¿Qué será la materia?

En primaria, nos decían que estaba en tres estados. Se profundizaba poco más y, el desconocimiento de la materia era grande: Sólido, Líquido y Gaseoso, esa era toda la explicación que sobre la materia nos daban.

En la física clásica y la química general, la materia se define como todo aquello que posee una masa, ocupa un volumen y es capaz de interactuar gravitatoriamente

Y, desde la materia “inerte” se evolucionó hasta alcanzar la consciencia de Ser ¿Cómo pudo ser?

Tiene y encierra tantos misterios la materia que estamos aún y años-luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar.  Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos pero que tampoco sabemos, en realidad, a que son debidos.  Si, sabemos ponerles etiquetas como, por ejemplo, la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio y, con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta.  En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de ruptura, sobrepasando a la emisión de partículas alfa.

Maravillas como el proceso triple Alfa nos hace pensar que la materia está viva. La radiación ha sido muy bien estudiada y hoy se conocen sus secretos. Sin embargo,  son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.

 El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lepto que significa “delgado”).

             El electrón es onda y partícula

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10^-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico. No se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos masiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas. Me gustaría comprender lo que realmente es ese cuanto de energía que llamamos fotón y es el responsable de transmitir todas las formas de radiación que existen en nuestro Universo, la luz entre ellas, para que podamos ver lo que nos rodea y llegar a comprender.

El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lepto que significa “delgado”).

Función de onda de electrones

Previamente dos físicos de la Universidad Brown habían mostrado películas de electrones que se movían a través de helio líquido en el International Symposium on Quantum Fluids and Solids del 2006. Dichas imágenes, que mostraban puntos de luz que bajaban por la pantalla fueron publicadas en línea el 31 de mayo de 2007, en el Journal of Low Temperature Physics.

En el experimento que ahora nos ocupa y dada la altísima velocidad de los electrones el equipo de investigadores ha tenido que usar una nueva tecnología que genera pulsos cortos de láser de luz intensa (“Attoseconds Pulses”), habida cuenta que un attos-egundo equivalente a la trillonésima parte de un segundo”.)

Sin electrones no habría átomos, ni materia, ni vida

¡No por pequeño, se es insignificante! Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. Las inmensas galaxias son el conjunto de muchos pequeños átomos unidos para formar moléculas que a su vez se juntan y forman cuerpos. Los océanos de la Tierra, las montañas de Marte, los lagos de metano de Titán, los hielos de Europa… ¡Todo está hecho de materia bariónica! Es decir, son pequeños Quarks y Leptones que conforman los átomos de lo que todo está hecho en nuestro Universo. Bueno, al menos todo lo que podemos ver.

Un “simple” átomo está conformado de una manera muy compleja. Por ejemplo, un protón está hecho de tres quarks: 2 up y 1 down. Mientras tanto, un neutrón está constituido de 2 quarks down y 1 quark up. Los protones y neutrones son hadrones de la rama barión, es decir, que emiten radiación. También son fermiones y, debido a su función en el átomo, se les suele llamar nucleones. Dichos quarks existen confinados dentro de los protones y neutrones inmersos en una especie de pegamento gelatinoso formado por unas partículas de la familia de los Bosones que se llaman Gluones y son los transmisores de la Fuerza nuclear fuerte. Es decir, si los quarks se quieren separar son atrapados por esa fuerza que los retiene allí confinados.

Louis de Broglie

Estudiar el “universo” de las partículas subatómicas es fascinante y se pueden llegar a entender las maravillas que nos muestra la mecánica cuántica, ese extraño mundo que nada tiene que ver con el nuestro cotidiano situado en el macromundo. En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones.)

Imagen ilustrativa de la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas. Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”. Recientemente he podido leer que unos científicos han logrado (de alguna manera) “congelelar” la luz y hacerla sólida. Cuando recabe más información os lo contaré con todo detalle. El fotón, el cuanto de luz, es en sí mismo una maravilla.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de 0, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: V_e, V_u y V_T.

