacci�n. En particular, las reacciones que ocurren en soluciones acuosas pueden afectarse de manera significativa por la acidez de la soluci�n.

Cada uno de los elementos que constituyen las sustancias conocidas consisten en s�lo unos cuantos is�topos que aparecen de manera natural. La mayor parte de otros posibles is�topos de cualquier elemento son inestables y, si llegan a formarse, tarde o temprano se desintegrar�n en alg�n is�topo de otro elemento (que por s� mismo puede ser inestable). La desintegraci�n incluye la emisi�n de part�culas y radiaci�n del n�cleo, esto es, radiactividad. En los materiales de la Tierra, hay peque�as proporciones de algunos is�topos radiactivos que quedaron de la formaci�n original de elementos pesados en las estrellas. Algunos se formaron en �pocas m�s recientes debido a impactos de part�culas nucleares provenientes del espacio, o a partir de la desintegraci�n nuclear de otros is�topos. Juntos, estos is�topos producen un bajo nivel de radiaci�n de fondo en el ambiente general.

No es posible predecir cu�ndo se va a desintegrar un n�cleo inestable. Se puede determinar solamente qu� fracci�n de un conjunto de n�cleos id�nticos tienen la posibilidad de desintegrarse en un periodo determinado. La vida media de un is�topo inestable es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los n�cleos en cualquier muestra de ese is�topo; las vidas medias de is�topos diferentes van de menos de una millon�sima de segundo hasta muchos millones de a�os. La vida media de cualquier is�topo particular es constante y no se ve afectada por condiciones f�sicas, como presi�n y temperatura. Por tanto, la radiactividad se puede utilizar para estimar el paso del tiempo, midiendo la fracci�n de n�cleos que ya se han desintegrado. Por ejemplo, la fracci�n de un is�topo inestable de vida media larga que permanece en una muestra de roca, puede utilizarse para estimar cu�nto tiempo hace que se form� dicha roca.

TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA

La energ�a aparece en muchas formas, incluida la radiaci�n, el movimiento de los cuerpos, el estado de excitaci�n de los �tomos y la tensi�n intra e itermolecular. Todas estas formas son equivalentes en un sentido importante; es decir, una forma puede transformarse en otra. La mayor parte de lo que sucede en el universo como el colapso y la explosi�n de estrellas, el crecimiento y la descomposici�n biol�gicos, la operaci�n de m�quinas y computadorasincluye una forma de energ�a que se transforma en otra.

Las formas de energ�a se pueden describir de diferentes maneras: la energ�a del sonido es sobre todo el movimiento regular de atr�s hacia adelante de las mol�culas; la energ�a calor�fica es el movimiento aleatorio de mol�culas; la energ�a gravitacional aparece en la separaci�n de masas que se atraen mutuamente; la energ�a almacenada en tensiones mec�nicas incluye la separaci�n de cargas el�ctricas que se atraen entre s�. Aunque las diversas formas parecen muy distintas, cada una de ellas se puede medir de un modo que hace posible calcular qu� tanto de una forma puede convertirse en otra. Cuando disminuye la cantidad de energ�a en un lugar o en una forma, la cantidad en otro sitio o en otra forma aumenta en una cantidad equivalente. Por tanto, si la energ�a no se filtra hacia dentro o hacia fuera a trav�s de los l�mites de un sistema, la energ�a total de las diferentes formas en el sistema no cambia, no importa qu� tipo de transformaciones graduales o violentas ocurran realmente en �l.

Pero la energ�a tiende a escaparse a trav�s de los l�mites. En particular, las transformaciones de energ�a generalmente dan por resultado la producci�n de algo de calor, el cual se disipa por radiaci�n o conducci�n (como sucede en las m�quinas, los alambres el�ctricos, los tanques de agua caliente, el cuerpo humano y los sistemas estereof�nicos). Adem�s, cuando el calor sufre conducci�n o radiaci�n hacia un l�quido, se establecen corrientes que suelen favorecer la transferencia de calor. Los materiales que no conducen bien el calor se pueden utilizar para reducir la p�rdida de �ste, aunque nunca puede evitarse por completo la fuga calor�fica. Por tanto, la cantidad total de energ�a disponible para la transformaci�n casi siempre es decreciente. Por ejemplo, casi toda la energ�a almacenada en las mol�culas de gasolina que se utiliza durante un viaje en autom�vil se disipa a trav�s de la fricci�n y el tubo de escape, produciendo un ligero aumento de temperatura en el veh�culo, la carretera y el aire. Pero incluso si tal energ�a difusa se pudiera detener, tender�a a distribuirse de modo uniforme y, por tanto, ya no podr�a volverse a utilizar. Esto se debe a que la energ�a puede provocar transformaciones solamente cuando se concentra m�s en algunos sitios que en otros, como en las ca�das de agua, las mol�culas de alta energ�a de combustibles y alimentos, los n�cleos inestables y la radiaci�n que proviene del Sol intensamente caliente. Cuando la energ�a se transforma en energ�a calor�fica que se difunde a todas partes, es menos probable que ocurran m�s transformaciones.

