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Materia
es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, tiene una energía medible y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En física y filosofía, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.
Antimateria
Qué es la antimateria? ¿Existe en realidad? ¿Hay masas de antimateria en el Universo? ¿Es posible que el Universo esté formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si así es, ¿Por qué? ¿Podemos estar seguros de que es la observación la que falla? ¿Qué uso se puede dar de la antimateria? ¿Si la materia y la antimateria son exactamente iguales pero opuestas, entonces por qué en el universo hay mucha más materia que antimateria? ¿Por qué la materia "le ganó" a la antimateria?
Si somos de los que pensamos que todo lo que existe tiene su lado positivo y su lado negativo, todo se ve como un yin yang, no se hará extraño creer en la antimateria como justamente lo contrario a la materia.
¿Qué es la antimateria?
Toda la materia está compuesta por electrones, cargados negativamente y protones cargados positivamente. Así se puede decir que la antimateria es lo mismo que la materia pero con cargas opuestas. Así, en un átomo de antimateria encontramos en lugar de protones (positivos), antiprotones (negativos) y, en lugar de electrones (negativos), antielectrones o positrones (positivos). La antimateria al entrar en contacto con la materia se produciría un efecto llamado de aniquilación, o lo que es lo mismo la transformación de la materia en energía.
Hay varias teorías acerca de la antimateria:
La primera dice que la materia y antimateria existían por partes iguales en el origen del Universo pero que había un poco más de materia que de antimateria. Por consiguiente, la antimateria habría sido totalmente destruida por la aniquilación y el Universo actual estaría constituido por el residuo de materia superviviente.
Otra teoría dice que en el Universo existen cantidades iguales de materia y de antimateria, obviamente, en lugares muy lejanos entre ellos. Sin embargo, en los puntos de encuentro, se producirían grandes fenómenos de aniquilación. Unos rayos, llamados rayos Gamma, que se suelen observar en el Universo, podrían ser efectos secundarios de estas reacciones.
Es muy difícil investigar a través de observaciones astronómicas, ya que materia y antimateria ya producen emisiones electromagnéticas iguales.
¿Qué usos puede tener la antimateria?
La antimateria puede tener diferentes usos:
- El primero como combustible.
Para imaginaros lo potente que puede llegar a ser, con sólo 250 gramos de antimateria se
podría llegar a Marte en 1 día y a la Luna en 8 minutos.
- El segundo sería como para producir energía.
La antimateria es la fuente de energía más poderosa conocida por el hombre. Libera una
energía de una eficacia del cien por cien (la fisión nuclear posee una eficacia del uno y
medio por cien). La antimateria no genera contaminación ni radiación, y una gota podría
proporcionar energía eléctrica a toda Nueva York durante un día.
- El tercer uso que podría tener la antimateria, y desgraciadamente el más peligroso, sería el
de armamento. Este proceso de aniquilación materia-antimateria podría ser empleado
como el explosivo más potente que pueda imaginarse. Un gramo de antimateria al unirse
con un gramo de materia produciría una energía capaz de lanzar 1 millón de toneladas de
material a casi 20000 metros de altura. O lo que es lo mismo, la potencia de veinte kilones,
es decir, la potencia de la bomba que fue lanzada sobre Hiroshima.
Pero además de todo esto, la antimateria tiene muchas limitaciones:
- No existe en el mundo conocido antimateria relativamente disponible.
- Hasta ahora, en el proceso de obtener una unidad de energía como antimateria hemos de
gastar previamente 100 millones más de energía.
- La eficacia del almacenamiento actual de antiprotones es tan solo del orden del 1%.
- Si toda la capacidad se usara para producir antiprotones, los resultados finales al cabo de
un año únicamente servirían para mantener encendida una lámpara de 100 vatios durante
3 segundos.
- Si se acudiera a usar toda la capacidad mundial de antimateria producible la lámpara no
podría estar encendida más de 6 minutos.
- Todas las reservas energéticas mundiales existentes de carbón, gas y petróleo, una vez
convertidas en antiprotones, con los rendimientos actuales, producirían una energía
insuficiente para que un automóvil pudiese dar la vuelta a España haciendo un recorrido
costero.