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/10³⁹ de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

El gravitón parece estar riéndose de todos y no se deja ver. El gravitón es la partícula elemental responsable de la fuerza de la gravedad. Todavía no ha sido descubierto experimentalmente. Teóricamente debería tener masa en reposo nula. ¿Qué límites para la masa del gravitón ofrece el fondo cósmico de microondas? El gravitón es la partícula elemental responsable de la “versión” cuántica de gravedad. No ha sido descubierto aún, aunque pocos dudan de su existencia. ¿Qué propiedades tiene? Debe ser un bosón de espín 2 y como la gravedad parece ser una fuerza de largo alcance, debe tener masa en reposo muy pequeña (billones de veces más pequeña que la del electrón), posiblemente es exactamente cero (igual que parecer ser la del fotón).

Podría ser el descubrimiento más importante de la física de partículas desde los años 70”, ha proclamado la revista Nature en un editorial. Más importante, por lo tanto, que el bosón de Higgs. O que la docena de partículas descubiertas desde que se demostró la existencia de los quarks hace más de 40 años. El Gravitón es la próxima hazaña que será difícil de f8inalizar con éxito.

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1.957 la formidable tarea de detectar el gravitón.  Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm., de longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío.  Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cien millonésima parte de un centímetro.

El programa LIGO ya ha conseguido detectar las ondas gravitatorias

Para detectar ondas gravitacionales necesitamos instrumentos extremadamente precisos que puedan medir distancias en escalas diminutas. Una onda gravitacional afecta longitudes en escalas de una millonésima de billonésima de metro, así que ¡necesitamos un instrumento que sea lo suficientemente sensible para “ver” a esas escalas! Parece que LIGO y otros lo han conseguido (al menos eso nos dijeron).

El interferómetro funciona enviando un haz de luz que se separa en dos haces; éstos se envían en direcciones diferentes a unos espejos donde se reflejan de regreso, entonces los haces al combinarse presentarán interferencia.

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea.  En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias.  Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general).  Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

De todas formas, no creo que, a estas alturas, nadie pueda dudar de la existencia de los gravitones, el bosón mediador de la fuerza gravitatoria.  La masa del gravitón es 0, su carga es 0, y su espín de 2.  Como el fotón, no tiene antipartícula, ellos mismos hacen las dos versiones.

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros.  Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

Imagen de un agujero negro en el núcleo de una galaxia arrasando otra próxima- NASA

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones. Algunos proyectos como LIGO, están a la caza de esas ondas gravitacionales y, los expertos dicen que, cuando podamos leer sus mensajes, se presentará ante nosotros todo un nuevo universo que aíún no conocemos. Ahora, todo lo que captamos, las galaxias y estrellas lejanas, son gracias a la luz que viaja desde miles de millones de años luz hasta nosotros, los telescopios la captan y nos muestran esas imágenes de objetos lejanos pero, ¿Qué veremos cuando sepamos captar esas ondas gravitatorias que viajan por el Espacio a la velocidad de la luz como los fotones y, son el resultado del choque de galaxias, de agujeros negros y de estrellas de neutrones?

Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del Universo.  Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler,  es la escala de longitud por debajo de la cual el espacio tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.  El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10^-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61×10^-66cm²) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío, esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven. Hace un par de días que hablamos de ello.

Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas.  En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor finita.  En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10^-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10^-2-10^-7 pascales.  Por debajo de 10^-7 pascales se conoce como un vacío ultra-alto.

El primer gran vacío en ser detectado fue el de Boötes en 1.981; tiene un radio de unos 180 millones de años luz y su centro se encuentra a aproximadamente 500 millones de años luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no sorprende a la comunidad de astrónomos y cosmólogos, dada la existencia de cúmulos de galaxias y supercúmulos a escalas muy grandes. Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que está demasiado lleno, hasta el punto de que su contenido nos manda mensajes que, aunque lo hemos captado, no lo sabemos descifrar.

No puedo dejar de referirme al vacío-theta (vació θ) que, es el estado de vacío de un campo gauge no abeliano (en ausencia de campos fermiónicos y campos de Higgs). En el vacío theta hay un número infinito de estados degenerados con efecto túnel entre estos estados.  Esto significa que el vacío theta es análogo a una fundón de Bloch en un cristal.

Se puede derivar tanto como un resultado general o bien usando técnicas de instantón.  Cuando hay un fermión sin masa, el efecto túnel entre estados queda completamente suprimido. Cuando hay campos fermiónicos con masa pequeña, el efecto túnel es mucho menor que para campos gauge puros, pero no está completamente suprimido.

Emilio Silvera Vázquez

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