La raz�n por la que el calor tiende siempre a difundirse de lugares m�s calientes a otros m�s fr�os es un asunto de probabilidad. La energ�a calor�fica en un material consiste de movimientos desordenados de sus �tomos o mol�culas que se encuentran en colisi�n perpetua. Cuando un gran n�mero de �tomos o mol�culas en una regi�n de un material chocan en forma aleatoria y repetida con las de una regi�n vecina, hay mucho m�s maneras en las que su energ�a de movimiento aleatorio puede terminar por distribuirse casi igualmente en ambas regiones en lugar de concentrarse en una sola. Por consiguiente, es mucho m�s probable que ocurra la distribuci�n desordenada de energia calorifica a todas partes que la concentraci�n m�s ordenada en un lugar. De manera m�s general, en cualesquiera interacciones de �tomos o mol�culas, la probabilidad estadistica establece que terminar�n en un mayor desorden que con el que empezaron.

Sin embargo, es completamente posible que en algunos sistemas aumente el orden mientras que en los sistemas conectados a ellos el desorden se incrementa a�n m�s. Las c�lulas de un organismo humano, por ejemplo, siempre est�n ocupadas en incrementar el orden, como sucede en la s�ntesis de mol�culas complejas y la formaci�n de estructuras corporales. Pero esto ocurre al costo de aumentar el desorden circundante a�n m�s como descomponer la estructura molecular de los alimentos que se consumen y calentar los alrededores. El asunto es que la cantidad total de desorden tiende siempre a aumentar.

Se asocian diferentes niveles de energ�a con diversas configuraciones de �tomos en las mol�culas. Algunos cambios en la configuraci�n requieren energ�a adicional, en tanto que otros la liberan. Por ejemplo, tiene que suministrarse energ�a calor�fica para iniciar el fuego con carb�n (mediante la evaporaci�n, algunos �tomos de carbono se separan de otros en el carb�n); sin embargo, cuando las mol�culas de ox�geno se combinan con los �tomos de carbono en la configuraci�n de baja energ�a de una mol�cula de di�xido de carbono, se libera mucho m�s energ�a como calor y luz. O una mol�cula de clorofila se puede excitar hacia una configuraci�n de alta energ�a por la luz solar; la clorofila, por su parte, excita a las mol�culas de di�xido de carbono y agua de modo tal que pueden unirse, a trav�s de varios pasos, en la configuraci�n de alta energ�a de una mol�cula de az�car (m�s cierta cantidad de ox�geno regenerado). M�s tarde, la mol�cula de az�car puede interactuar con el ox�geno para producir mol�culas de di�xido de carbono y agua otra vez, transfiriendo la energ�a adicional de la luz solar todav�a a otras mol�culas.

Es evidente que la energ�a y la materia se presentan en unidades discretas en el nivel molecular y niveles inferiores: cuando la energ�a de un �tomo o una mol�cula cambia de un valor a otro, lo hace en saltos definidos, sin valores posibles entre ellos. Estos efectos de cuanto producen fen�menos en la escala at�mica muy diferentes de aqu�llos con los que se est� familiarizado. Cuando la radiaci�n encuentra un �tomo, puede excitarlo a un nivel m�s alto de energ�a interna solamente si puede aportar la cantidad correcta de energ�a para el paso. Tambi�n ocurre lo inverso: cuando el nivel de energ�a de un �tomo se relaja por un paso, se produce una cantidad discreta (cuanto) de energ�a de radiaci�n. Por tanto, la luz emitida o absorbida por una sustancia puede servir para identificar de qu� sustancia se trata, no importa si est� en el laboratorio o en la superficie de una estrella distante.

