PRESENTAREMOS en este y los siguientes capítulos el Universo en la escala microscópica, estudiaremos las partículas más fundamentales de la materia y echaremos un vistazo al mundo cuántico, con sus extrañas leyes, donde los entes fundamentales son partículas y ondas a la vez.

MATERIA

Lo que llamamos átomo en la actualidad no es, estrictamente hablando, el átomo de Demócrito. Ernest Rutherford demostró, en 1911, que el llamado átomo consta de unnúcleo, alrededor del cual giran pequeñas partículas llamadas electrones.

Los electrones son partículas con una carga eléctrica negativa, mientras que el núcleo atómico posee una carga eléctrica positiva. Debido a que cargas eléctricas de signo contrario se atraen, el núcleo ejerce una fuerza de atracción en los electrones que se encuentran a su alrededor.

Para visualizar un átomo, podemos pensar en un sistema solar microscópico en el que el núcleo sería el Sol y los electrones los planetas. La diferencia es que el Sol mantiene unidos a los planetas por la fuerza gravitacional que ejerce sobre ellos, mientras que el núcleo atrae a los electrones por medio de la fuerza eléctrica.

Pero el núcleo atómico no es una partícula, sino que está formado, a su vez, de dos tipos de partículas: los protones y los neutrones (Figura 1). La existencia de los primeros fue establecida por el mismo Rutherford en 1919, mientras que los segundos fueron descubiertos, años más tarde, por J. Chadwick. En resumen, parecía que tres tipos de partículas eran los constituyentes fundamentales de la materia.

 

 

Figura 1. Esquema de un átomo de helio. Dos electrones "giran" alrededor de un núcleo compuesto de dos protones y dos neutrones.

Los protones y los electrones son partículas con cargas eléctricas exactamente de la misma magnitud pero de signos contrarios. Esta

carga fundamental es de 1 .602 x 10-19coulombs. 2 3  Los neutrones por otra parte, no poseen carga eléctrica. La carga de un núcleo atómico está determinada de manera exclusiva por el número de protones que lo constituyen y es, por lo tanto de signo positivo. Evidentemente, la carga de un núcleo es un múltiplo entero de la carga de un protón.

Para tener una idea de lo diminutas que son estas partículas, señalemos que la masa de un electrón es de unos 9. 109 X 10-

28 gramos, mientras que un protón es 1 836 veces más masivo que un electrón —pesa cerca de 1. 673 X 10-24 gramos— y el neutrón es ligeramente más pesado que el protón — 1.675 X 10-24 gramos. El cuerpo humano, por ejemplo, está hecho de 20 000 billones de billones (2 X 1028) de protones, otros tantos electrones y un número un poco mayor de neutrones.

En la naturaleza existen, en estado natural, 92 tipos de elementos químicos. Un elemento químico está determinado enteramente por el número de protones en el átomo que lo constituye. El núcleo del átomo de hidrógeno consta de un único protón, el del helio posee dos protones y dos neutrones, el del litio tres protones y cuatro neutrones, ...el carbón seis protones y seis neutrones... el hierro 26 protones y 30 neutrones... y así hasta el uranio, cuyo núcleo está formado por 92 protones y 146 neutrones. Además, los átomos de diversos elementos químicos suelen unirse entre sí para formar moléculas; por ejemplo, la molécula del agua consta de dos átomos

de hidrógeno y uno de oxígeno. Los átomos se mantienen unidos en las moléculas gracias a las atracciones eléctricas y magnéticas.

Como veremos con más detalle en el próximo capítulo, los protones y neutrones se encuentran amarrados en el núcleo por las fuerzas nucleares. Para transmutar un elemento químico en otro es necesario cambiar el número de protones en el núcleo, lo cual es posible en principio, pero requiere de una enorme cantidad de energía, muchísimo mayor de la que soñaron los alquimistas. La razón es que las fuerzas nucleares son tan intensas, que no se puede despegar fácilmente un protón del núcleo.

En cambio, las fuerzas eléctricas son menos intensas, por lo que es factible despegar uno o varios electrones de un átomo. En condiciones normales en la Tierra, los átomos constan generalmente de un igual número de electrones que de protones y, por lo tanto, la carga neta de un átomo es cero. Pero puede suceder que algunos electrones se escapen de la atracción del núcleo, dejando así al átomo con una carga positiva neta; en tal caso se dice que el átomo se ha convertido en un ion. En los metales, los átomos se pueden acomodar de tal manera que sus electrones viajan de un átomo a otro; la corriente eléctrica, por ejemplo, se debe al flujo de electrones en un cable metálico.

En resumen, los ladrillos fundamentales con los que está hecha toda la materia que existe a nuestro alrededor son los electrones, los protones y los neutrones. Pero, además de la materia, existe la radiación es decir, la luz...

LUZ

Ya en el siglo XVII, los físicos empezaron a preocuparse por la naturaleza de la luz. Isaac Newton pensaba que la luz estaba hecha de partículas, mientras que otros como Christian Huygens, sostenían que la luz es una onda que, al igual que una ola en el agua o el sonido en el aire, se propaga en algún misterioso medio al que llamaron éter.

La naturaleza de la luz quedó aparentemente elucidada a mediados del siglo XIX, cuando James Maxwell encontró las ecuaciones que describen la electricidad y el magnetismo, y demostró, a partir de esas ecuaciones, que la luz es una onda electromagnética. La consecuencia más lógica sería que si la luz es una onda, debería existir el éter para transportarla.