Conclusión
No sabemos si en realidad existe la antimateria, pero de hecho, en caso de que se descubra, no estamos preparados para recibirla. De hecho se han estado haciendo varios experimentos en busca de antimateria que satisficiese nuestra curiosidad, y sólo se ha conseguido crear unos pocos átomos de antimateria. Todas las expediciones han sido fallidas, ya que en total, se han buscado 450 Km. de la superficie terrestre, mediante análisis de radiaciones cósmicas, y sólo se ha hallado materia. La distancia analizada sin encontrar antimateria ha sido de 309 trillones de kilómetros. Mientras tanto, sólo nos queda intentar avanzar en la ciencia y tecnología para que llegue un día en que podamos producir cantidades de antimateria para todos, claro que sólo para buenos fines.
¿Dónde está la antimateria?
Las hipótesis científicas aceptadas suponen que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones, sin embargo el universo que observamos aparentemente está compuesto únicamente por partículas y no por antipartículas. Se desconocen los motivos por los que no se han encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina bariogénesis, y baraja tres posibilidades:
Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.
Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP. Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria. En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.
Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda Alpha Magnetic Spectrometer (Espectrómetro Magnético Alpha) para buscar rastros de antimateria más compleja,
que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.
Energia oscura
En cosmología física, la energía oscura es una forma de materia o energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva.Considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece estar en expansión acelerada. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.
Temas relacionados con la energía oscura son la constante cosmológica, una energía de densidad constante que llena el espacio en forma homogénea, la Teoría cuántica de campos y la quintaesencia, como campos dinámicos cuya densidad de energía puede variar en el tiempo y el espacio. De hecho, las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio normalmente también se incluyen en la constante cosmológica. Se piensa que la constante cosmológica se origina en la energía del vacío. Los campos escalares que cambian con el espacio son difíciles de distinguir de una constante cosmológica porque los cambios pueden ser extremadamente lentos.
Para distinguir entre ambas se necesitan mediciones muy precisas de la expansión del Universo, para ver si la velocidad de expansión cambia con el tiempo. La tasa de expansión está parametrizada por la ecuación de estado. La medición de la ecuación estado de la energía oscura es uno de los mayores retos de investigación actual de la cosmología física.
Añadir la constante cosmológica a la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) conduce al modelo Lambda-CDM, que se conoce como "modelo estándar" de cosmología debido a su coincidencia precisa con las observaciones.
No se debe confundir la energía oscura con la materia oscura, ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio.
Descubrimiento de la energía oscura
En 1998 las observaciones de supernovas de tipo 1a muy lejanas, realizadas por parte del Supernova Cosmology Project en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el High-z Supernova Search Team, sugirieron que la expansión del Universo se estaba acelerando.Desde entonces, esta aceleración se ha confirmado por varias fuentes independientes: medidas de la radiación de fondo de microondas, las lentes gravitacionales, nucleosíntesis primigenia de elementos ligeros y la estructura a gran escala del Universo, así como una mejora en las medidas de las supernovas han sido consistentes con el modelo Lambda-CDM.
Las supernovas de tipo 1a proporcionan la principal prueba directa de la existencia de la energía oscura. Según a la Ley de Hubble, todas las galaxias lejanas se alejan aparentemente de la Vía Láctea, mostrando un desplazamiento al rojo en el espectro luminoso debido al efecto Doppler. La medición del factor de escala en el momento que la luz fue emitida desde un objeto es obtenida fácilmente midiendo el corrimiento al rojo del objeto en recesión. Este desplazamiento indica la edad de un objeto lejano de forma proporcional, pero no absoluta. Por ejemplo, estudiando el espectro de un quasar se puede saber si se formó cuando el Universo tenía un 20% o un 30% de la edad actual, pero no se puede saber la edad absoluta del Universo. Para ello es necesario medir con precisión la expansión cosmológica. El valor que representa esta expansión en la actualidad se denomina Constante de Hubble. Para calcular esta constante se utilizan en cosmología las candelas estándar, que son determinados objetos astronómicos con la misma magnitud absoluta, que es conocida, de tal manera que es posible relacionar el brillo observado, o magnitud aparente, con la distancia. Sin las candelas estándar, es imposible medir la relación corrimiento al rojo-distancia de la ley de Hubble. Las supernovas tipo 1a son una de esas candelas estándar, debido a su gran magnitud absoluta, lo que posibilita que se puedan observar incluso en las galaxias más lejanas. En 1998 varias observaciones de estas supernovas en galaxias muy lejanas (y, por lo tanto, jóvenes) demostraron que la constante de Hubble no es tal, sino que su valor varía con el tiempo. Hasta ese momento se pensaba que la expansión del Universo se estaba frenando debido a la fuerza gravitatoria; sin embargo, se descubrió que se estaba acelerando, por lo que debía existir algún tipo de fuerza que acelerase el Universo.