Las reacciones en los n�cleos de los �tomos incluyen cambios de energ�a mucho m�s grandes que las reacciones entre las estructuras de los electrones externos de los �tomos (esto es, reacciones qu�micas). Cuando n�cleos muy pesados, como los de uranio o plutonio se dividen en otros de peso medio, o cuando n�cleos muy ligeros, como los de hidr�geno y helio, se combinan con otros m�s pesados, se liberan grandes cantidades de energ�a en forma de radiaci�n y part�culas que se mueven con rapidez. La fisi�n de algunos n�cleos pesados ocurre de manera espont�nea, produciendo neutrones adicionales que inducen la fisi�n en m�s n�cleos, y as� sucesivamente, dando lugar a una reacci�n en cadena. Sin embargo, la fisi�n de n�cleos ocurre solamente que choquen a velocidades muy altas (superando la repulsi�n el�ctrica entre ellos), como las colisiones que ocurren a temperaturas muy altas producidas dentro de una estrella o por una explosi�n por fisi�n.

El movimiento es tambi�n una parte del mundo fisico, como lo son la materia y la energ�a. Todo se mueve �tomos y mol�culas; estrellas, planetas y lunas; la Tierra y su superficie y todo aquello que se encuentra sobre esta �ltima; todos los seres vivos y cada una de sus partes. Nada en el universo est� en reposo.

Puesto que todo se mueve, no hay un punto de referencia fijo contra el cual se pueda describir el movimiento de las cosas. Todo movimiento es relativo al punto u objeto que se elige. As�, un autob�s estacionado no tiene movimiento con referencia a la superficie de la Tierra; pero, puesto que �sta gira sobre su eje, el autob�s se est� moviendo aproximadamente a mil millas por hora alrededor del centro del planeta. Si el autob�s se est� desplazando en la carretera y una persona camina por el pasillo, �sta tiene una velocidad con referencia al autob�s, otra respecto de la carretera y una m�s en relaci�n con el centro de la Tierra. No hay un punto en el espacio que pueda servir como referencia de lo que est� realmente en movimiento.

Las alteraciones en el movimiento la aceleraci�n, la desaceleraci�n, los cambios de la direcci�n se deben a los efectos de las fuerzas. Cualquier objeto mantiene una velocidad y direcci�n consllantes de movimiento a menos que act�e una fuerza externa no equilibrada sobre �l. Cuando una fuerza tal act�a sobre un objeto, cambia el movimiento de �ste. Dependiendo de la direcci�n de la fuerza respecto a la direcci�n del movimiento, el objeto puede cambiar su velocidad (una manzana que cae) o la direcci�n de su movimiento (la Luna y su �rbita curva), o ambos (una pelota en vuelo). Mientras m�s grande es la intensidad de la fuerza no equilibrada, mayor es la rapidez con la que cambia la velocidad o la direcci�n de movimiento de un objeto; cuanto mayor es la masa de un objeto, menor es la rapidez con la que se modifica su velocidad o direcci�n en respuesta a cualquier fuerza. Y cuando un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, B ejerce una fuerza igualmente intensa sobre A. Por ejemplo, un clavo de hierro A atrae a un im�n B con la misma fuerza que el im�n B atrae al clavo de hierro A, pero en direcci�n opuesta. En situaciones m�s familiares, la fricci�n entre superficies crea fuerzas que entran en juego y complican la descripci�n del movimiento, aunque los principios b�sicos son aplicables todav�a.

Algunos movimientos complicados se pueden describir de manera m�s conveniente, no en t�rminos de fuerzas directamente sino en descripciones sumarias de los patrones de movimiento, como las vibraciones y ondas. La vibraci�n incluye partes de un sistema que se mueve de atr�s hacia adelante en el mismo lugar, de tal forma que el movimiento se puede resumir en la frecuencia con la que se repite y la distancia a la que una part�cula se desplaza durante un ciclo. Otra caracter�stica sumaria es el �ndice al cual la vibraci�n, cuando se deja a s� misma, desaparece gradualmente a medida que se disipa la energ�a.

Las vibraciones pueden causar una perturbaci�n itinerante que se propaga a partir de su fuente. Los ejemplos de tales alteraciones son el sonido, la luz y los sismos, los cuales revelan una conducta muy semejante a la de las conocidas ondas superficiales en el agua, que cambian su direcci�n en los l�mites entre medios, se difractan en las esquinas y se interfieren entre s� de manera predecible. Por tanto, se habla de ondas sonoras, ondas de luz, etc., y las matem�ticas de la conducta de las ondas son de utilidad para describir todos estos fen�menos. El comportamiento de las ondas tambi�n se puede describir en t�rminos de la rapidez con que se propaga la perturbaci�n, y de la distancia entre las crestas sucesivas de esta �ltima (la longitud de onda).