Quizás sería más apropiado decir que la luz presenta características propias de una onda incluso con esta aclaración, la realidad resultó más complicada. El primer problema era el éter mismo, esa extraña sustancia impalpable que sólo se manifiesta como transmisora de la

luz. Los intentos por detectarlo, aunque fuese de manera indirecta,

resultaron inútiles.4

Por otra parte, a fines del siglo XIX, ya se habían descubierto algunos fenómenos físicos que sencillamente no se podían explicar con base en una teoría ondulatoria de la luz. Max Planck demostró que la luz debía consistir de paquetes de energía, o cuantos y que la energía E de cada paquete es:

E= hv

donde h es ahora llamada constante de Planck 5  y v es la

frecuencia de la luz considerada 6  . Poco después, en un famoso trabajo publicado en 1905 por Albert Einstein demostró que el efecto fotoelétrico (el mismo que hoy en día permite construir los detectores que se usan, por ejemplo, para cerrar las puertas de los elevadores) sólo se puede explicar si la luz es una partícula. Tal partícula, el fotón, tiene la propiedad de no poseer masa sino energía pura, además de que siempre se mueve a la velocidad de la luz. Esta propiedad sólo puede entenderse en el marco de la teoría de la relatividad de Einstein, a la que volveremos más adelante. Por ahora señalemos que, de acuerdo con esta teoría, ninguna partícula puede moverse más rápidamente que la luz, y sólo puede moverse a esa velocidad si no posee masa, como es el caso de fotón.

Así pues, la luz es una onda y a la vez una partícula. Esta dualidad onda-partícula es una de las características más notorias del mundo cuántico y tendremos oportunidad de volver a ella. Por el momento recordemos que la longitud de una onda de luz —que se define como la distancia entre dos crestas o dos valles (Figura 2 ) — es inversamente proporcional a la frecuencia y, por lo tanto, a la energía del fotón asociado. A mayor energía del fotón, mayor frecuencia de vibración y menor longitud de la onda.

 

 

Figura 2. La longitud de onda es la distancia entre dos crestas, y es inversamente proporcional a la frecuencia (número de vibraciones por segundo).

Los fotones con más energía que se conocen son los fotones gamma, aquellos que constituyen los llamados rayos gamma cuyas longitudes de onda son menores que unos 10 -8 cm. Les siguen los rayos X, cuyas longitudes de onda se encuentran entre los 10- 8y los 10-6; cm; y luego los rayos ultravioleta, entre 10- 6 y 10-5, cm. Nuestros ojos sólo perciben la luz cuya longitud de onda se encuentra entre las 380 millonésimas de milímetro (luz violeta) y las 760 millonésimas de milímetro (luz roja); entre esas dos longitudes de onda se hallan todos los colores del arco iris; cada color corresponde a una longitud de onda bien definida. Si seguimos aumentando la longitud de onda pasamos a la luz infrarroja, a la que ya no son sensibles nuestros ojos, luego las microondas y finalmente las ondas de radio de uso tan común y cuya longitud de onda se sitúan entre pocos centímetros hasta varios cientos de metros. Entre los rayos gamma y las ondas de radio tenemos un muy amplio espectro de luz, y solo una pequeña zona de ese espectro es directamente perceptible a la visión. Para captar fotones fuera de nuestro rango de percepción visual necesitamos detectores artificiales.

ANTIMATERIA

Las partículas del mundo atómico se comportan de manera totalmente ajena a nuestra experiencia diaria. Por eso, los físicos tienen que recurrir a las matemáticas para describir adecuadamente la realidad. En 1929 el gran físico inglés P. A. M. Dirac encontró una descripción matemática del electrón que explicaba las características de esa partícula. Sin embargo, su teoría adolecía de ciertas fallas que hubieran desanimado a un físico con menos imaginación, pero que le sirvieron para hacer una atrevida predicción. En efecto, la teoría matemática de Dirac podía ser congruente a condición de redefinir el concepto mismo de vacío. Esto, a su vez, implicaba la existencia de una partícula idéntica al electrón, excepto en la carga eléctrica, que debía ser de signo contrario. Más aún, esa partícula debía tener la propiedad de aniquilarse totalmente con un electrón tan pronto entrara en contacto con él. A esa partícula Dirac la llamó antielectrón, o también positrón,por tener carga positiva.

Pero dos partículas no pueden esfumarse sin dejar rastro. Cuando un electrón y un positrón se destruyen mutuamente la masa de las dos se transforma totalmente en energía. Este fenómeno es una

excelente demostración de la equivalencia entre masa y energía descubierta por Albert Einstein y resumida en la famosa fórmula:

E = mc2,

(energía igual a masa por la velocidad de la luz al cuadrado)7 . La fórmula de Einstein implica que, en condiciones apropiadas, la materia puede transformarse en energía y viceversa. Así, Dirac predijo que un electrón y un positrón, al entrar en contacto, se aniquilarían transformando toda su masa en fotones de muy alta energía, más precisamente, dos fotones gamma.

El espacio cósmico está lleno de todo tipo de partículas sueltas (fotones, electrones, etc). Las que llegan a la Tierra producen los llamados rayos cósmicos. En 1932, Carl Anderson estudiaba estas partículas cuando descubrió una que, según indicaba su movimiento, tenía la misma masa que un electrón, pero carga eléctrica positiva. ¡Se trataba del positrón!

Una vez establecida la existencia del antielectrón, los físicos se percataron de que, de acuerdo con la teoría de Dirac, también deberían existir antiprotones y antineutrones. Y en efecto, éstos fueron descubiertos en los años cincuenta. Más aún, es perfectamente factible que existan antiátomos, formados por un núcleo de antiprotones y antineutrones, alrededor del cual giran positrones. Y con esos antiátomos se pueden formar objetos de antimateria, quizá antiplanetas, antiestrellas y ¡hasta antiseres vivos!