La consistencia en magnitud absoluta para supernovas tipo 1a se ve favorecida por el modelo de una estrella enana blanca vieja que gana masa de una estrella compañera y crece hasta alcanzar el límite de Chandrasekhar definido de manera precisa. Con esta masa, la enana blanca es inestable ante fugas termonucleares y explota como una supernova tipo 1a con un brillo característico. El brillo observado de la supernova se pinta frente a su corrimiento al rojo y esto se utiliza para medir la historia de la expansión del Universo. Estas observaciones indican que la expansión del Universo no se está desacelerando, como sería de esperar para un Universo dominado por materia, sino más bien acelerándose. Estas observaciones se explican suponiendo que existe un nuevo tipo de energía con presión negativa.
La existencia de la energía oscura, de cualquier forma, es necesaria para reconciliar la geometría medida del espacio con la suma total de materia en el Universo. Las medidas de la radiación de fondo de microondas más recientes, realizadas por el satélite WMAP, indican que el Universo está muy cerca de ser plano. Para que la forma del Universo sea plana, la densidad de masa/energía del Universo tiene que ser igual a una cierta densidad crítica. Posteriores observaciones de la radiación de fondo de microondas y de la proporción de elementos formados en el Big Bang han puesto un límite a la cantidad de materia bariónica y materia oscura que puede existir en el Universo, que cuenta sólo el 30% de la densidad crítica. Esto implica la existencia de una forma de energía adicional que cuenta el 70% de la masa energía restante.
Estos estudios indican que el 73% de la masa del Universo está formado por la energía oscura, un 23% es materia oscura (materia oscura fría y materia oscura caliente) y un 4% materia bariónica. La teoría de la estructura a gran escala del Universo, que determina la formación de estructuras en el Universo (estrellas, quasars, galaxias y agrupaciones galácticas), también sugiere que la densidad de materia en el Universo es sólo el 30% de la densidad crítica.
La energía oscura y el destino del Universo
La consecuencia más directa de la existencia de la energía oscura y la aceleración del Universo es que éste es más antiguo de lo que se creía. Si se calcula la edad del Universo con base en los datos actuales de la constante de Hubble (71±4 (km/s)/Mp), se obtiene una edad de 10.000 millones de años, menor que la edad de las estrellas más viejas que es posible observar en los cúmulos globulares, lo que crea una paradoja insalvable. Los cosmólogos estiman que la aceleración empezó hace unos 9.000 millones de años. Antes de eso, se pensaba que la expansión estaba ralentizándose, debido a la influencia atractiva de la materia oscura y los bariones. La densidad de materia oscura en un Universo en expansión desaparece más rápidamente que la energía oscura y finalmente domina la energía oscura. Especificamente, cuando el volumen del Universo se dobla, la densidad de materia oscura se divide a la mitad pero la densidad de energía oscura casi permanece sin cambios (exactamente es constante en el caso de una constante cosmológica). Teniendo en cuenta la energía oscura, la edad del Universo es de unos 13.700 millones de años (de acuerdo con los datos del satélite WMAP en 2003), lo que resuelve la paradoja de la edad de las estrellas más antiguas.
Si la aceleración continúa indefinidamente, el resultado final será que las galaxias exteriores al Supercúmulo de Virgo se moverán más allá del horizonte de sucesos: no volverán a ser visibles, porque su velocidad radial será mayor que la velocidad de la luz. Esta no es una violación de la relatividad especial y el efecto no puede utilizarse para enviar una señal entre ellos. Realmente no hay ninguna manera de definir la "velocidad relativa" en un espacio-tiempo curvado. La velocidad relativa y la velocidad sólo pueden ser definidas con significado pleno en un espacio-tiempo plano o en regiones suficientemente pequeñas (infinitesimales) de espacio-tiempo curvado. A su vez, previene cualquier comunicación entre ellos y el objeto pase sin contactar. La Tierra, la Vía Láctea y el Supercúmulo de Virgo, sin embargo, permanecería virtualmente sin perturbaciones mientras el resto del Universo retrocede. En este escenario, el supercúmulo local finalmente sufriría la muerte caliente, justo como se pensaba para un Universo plano y dominado por la materia, antes de las medidas de la aceleración cósmica.