La longitud de onda observada depende en parte del movimiento relativo de la fuente de la onda respecto al observador. Si la fuente est� en movimiento hacia el observador, o viceversa, la onda est� en efecto comprimida y se percibe como m�s corta; si la fuente y el observador se est�n alejando, la onda de hecho est� estirada y se percibe como m�s larga. Ambos efectos son obvios en el cambio aparente de tono del claxon de un autom�vil cuando pasa al observador. Por tanto, estos cambios aparentes en la longitud de onda ofrecen informaci�n sobre el movimiento relativo. Un ejemplo muy significativo de esta situaci�n es el cambio en la longitud de onda de la luz procedente de estrellas y galaxias. Debido a que la luz emitida por la mayor parte de ellas cambia hacia longitudes de onda m�s largas, esto es, hacia el extremo rojo del espectro, los astr�nomos concluyen que las galaxias se alejan entre s� y, por tanto, que estamos en un universo que se expande globalmente.

La longitud de onda puede influir de manera importante en la forma en que la onda interact�a con la materia en qu� tan bien se trasmite, se absorbe, se refleja o se difracta. Por ejemplo, los modos en que las ondas de choque de diferentes longitudes de ondas viajan y se reflejan en las capas de roca constituyen una clave importante para averiguar c�mo es el interior de la Tierra. La interacci�n de las ondas electromagn�ticas con la materia var�a en gran medida con la longitud de onda, tanto en la manera en que se producen como en sus efectos. Tipos diferentes de ondas, aunque un tanto traslapantes, han recibido distintos nombres: ondas de radio, microondas, radiaci�n infrarroja o calor radiante, luz visible, radiaci�n ultravioleta, rayos x y rayos gamma.

Los materiales que permiten pasar a trav�s de ellos una gama de longitudes de onda, pueden absorber completamente otras. Por ejemplo, algunos gases en la atm�sfera, incluyendo el di�xido de carbono y el vapor de agua, son transparentes a la mayor parte de la luz que reciben del Sol, pero no a la radiaci�n infrarroja de la superficie caliente de la Tierra. En consecuencia, la energ�a calor�fica se ve atrapada en la atm�sfera. La temperatura de la Tierra aumenta hasta que la radiaci�n que disipa alcanza un equilibrio con la radiaci�n que absorbe del Sol. El ozono, otro gas atmosf�rico, absorbe cierta cantidad de la radiaci�n ultravioleta de la luz solar las longitudes de onda que producen quemaduras, bronceado y c�ncer en la piel de los seres humanos.

Incluso dentro de los limites mencionados de la radiaci�n electromagn�tica, diferentes longitudes de onda interact�an con la materia de maneras distintas. El ejemplo m�s familiar es que las diversas longitudes de onda de la luz visible interact�an con los ojos de manera diferente, dando la sensaci�n de distintos col�res. Las cosas parecen tener diferentes colores porque reflejan o dispersan la luz visible de algunas longitudes de ondas m�s que otras, como en el caso de las plantas que absorben las longitudes de onda del azul y el rojo, y reflejan solamente el verde y el amarillo. Cuando la atm�sfera dispersa la luz del Sol, la cual es una mezcla de todas las longitudes de onda, la luz de longitud de onda corta (que da la sensaci�n del azul) es diseminada mucho m�s por las mol�culas del aire que la luz de longitud de onda larga (el rojo). Por tanto, la atm�sfera se ve azul, y el Sol, visto a trav�s de ella en una luz sin dispersar, parece rojizo.

FUERZAS DE LA NATURALEZA

Los dos tipos de fuerza que se conocen com�nmente son la gravitacional y la electromagn�tica.

Todo en el universo ejerce fuerzas gravitacionales sobre cualquier cosa, aunque los efectos se notan con facilidad s�lo cuando interviene por lo menos una masa muy grande, como una estrella o un planeta. La gravedad es la fuerza que se encuentra detr�s de la ca�da de la lluvia, la fuerza de los r�os, el pulso de las mareas; atrae la materia de los planetas y las estrellas hacia sus centros para formar esferas, sostiene a los planetas en �rbita y re�ne el polvo c�smico para formar estrellas. Se cree que las fuerzas gravitacionales implican un campo de gravedad que afecta el espacio que se encuentra alrededor de cualquier masa. La fuerza del campo alrededor de un objeto es proporcional a su masa y disminuye con la distancia a partir de su centro. Por ejemplo, la atracci�n de la Tierra sobre un individuo depender� de si la persona se encuentra en la playa o muy alejado en el espacio.