En resumen, a cada tipo de partícula corresponde una antipartícula con la cual se puede aniquilar si hacen contacto. La única excepción es la luz, ya que el fotón es su propia antipartícula. Dicho de otro modo, la luz no distingue entre materia y antimateria. En consecuencia, un objeto de antimateria se ve exactamente como si estuviera hecho de materia ordinaria.

Para dar una idea de las cantidades de energía implicadas, mencionemos que una tonelada de antimateria produce, al aniquilarse con una cantidad igual de materia, tanta energía como la que se consume actualmente en la Tierra durante un año. Desgraciadamente, no poseemos reservas de antimateria ni es factible producirla en grandes cantidades y almacenarla. Para producir una cierta cantidad de antimateria es necesario invertir la misma cantidad de energía que produciría su aniquilación. Y esa energía, a su vez, habría que sacarla de alguna fuente tradicional —petróleo, uranio, etcétera. (Una ley fundamental de la física es que la energía no se crea ni se destruye, sólo cambia de forma).

¿Qué tanta antimateria hay en el Universo? No se puede dar respuesta definitiva a esta pregunta porque, como la luz no distingue entre materia y antimateria, estas se ven idénticas. En principio, algunas de las estrellas o galaxias que vemos en el firmamento podrían ser de antimateria. Quizá existen antimundos habitados por seres de antimateria. La única manera de comprobarlo es ir a ellos o esperar su visita. Pero si algún ser formado de antimateria llegara a la Tierra, las consecuencias serían catastróficas para todos: al entrar en contacto con nuestra atmósfera explotaría, liberando tanta energía como varias explosiones nucleares juntas.

Para nuestra tranquilidad, es poco probable que abunde la antimateria en las cercanías del Sistema Solar. El encuentro de antimateria con materia produce enormes cantidades de energía en forma de rayos gamma; si hubiera mucha antimateria en nuestra vecindad cósmica, presenciaríamos continuas explosiones de rayos

gamma, lo cual no es el caso.8

Por otra parte, es importante señalar que así como una partícula y una antipartícula pueden convertir sus masas enteramente en energía —energía de los fotones gamma que producen—, el proceso contrario también ocurre en la naturaleza. Dos fotones gamma que choquen entre sí pueden producir una pareja de partícula y antipartícula, transformando así toda su energía en masa. Para que ello ocurra, los fotones deben poseer suficiente energía para generar una partícula y una antipartícula. La masa de un electrón es de 9 X 10-28 gramos; de acuerdo con la fórmula de Einstein, esta masa equivale a una energía 8 X 10-7 ergs; a su vez, esta energía es la que posee un fotón gamma cuya longitud de onda es de unos 2 x 10-10cm. Por lo tanto, dos fotones gamma con esa longitud de onda

o una menor pueden producir un electrón y un positrón. 9  Y si la energía de los fotones es unas 1800 veces mayor; entonces tendrán suficiente energía para crear pares de protones y antiprotones. Estos procesos son un excelente ejemplo de la equivalencia entre masa y energía.

Sólo hay una situación en la naturaleza en que materia y antimateria pueden coexistir. Un gas a una temperatura de unos 5 000 000 000 de grados Kelvin l0 o más está compuesto principalmente de electrones, positrones y fotones gamma. Al chocar un electrón y un positrón, se aniquilan produciendo un par de fotones gamma, pero siempre hay otra pareja de fotones gamma que chocan entre sí para producir un par de electrones y positrones, manteniendo así el número total de partícula de cada tipo. De este modo, a tan altas temperaturas la materia y la antimateria coexisten con la intermediación de los fotones, creándose y aniquilándose continuamente las partículas y las antipartículas. Y si

la temperatura del gas excede los diez billones de grados Kelvin, los fotones tendrán suficiente energía para generar también pares de protones y antiprotones.

Como veremos más adelante en este libro, los físicos han calculado que, de acuerdo con la teoría de la gran Explosión, había en el principio del Universo casi la misma cantidad de materia como de antimateria pero, después de unas fracciones de segundo, todas las antipartículas se aniquilaron con las partículas. Afortunadamente para nosotros, había un ligerísimo excedente de materia que no tuvo contraparte con qué aniquilarse y dio origen a las estrellas, los planetas y sus habitantes. Así, de acuerdo con la teoría del Origen del Universo más aceptada en la actualidad, la antimateria debe ser muy escasa. Sobreviven, si acaso, algunos raros fragmentos.

ONDA-PARTÍCULA: EL MUNDO CUÁNTICO

Mencionamos anteriormente que la luz, que pareciera ser una onda, se comporta algunas veces como una partícula. Algo enteramente análogo ocurre con las partículas: a nivel cuántico se comportan también como ondas. Louis de Broglie fue el primero en proponer que una partícula cuántica tiene las propiedades de una onda, cuya longitud es:

h/mv,

donde h es la constante de Planck, m la masa de la partícula y v su velocidad. Todas las partículas del mundo subatómico —electrones, protones, etc.— presentan esta dualidad. Éste es el principio fundamental de la mecánica cuántica rama de la física que surgió a principios del siglo XX para explicar los fenómenos del mundo microscópico.

Para ejemplificar una de las peculiaridades del mundo cuántico, quizá la más notoria, imaginemos un experimento que consiste en lanzar electrones hacia una pantalla. La mecánica cuántica predice cuántos electrones llegan a una región determinada de la pantalla, según las condiciones que estas partículas encuentren en su camino.