El fondo de microondas indica que la geometría del Universo es plana, es decir, el Universo tiene la masa justa para que la expansión continúe indeterminadamente. Si el Universo, en vez de plano fuese cerrado, significaría que la atracción gravitatoria de la masa que forma el Universo es mayor que la expansión del Universo, por lo que éste se volvería a contraer (Big Crunch). Sin embargo, al estudiar la masa del Universo se detectó muy pronto que faltaba materia para que el Universo fuese plano. Esta "materia perdida" se denominó materia oscura. Con el descubrimiento de la energía oscura hoy se sabe que el destino del Universo ya no depende de la geometría del mismo, es decir, de la cantidad de masa que hay en él. En un principio la expansión del Universo se frenó debido a la gravedad, pero hace unos 4.000 millones de años la energía oscura sobrepasó al efecto de la fuerza gravitatoria de la materia y comenzó la aceleración de la expansión.
El futuro último del Universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura. Si ésta es una constante cosmológica, el futuro del Universo será muy parecido al de un Universo plano. Sin embargo, en algunos modelos de quintaesencia, denominados energía fantasma, la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, provocando una aceleración exponencial. En algunos modelos extremos la aceleración sería tan rápida que superaría las fuerzas de atracción nucleares y destruiría el Universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado Gran Desgarro (Big Rip).
Hay algunas ideas muy especulativas sobre el futuro del Universo. Una sugiere que la energía fantasma causa una expansión divergente, que implicaría que la fuerza efectiva de la energía oscura continúa creciendo hasta que domine al resto de las fuerzas del Universo. Bajo este escenario, la energía oscura finalmente destrozaría todas las estructuras gravitacionalmente acotadas, incluyendo galaxias y sistemas solares y finalmente superaría a las fuerzas eléctrica y nuclear para destrozar a los propios átomos, terminando el Universo en un Big Rip. Por otro lado, la energía oscura puede disiparse con el tiempo o incluso llegar a ser atractiva. Tales incertidumbres abren la posibilidad de que la gravedad todavía pueda conducir al Universo que se contrae a sí mismo en un "Big Crunch". Algunos escenarios, como el modelo cíclico, sugieren que este podía ser el caso. Mientras que estas ideas no están soportadas por las observaciones, no pueden ser excluidas. Las medidas de aceleración son cruciales para determinar el destino final del Universo en la Teoría del Big Bang.
El misterio de la materia-antimateria
Las simetrías que observamos en la naturaleza provienen de leyes sencillas muy convenientes para simplificar nuestro conocimiento. En ese marco de sencillez, las leyes del microcosmos contemplan una simetría total entre materia y antimateria: al principio de la creación del universo debió haber la misma cantidad de ambas, pero algo ocurrió que permitió crear una leve asimetría entre ellas e inclinó, decisivamente, la balanza por la materia.
En un momento determinado, el universo visible estaba al rojo vivo y no era más grande que la cabeza de un alfiler. Las tremendas condiciones, la elevadísima temperatura, generaban cantidades inmensas de partículas y antipartículas de todo tipo. En el universo había mucha materia y ,exactamente , la misma antimateria. Por cada quark había un antiquark, pero en cierto momento se puso en acción el mecanismo conjeturado por el físico ruso Andrei Sajárov (1967). Por cada mil millones de partículas hubo un par más de quarks y según se iba enfriando el universo, los antiquarks chocaban con los quarks y se aniquilaban entre si. Al final quedaron unos cuantos quarks que se combinaron en tríos para formar los nucleones, protones y neutrones, que es el material más abundante en la materia ordinaria de nuestro universo.
Según Sajárov, la evolución de la asimetría material del universo dependía de tres propiedades de la naturaleza: la creación del universo en una gran explosión, la violación de la invariancia CP (carga-paridad) y la existencia de una fuerza nueva capaz de crear-aniquilar nucleones. Las dos primeras acababan de comprobarse en 1964, el descubrimiento de la radiación de fondo, vestigio fósil del Big Bang, fue una prueba irrefutable de la hipótesis de la gran explosión, y la detección, por un grupo de físicos de partículas de Princeton, de ciertas modalidades "prohibidas" de desintegración de kaones que sólo podían ocurrir si se daba una ligera violación de la simetría CP.