Las fuerzas electromagn�ticas que act�an dentro de los �tomos y entre ellos, son inmensamente m�s poderosas que las fuerzas gravitacionales que act�an entre ellos. En una escala at�mica, las fuerzas el�ctricas entre los protones y electrones con cargas opuestas mantienen a los �tomos y a las mol�culas juntos y as� intervienen en todas las reacciones qu�micas. En una escala m�s grande, estas fuerzas conservan a los materiales s�lidos y liquidos compactos y act�an entre los objetos cuando est�n en contacto, por ejemplo, la fricci�n entre una toalla y la espalda de una persona, el impacto de un bate sobre una pelota. Por lo general, no se nota la naturaleza el�ctrica de muchas fuerzas conocidas porque las densidades casi iguales de las cargas el�ctricas positivas y negativas en los materiales neutralizan aproximadamente los efectos mutuos fuera del material. Pero incluso un m�nimo desequilibrio en estas cargas opuestas producir� fen�menos que van desde chispazos el�ctricos y ropas adherentes hasta rel�mpagos.

Dependiendo de la cantidad de cargas el�ctricas libres para moverse en los materiales, �stos muestran grandes diferencias en qu� tanto responden a las fuerzas el�ctricas. En un extremo, un material aislante de la electricidad, como el vidrio o el pl�stico, en condiciones normales no permite el paso de ninguna carga a trav�s de �l. En el otro extremo, un material conductor de la electricidad, como el cobre, ofrecer� muy poca resistencia al movimiento de cargas, de tal forma que las fuerzas el�ctricas que act�an sobre �l producen con facilidad una corriente de cargas. (La mayor parte de los cables el�ctricos son una combinaci�n de extremos: un conductor muy bueno cubierto por un aislante muy bueno.) De hecho, a temperaturas muy bajas, ciertos materiales pueden convertirse en superconductores, que ofrecen resistencia cero. Entre los materiales de baja y alta resistencia se encuentran los materiales semiconductores, en los cuales la facilidad con que se mueven las cargas puede variar en gran medida con cambios sutiles en la composici�n o las condiciones; estos materiales se emplean en transistores y ch�ps de computadora para controlar se�ales el�ctricas. El agua normalmente contiene fragmentos moleculares cargados de impurezas en soluci�n que son m�viles; por tanto, dicho l�quido es un conductor bastante bueno.

Las fuerzas magn�ticas est�n �ntimamente relacionadas con las fuerzas el�ctricas las dos se pueden visualizar como aspectos diferentes de una fuerza electromagn�tica �nica. Ambas act�an por medio de campos: una carga el�ctrica tiene un campo el�ctrico en su espacio circundante, el cual afecta a otras cargas, y un im�n tiene un campo magn�tico alrededor de �l, que afecta a otros imanes. Lo que es m�s, las cargas el�ctricas en movimiento producen campos magn�ticos y son afectadas por campos similares. Esta influencia es la base de muchos fen�menos naturales. Por ejemplo, las corrientes el�ctricas que circulan en el centro de la Tierra le confieren a �sta un gran campo magn�tico, el cual se detecta por la orientaci�n de las br�julas.

La interrelaci�n de las fuerzas el�ctricas y magn�ticas es tambi�n la base de muchos dise�os tecnol�gicos, como motores el�ctricos (en los cuales la corriente produce movimiento), generadores (en los cuales el movimiento produce corriente) y los tubos de televisi�n (en los cuales un haz de cargas el�ctricas en movimiento se desv�a hacia atr�s y hacia adelante por cambios peri�dicos de un campo magn�tico). De manera m�s general, un campo el�ctrico oscilante induce un campo magn�tico y viceversa.

Otros tipos de fuerzas operan solamente a escala subat�mica. Por ejemplo, la fuerza nuclear que conserva juntas a las part�culas dentro del n�cleo at�mico es mucho m�s fuerte que la fuerza el�ctrica, como lo evidencian las cantidades relativamente grandes de energ�a liberada por las interacciones nucleares.

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