Supongamos que el experimento se realiza de tal manera que el haz original de electrones pasa por dos rendijas y se divide en dos haces Figura 3(a). Si se tratara estrictamente de partículas, uno esperaría que los electrones se acumulen en la pantalla en dos montones localizados cada uno enfrente de las dos rendijas. Pero el experimento real revela que esto no es lo que ocurre. Más bien, los electrones se acumulan sobre la pantalla formando franjas, o lo que en el lenguaje de la óptica se llama un patrón de interferencia. Esto es exactamente lo que se esperaría si los electrones fuesen ondas.

Piénsense, por ejemplo, en dos olas que se originan en puntos distintos y se cruzan; el resultado, como lo muestra la figura es que las crestas de las olas se suman para hacerse más altas, y los valles se suman para hacerse más profundos.

Por otra parte, si en el experimento de los electrones tapamos una de las rendijas, entonces el resultado es que los electrones se acumulan enfrente de la rendija abierta como si fuesen partículas. De algún modo abandonan su comportamiento de onda (Figura 3b).

 

 

Figura 3. Los electrones se comportan como ondas al pasar por dos rendijas (a), pero como partículas si se tapa una de las rendijas (b).

Pero la situación más sorprendente ocurre si nos empecinamos en determinar por cuál rendija pasa cada electrón individualmente. Uno podría pensar que la mitad de los electrones pasa por una rendija y la otra mitad por la otra. ¿Y qué sucede con un solo electrón? La respuesta parece trivial: pasará por una u otra rendija. Sin embargo, en el mundo cuántico esta condición se ha topado con serias dificultades. En efecto, si uno encuentra la manera de seguir la pista de los electrones para determinar por dónde pasan, entonces los electrones se comportan como partículas y desaparece el patrón de interferencia.

La mecánica cuántica tiene dos interpretaciones que son conceptualmente muy distintas. De acuerdo con una primera interpretación, la mecánica cuántica sólo se aplica al estudio estadístico de un número grande de partículas; en el ejemplo anterior se puede predecir lo que harán los electrones en su

conjunto, pero nada puede decirse del comportamiento de cada electrón por separado. En este sentido, la mecánica cuántica no sería una teoría completa de la naturaleza. Esta interpretación fue la que defendió Albert Einstein durante toda su vida, en contra de la opinión mayoritaria de los físicos de su época.

De acuerdo con una segunda interpretación la mecánica cuántica sí se aplica a una sola partícula. En el ejemplo del haz de electrones, un electrón pasa simultáneamente por las dos rendijas y las dos posibilidades son de igual modo "reales". El electrón permanece latente en las dos posiciones hasta que lo detectamos, con lo cual lo forzamos a mostrarse en una sola de esas opciones.

Esta segunda interpretación parece absurda, pues nada parecido ocurre en nuestro mundo macroscópico. Si lanzamos una moneda al aire muchas veces, aproximadamente la mitad de las veces caerá águila y la otra mitad sol. ¿Y si no miramos como cae? ¿Puede afirmarse que una moneda cae simultáneamente águila y sol hasta que la miremos y veamos una de las dos posibilidades? La diferencia fundamental con lo que sucede en el mundo cuántico consiste en que el mirar una moneda no influye en ella, pero detectar la posición de una una partícula como un electrón implica mandarle luz, la que modifica drásticamente su comportamiento. Los fundadores de la mecánica cuántica siempre insistieron en que, a nivel atómico, es imposible abstraerse de la relación entre observador y observado. Toda medición altera la realidad que estudia y esta alteración es fundamental para las partículas elementales. Esta interpretación se debe principalmente al físico danés Niels Bohr —a quien se considera uno de los creadores de la mecánica cuántica— y se conoce como interpretación de Copenhague. Einstein y Bohr sostuvieron durante toda su vida una amistosa pero apasionada disputa acerca de la interpretación de la mecánica cuántica, sin llegar jamás a un acuerdo.

El lector podrá pensar que, en la práctica, cualquiera de las dos interpretaciones de la mecánica cuántica debe conducir a los mismos resultados. Pero lo interesante es que, en los recién pasados años, se ha logrado realizar experimentos reales (no sólo imaginarios) aislando y utilizando unas pocas partículas elementales, discriminando así entre una u otra interpretación. Hasta ahora, los resultados experimentales parecen inclinar la balanza hacia la interpretación de Copenhague, en contra de las ideas de Einstein (por lo menos en sus modalidades más sencillas). Pero el debate iniciado por Einstein y Bohr aún está lejos de quedar resuelto.

HISTORIA DE LA ANTIMATERIAFase teóricaHasta1928no se había desarrollado la idea de antimateria, ni siquieracomo concepto, y mucho menos la capacidad de producirla. Losprimeros trabajos en este sentido fueron desarrollados porPaul Dirac,quien publicó sus estudios en el año1929, en la misma época en que sedescubrían los primeros secretos de la materia, se teorizaba sobre elcomportamiento de las partículas que comportan lafuerza débil, y seprofundizaba en los estudios de los componentes de losátomos,especialmente en la teorización de lafuerza fuerte. Fueron tiempos enque la audacia tuvo una preeminencia como rol intelectual dentro delmundo de la física, en el cual se plantearon conceptos como el de lamecánica ondulatoria, elprincipio de incertidumbreo, también, eldescubrimiento delespínen loselectrones.Este es el escenario científico e intelectual en el cualPaul Diracplanteóque donde había materia, también podía haber antimateria.Concretamente señaló que si el átomo tenía partículas de carganegativas llamadas electrones, debía haber partículas que fueran"electrones antimateria", a los que se les llamópositrones, que debíantener la mismamasadel electrón, pero de carga opuesta y que se

aniquilarían al entrar en contacto con ellos, liberando energía. Estedescubrimiento de Dirac fue tan revolucionario que lo hizo merecedordelPremio Nobel de Físicaen el año1933.Detección de las primeras antipartículasEl siguiente paso se dio en1932, cuandoCarl Anderson, del Instituto Tecnológico de California, en un proyecto, experimentando confirmó lateoría dePaul Dirac, al detectar la existencia de un positrón tras hacerchocarrayos cósmicos. Pasaron dos décadas para dar otro paso, que seprodujo en1955, cuando un equipo de laUniversidad de Berkeley formado por los físicosEmilio Segre,Owen Chamberlain(ambosganadores delPremio Nobel de Físicade1959),Clyde Weingandy  Tom   Ypsilantis lograron hallar el primer antiprotón, o sea, la primera partículaespecular delprotón(la partícula de carga positiva del átomo). Un añodespués, con el uso de las mismas instalaciones, otro equipo, formadoporBruce Cork,Oreste Piccione,William WenzelyGlen Lambertson ubicaron el primer antineutrón, el equivalente a la partícula de carganeutra de los átomos. La carrera por las tres antipartículas básicas-equivalentes a la neutra, la negativa y la positiva- había terminado.El siguiente paso se debió a científicossoviéticos, que por el año1965 contaban con el acelerador de partículas más poderoso de los existentesen esos momentos. En un trabajo encabezado por el físicoLeon Max Lederman , lograron detectar la primera partícula compleja deantimateria, el antideuterio, formado por dos partículas básicas.Posteriormente, usándose el mismo acelerador se detectó el antihelio.Con la inauguración, en1978, de las instalaciones europeas del Consejode Investigación de Alta Energía (CERN) deGinebra, y los avancestecnológicos que ello implicó, se pudo lograr crear antitritio y, en1981,realizar el primer choque controlado entre materia y antimateria, con loque pudo comprobarse una hipótesis valiosa: la cantidad de energíaliberada por el choque era mil veces superior a la energía nuclearconvencional.Hacia la creación de antimateriaSin embargo, para poder generarantiátomosfaltaba un ingrediente quepermitiera la combinación de antipartículas. La dificultad radicaba en lavelocidad con que se producen las partículas de antimateria y susviolentas colisiones. Era necesario contar con una fórmula quepermitiera desacelerarlas o igualar su velocidad para unirlas, obstáculoque fue superado, en parte, gracias a los trabajos del profesor de físicade laUniversidad de Stanford,Stan Brodsky, y por el ingeniero físicochileno Iván Schmidt, de laUniversidad Técnica Federico Santa María.En1992, Brodsky y Schmidt publicaron sus trabajos de complejoscálculos en los cuales sugerían la fórmula de un método para producirantiátomos, es decir, un modo de unir antielectrones y antiprotones.Esta teoría necesitaba un proceso con una serie de pruebas. A ellos seunió entoncesCharles Munger, quién formó su propio equipo enChicago para realizar los experimentos. Pero las publicaciones norteamericano-chilenas también llamaron la atención de físicoseuropeosdel CERN,donde se formó un equipo multinacional encabezado porWalter Oelert con el objetivo de experimentar en la creación de un antiátomo. En lapráctica, con ello, nació una competencia científico-mundial paraalcanzar este logro.

Noción clásica de substancia[editar · editar fuente]

Una forma común de identificar esta “sustancia” es mediante sus propiedades físicas; así una

definición común de materia es “todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen”.3 Sin embargo,

esta definición tiene que ser revisada a la luz de la mecánica cuántica, donde el concepto "tener

masa ", y “ocupar espacio" no está tan bien definido como en la vida diaria. Un punto de vista más

amplio es que los cuerpos están formados de varias sustancias, y las propiedades de la materia

(entre ellas, la masa y el volumen) están determinadas no sólo por las sustancias mismas, sino por

como interactúan entre ellos. En otras palabras, la materia está formada por la interacción de unos

"componentes básicos",4 5 es la llamada teoría atómica de la materia.6

El concepto de materia ha sido refinado muchas veces a lo largo de la historia, en base a la mejora

del conocimiento acerca de cuáles son los componentes básicos de la materia, y como interactúan

entre ellos. Por ejemplo, a principios del siglo XVIII, Isaac Newton consideraba la materia como "

sólida, con masa, dura, impenetrable, y con partículas móviles ", que eran "incluso tan duras que

nunca podrían romperse en pedazos".7

Las propiedades "primarias" de la materia estaban de acuerdo con la descripción matemática, a

diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el gusto.7 En el siglo XIX, tras el

desarrollo de la tabla periódica, y la teoría atómica, los átomos fueron vistos como uno de los

componentes fundamentales de la materia; a su vez, los átomos forman moléculas y compuestos.8

Más allá de los átomos[editar · editar fuente]

A finales del siglo XIX con el descubrimiento del electrón, y comienzos del siglo XX, con

el descubrimiento del núcleo atómico y el nacimiento de la física de partículas, la materia se

entendió como formada por electrones, protones y neutrones, interactuando entre ellos para formar

los átomos. Hoy en día, conocemos que incluso los protones y neutrones no son indivisibles,

pudiendo ser divididos en quarks, mientras que los electrones son parte de una familia de

partículas llamadas leptones. Tanto los quarks como los leptones son partículas elementales y

actualmente son tomados como los componentes fundamentales de la materia. 9

Estos quarks y leptones interactúan mediante cuatro interacciones

fundamentales: gravedad, electromagnetismo, interacciones débiles, e interacciones fuertes.

El Modelo estándar es actualmente la mejor explicación de toda la física, pero a pesar de las

décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede ser considerada en el nivel cuántico; sólo es

descrito por la física clásica(véase gravedad cuántica y gravitón). 10 Las interacciones entre quarks

y leptones son el resultado de un intercambio de partículas que transportan fuerza (como fotones)

entre los quarks y los leptones. 11 Las partículas que transportan fuerza no son componentes

básicos de la materia. En consecuencia, masa y energía no siempre pueden relacionarse a

materia. Por ejemplo, los portadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen la energía (según la

constante de Planck) y los portadores de la fuerza débil (los bosones W y Z) son masivos, pero

ninguno es considerado tampoco como materia. 12 Sin embargo, aunque estas partículas no son

consideradas como materia, contribuyen realmente a la masa total de los átomos o de

las partículas subatómicas. 13 14

La materia se dice comúnmente que existe en

cuatro estados (o fases): sólido, líquido, gas y plasma. Sin embargo, los avances en la técnica

experimental han comprendido otras fases, antes sólo teóricas, como el condensado de Bose-

Einstein y los condensados fermiónicos. Un punto de vista de partícula elemental acerca de la

materia también conduce a nuevas fases de la materia, como el plasma de quarks-

gluones .15 En física y en química, la materia exhibe tanto propiedades ondulatorias como

corpusculares, es la llamada dualidad onda-partícula 16 17 .18

Cosmología[editar · editar fuente]

En el ámbito de la cosmología, extensiones del término “materia” son invocadas para incluir a

la materia oscura y la energía oscura, conceptos introducidos para explicar algunos fenómenos

aislados del universo observable, como las curva de rotación galáctica. Estas formas exóticas

materia no se refieren a la materia como "componentes básicos", sino más bien a las formas

actualmente poco entendidas de masa y energía .19

Definiciones[editar · editar fuente]

Definición común[editar · editar fuente]

La molécula de ADN es un ejemplo de “materia” según la definición de “átomos y moléculas”. Losenlaces de

hidrógeno se muestran como líneas de puntos.

La definición común de materia es “algo que posee masa y volumen” (ocupa un espacio). 20 21

Por ejemplo, un coche, como se diría, que está hecho de materia, ya que ocupa espacio, y tiene

masa.

La observación de que la materia ocupa espacio viene desde la antigüedad. Sin embargo, una

explicación sobre por qué la materia ocupa un espacio es reciente, y se argumenta como un

resultado del Principio de exclusión de Pauli. 22 23

Dos ejemplos particulares donde el principio de exclusión relaciona claramente la materia con la

ocupación de espacio son las estrellas del tipoenana blanca y estrella de neutrones, discutidas más

adelante.

Cantidad de sustancia[editar · editar fuente]

La Organización Internacional de normas " la Oficina Internacional de Pesos y Medidas " (BIPM)

usa la terminología " cantidad de sustancia ", mejor que "materia". Para citar el folleto SI: 24

" La cantidad de sustancia se define proporcional al número de entidades elementales

especificadas en una muestra; la constante de proporcionalidad es una constante universal que es

la misma para todas las muestras. La unidad de cantidad de sustancia se denominamol (símbolo:

mol), y el mol se define especificando la masa de carbono 12 que contiene un mol de átomos de

carbono 12. Según el acuerdo internacional esto fue fijado en 0.012 kilogramos (12 g).

1. El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene un número de entidades

elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12; su símbolo es “mol".

2. Cuando se use el término “mol”, las entidades elementales deben ser especificadas y

pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas, o grupos específicos de

tales partículas.

Definición basada en átomos y moléculas[editar · editar fuente]

Una definición "de materia" basada sobre su "estructura" física y química es: " la materia está

formada de átomos y moléculas". Esta definición es compatible con la definición BIPM anterior de

"cantidad de sustancia ", pero es más específica sobre los componentes de materia (e indiferente

sobre la unidad "mol").

Como un ejemplo de materia según esta definición podemos señalar: la información genética es

transportada por una molécula larga llamada ADN, que es copiado y heredado a través de

generaciones. El ADN es materia conforme a esta definición ya que está formada por átomos, y no

en virtud de tener masa o la ocupación del espacio. Esta definición puede ser ampliada para incluir

átomos cargados y moléculas, así como para incluir el plasma, (gases de iones) y

el electrólito (soluciones iónicas), que obviamente no se incluyen en la definición de moléculas y los

átomos. Alternativamente, también se puede adoptar la “definición basada en protones, neutrones

y electrones " siguiente.

Definición basada en protones, neutrones y electrones[editar · editar fuente]

Una definición "de materia" a menor escala que la definición de átomos y moléculas: " la materia

está formada de aquello de lo que los átomos y las moléculas están hechos ", significando con esto

algo que está hecho de protones, neutrones y electrones .25

Esta definición va más allá de átomos y moléculas, sin embargo, para incluir sustancias hechas de

estos componentes básicos que “no” son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo la materia

de las enanas blancas - típicamente, núcleos de carbono y de oxígeno en un mar de electrones

degenerados. En un nivel microscópico, "las partículas" constituyentes de la materia tales como

protones, neutrones y electrones obedecen las leyes de mecánica cuántica y exhiben un

comportamiento dual onda-partícula. A un nivel aún más profundo, los protones y neutrones están

formados por quarks y los campos de fuerza (gluones) que une.

Definición basada en quarks y leptones[editar · editar fuente]

Bajo la "definición basada en quarks y leptones", las partículas elementales y compuestas formados de quarks (en

púrpura) y leptones (en verde) serían la "materia"; mientras los bosones “izquierda” (en rojo) no serían materia. Sin

embargo, la energía de interacción inherente a partículas compuestas (por ejemplo, gluones, que implica a los

neutrones y los protones) contribuye a la masa de la materia ordinaria.

Como se puede apreciar en la anterior discusión, muchas de las primeras definiciones de lo que se

llamó “materia ordinaria” estaban basado sobre su estructura "o componentes básicos". En la

escala de las partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede enunciarse

como que: " la materia ordinaria es todo que es formado de partículas elementales fermiones, a

saber quarks y leptones. 26 27 La conexión entre estas formulaciones es como sigue.

Los leptons (el más famoso es el electrón), y los quarks (que forman los bariones, como son

los protones y los neutrones) se combinan para formar átomos, que a su vez forman moléculas.

Dado que los átomos y las moléculas se dice que son materia, es natural una frase para la

definición como: " la materia ordinaria es algo que está formado de lo mismo de lo que están

hechos los átomos y las moléculas". (Sin embargo, hay que señalar que también se puede hacer

con estos mismo componentes básicos otra materia que no son los átomos o moléculas.) Así, dado

que los electrones son leptones y los protones y neutrones están formados por quarks, esta

definición, a su vez, conduce a la definición de materia como formada de " quarks y leptones ", que

son los dos tipos elementales de fermiones. Según Carithers y Grannis: " La materia ordinaria está

formada enteramente de partículas de la primera generación, a saber los quarks “u” [up, encima] y

“d" [down, abajo], más el electrón y su neutrino. 28 (Por "de la primera generación" se entiende

quarks estables y leptones. "Generaciones superiores” decaen en partículas "de la primera

generación". 29 ) Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que en principio parece. Hay

dos grupos de partículas. Todas las partículas que constituyen la materia, como electrones,

protones y neutrinos, son fermiones. Todos los portadores de fuerza son bosones .30 Ver la tabla de

la figura. Los bosones W y Z que medían la fuerza débil no están formados de quarks y leptones, y

así, no son materia ordinaria, pero realmente tienen masa .31 En otras palabras, la masa no es algo

exclusivo de la materia ordinaria.

La definición de materia ordinaria basada en los quark y leptones ordinaria, sin embargo, no

solamente identifica los componentes básicos elementales de la materia, sino que también incluye

los agregados formados con estos constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Tales

agregados contienen una energía de interacción que mantiene a los componentes unidos, y puede

constituir la mayor parte de la masa del agregado. Por ejemplo, en su mayor parte, la masa de un

átomo es simplemente la suma de las masas de sus protones, neutrones y electrones

constituyentes. Sin embargo, a un nivel más profundo, los protones y neutrones están formados de

quarks unidos por campos de gluones. (Ver QCD) .32 Básicamente, la mayor parte de la masa

de hadrones es la energía de interacción de los quarks enlazados. Así, la mayor parte de que se

compone "la masa" de la materia ordinaria es la energía de interacción interquark .33 Por ejemplo,

"Las fuerzas gluónicas que enlazan tres quarks (de masa total 12.5 MeV) para formar un nucleón

contribuyen a la mayor parte de su masa de 938 MeV29 .34 De manera similar, el plasma de quark-

gluones, se considera un estado de materia, y obviamente incluye los gluones. Lo esencial aquí es:

en un complejo como un átomo o un hadrón, la materia en el complejo no es generalmente la

fuente más significativa de la masa parteneciente al complejo.

¿Los menores componentes básicos?[editar · editar fuente]

"En el pasado, la búsqueda de los componentes básicos de la materia nos ha conducido a

entidades “cada vez más elementales” - de la molécula al átomo, al núcleo y electrones, a los

nucleones, y finalmente a los quarks. Pero, ¿hemos completado este proceso de “pelar la

cebolla”...? .35

El Modelo estándar agrupa las partículas materiales en tres generaciones, donde cada generación

consta de dos quarks y dos leptones. La primera generación son los quarks "up" (arriba) y “down”

(abajo), el "electrón" y el "neutino del electrón "; la segunda incluye los quarks "charm" (encanto) y

"strange” (extraño), el "muon" y el " neutrino del muon neutrino "; la tercera generación consiste en

lod quarks "top” (cima) y “bottom” (valle)" el "tau" y el "neutrino del tau” .36 "... la explicación más

natural a la existencia de las generaciones más altas de quarks y leptones es que corresponden a

estados excitados de la primera generación, y la experiencia sugiere que los sistemas excitados

deben ser agregados" .35

Discusión y fondo[editar · editar fuente]

La definición habitual de materia en los términos de ocupar espacio y tener masa está enfrentada

con las definiciones de la mayoría de los físicos y químicos de la materia, que se basan en cambio

en su estructura y en atributos no necesariamente relacionadas con el volumen y masa. James

Clerk Maxwell discutió sobre la materia en su obra “Materia y Movimiento” .37 Separa

cuidadosamente "materia" de espacio y tiempo, y la define en términos del objeto contemplado en

la primera ley de Newton del movimiento. En el siglo XIX, el término "materia", fue discutido

activamente por una multitud de científicos y filósofos, y una breve reseña se puede encontrar en

Levere .38 Una discusión de textos a partir de 1870 sugiere que materia es todo aquello que está

hecho de átomos .39

Tres divisiones de la materia son reconocidos en la ciencia: las masas, las moléculas y los átomos.

Una masa de materia es cualquier porción de materia apreciable por los sentidos. Una molécula es

la partícula más pequeña de la materia en la que un cuerpo puede dividirse sin perder su identidad.

Un átomo es una partícula aún más pequeña producida por la división de una molécula.

En lugar de considerar solamente los atributos de tener masa y ocupar un espacio, la materia se

relacionó con tener propiedades químicas y eléctricas. El famoso físico JJ Thomson escribió sobre

la "constitución de la materia" y se refería a la posible conexión entre la materia y la carga

eléctrica .40 Hay toda una literatura sobre la "estructura de la materia", que van desde la “estructura

eléctrica" a comienzos del siglo XX ,41 a la más reciente "estructura de quarks de la materia",

presentado hoy con la siguiente observación: ”Comprender la estructura de quarks de la materia ha

sido uno de los más importantes avances en la física contemporánea” .42 En este sentido, los

físicos hablan de “campos de materia”, y hablan de las partículas como "excitaciones cuánticas de

un modo del campo material" .16 17 Y aquí hay una cita de De Sabbata y Gasperini: "Con la palabra

"materia" se designa, en este contexto, las fuentes de las interacciones, que son, campos

espinoriales (como quarks y leptones), que se cree que son los componentes fundamentales de la

materia, o campos de bosones s, como el partícula de Higgs, que se utilizan para introducir la

masa en una teoría de campo de gauge (y que, sin embargo, podría estar compuesto por más

campos de fermiones fundamentales) .43 El término "materia" se utiliza en física en una

desconcertante variedad de contextos: por ejemplo, uno se refiere a "física de la materia

condensada" 44 "materia elemental", ,45 “materia partónica", “materia oscura", “antimateria,materia

extraña", y materia nuclear. En los debates de la materia y la antimateria, la materia normal ha sido

mencionado por Alfvén como “koinomateria” .46 Es necesario decir que en física, no existe amplio

consenso sobre una definición exacta de materia, y el término "materia" por lo general se utiliza en

conjunción con algún modificador.

Fases de la materia ordinaria[editar · editar fuente]

Una taza de metal sólido que contienenitrógeno líquido que se evapora lentamente ennitrógeno

gaseoso. Evaporación es la transición de fase desde un estado líquido a un estado gaseoso.

Un típico diagrama de fase. Diagrama de fase de una sustancia típica en un volumen fijo. El eje vertical es “Presión”,

el eje horizontal es “Temperatura”. La línea verde marca el punto de congelación (por encima de la línea verde es

“sólido”, por debajo, eslíquido) y la línea azul marca elpunto de ebullición (por encima de ella es “líquido” y por

debajo de ella es “gas”).. Se muestra como estos varían con la presión. El punto de unión entre las líneas verde, azul

y roja es el punto triple. La línea con puntos muestra el comportamiento anómalo del agua. Así, por ejemplo, a

mayorT, es necesario una mayorPes necesario para mantener la sustancia en fase líquida. En el punto triplepueden

coexistir las tres fases: gas, líquido y sólido. Por encima del punto crítico. no hay diferencia perceptible entre las

fases. La línea de puntos muestra el comportamiento anómalo del agua: el hielo se derrite a temperatura constante

con una presión creciente .47

Artículo principal: Estados de la materia.

La materia puede existir en varias formas o estados de agregación diferentes, conocidos

como fases ,48 dependiendo del volumen y de la presión y temperatura ambiente .49 Una fase es

una forma de materia que tiene una composición química y unas propiedades físicas relativamente

uniformes (tales como densidad, calor específico, índice de refracción, etc.). Estas fases incluyen

las tres familiares (sólidos, líquidos, y gases), así como otros estados más exóticos de la materia

(como plasmas, superfluidos, supersólidos, condensados de Bose-Einstein,...). Un fluidopuede ser

un líquido, gas o plasma. También hay fases paramagnéticas y ferromagnéticas de materiales

magnéticos. Cuando las condiciones físicas cambian, la materia puede cambiar de una fase a otra.

Estos fenómenos se denominan transiciones de fase, y se estudian en el campo de

la termodinámica. En los nanomateriales, el amplio incremento del área superficial respecto al

volumen hace que la materia pueda presentar propiedades totalmente diferentes de las del material

macroscópico, y que no será bien descrito por cualquiera de las fases a nivel macroscópico

(ver nanomateriales para más detalles). Las fases son a veces llamadas “estados de la materia ”,

pero este término puede conducir a confusión con los estados termodinámicos. Por ejemplo, dos

gases mantenidos a presiones diferentes están en diferente “estados termodinámicos” (diferentes

presiones), pero en la misma “fase” (ambos son gases).

Sólido[editar · editar fuente]

Artículo principal: Sólido.

Los sólidos se caracterizan por una tendencia a mantener su integridad estructural; si se dejan por

su propia cuenta, no se extienden de la misma manera que los gases o los líquidos, en otras

palabras la fuerza de cohesión son mayores que las de repulsión. Muchos sólidos, como las rocas

y el hormigón, tienen una gran dureza y rigidez y tienden a romperse o transformarse (la materia no

se destruye ni se crea solo se trasforma) al ser sometidos a diversas formas de esfuerzos, pero

otros, como el acero y el papel son más flexibles y se doblan. Los sólidos a menudo están

compuestos de cristales, vidrios, o moléculas de cadena larga (por ejemplo, goma de

borrar ypapel). Algunos sólidos son amorfos como los vidrios de ventana. Un ejemplo sólido es la

forma sólida del agua, “hielo”.

Líquido[editar · editar fuente]

Artículo principal: Líquido.

En un líquido, los componentes se tocan frecuentemente, pero son capaces de moverse entre sí.

Así, a diferencia del gas, el líquido tienecohesión y viscosidad. En comparación con un sólido, las

fuerzas que mantienen juntos las partículas constituyentes son más débiles, y no hay rigidez, pero

se adapta de una forma decidida a su contenedor. Los líquidos son difíciles de comprimir. Un

ejemplo común es el “agua”.

Gas