La propiedad que permite la violación de la simetría CP parece depender de la existencia de un mínimo de tres familias fermiónicas. De ahí el papel fundamental que juegan la extrañeza, los quarks t y b, los muones y los leptones tau. Sin ellos, habría habido la misma cantidad de materia que de antimateria, y hace mucho que ambas se habrían aniquilado entre si.
La tercera premisa de Sajárov es más especulativa, porque exige que toda la materia sea radiactiva, aunque a un nivel mínimo. Sin embargo, en 1973 se supo que la inestabilidad de la materia es inevitable en todo intento de fundir las fuerzas fuerte y nuclear débil en una teoría unificada. La gran unificación de las interacciones fundamentales confiere de forma natural el origen de la asimetría del universo.
Como curiosidad, he leído hace poco una noticia, sobre un fenómeno singular un extraño baile entre la materia y la antimateria: Unas partículas subatómicas llamadas mesones Bs, que debieron existir en el Universo al principio y que se crean ahora en los aceleradores de partículas, se convierten espontáneamente en lo contrario de sí mismas, en antimateria, en antimesones Bs. A su vez los antimesones Bs, la antimateria, se convierten otra vez en mesones Bs. Un equipo de 700 físicos del acelerador de partículas Tevatron (de Fermilab, en Chicago) ha medido ahora con alta precisión que esa transición de una partícula en su antipartícula se produce 2,8 billones de veces por segundo, con un error del 2%. "Si lo ves como una de danza de materia y antimateria, nosotros hemos medido el increíblemente rápido tempo de esa danza", dice Jacobo Konigsberg, uno de los jefes del equipo. Una decena de físicos españoles, del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), ha desempeñado un papel destacado en el experimento (El País, 2006).
Esta extraña danza del mesón Bs ya se conocía, pero ahora se ha medido con una asombrosa precisión que nos ayuda a conocer mejor la misteriosa y trascendente relación entre la materia y la antimateria.
Libro: "Interacciones. Una visión del mundo desde el encanto de los átomos", de Sheldon L Glashow. Metatemas: Libros para pensar la ciencia, de Tusquets editores. Barcelona 1994.
Sheldon L Glashow recibió el premio Nobel de Física de 1979, junto con Abdus Salam y Steve Weinberg, por sus "trabajos sobre la teoría de la interacción unificada débil y electromagnética entre las partículas elementales, comprendida la predicción de la corriente nuetra débil".
Particulas
Todo lo que existe en el universo, desde un palillo hasta una galaxia, está hecho de materia que se puede descomponer en una docena de partículas elementales y que interactúan por medio de 4 fuerzas.
Los físicos han identificado 12 partículas elementales y 4 interacciones como los elementos básicos a partir de los cuales se puede construir todo el universo, incluyendo sistemas tan complejos como los seres vivos.
Las partículas elementales son los objetos más simples que se pueden concebir. En general no tienen partes ni se pueden dividir en componentes más sencillas, sin embargo los experimentos de colisiones de partículas a muy altas energías han revelado que algunas partículas que se creían simples en realidad son compuestas (por ejemplo un protón esta hecho de quarks).
¿Cuántas partículas hay en el universo?
En realidad no hay una respuesta concreta a esta pregunta, porque de entrada no sabemos cómo es de grande el universo. Sin embargo hagamos algunas hipótesis.
Uno de los cálculos es que hay unas 100.000.000.000 (ó 1011, un 1 seguido de 11 ceros) de galaxias en el universo. Cada una de estas galaxias tiene por término medio una masa 100.000.000.000 (ó 1011) mayor que la del Sol.
Quiere decirse que la cantidad total de materia en el universo es igual a 1011 1011 ó 1022 veces la masa del Sol. Dicho con otras palabras, en el universo hay materia suficiente para hacer 10.000.000.000.000.000.000.000 (diez mil trillones) de soles como el nuestro.
La masa del Sol es de 2 1033 gramos. Esto significa que la cantidad total de materia en el universo tiene una masa de 1022 2 1033 gramos. Lo cual puede escribirse como 20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. Dicho con palabras, veinte nonillones.
Procedamos ahora desde el otro extremo. La masa del universo está concentrada casi por entero en los nucleones que contiene. (Los nucleones son las partículas que constituyen los componentes principales del núcleo atómico.) Los nucleones son cosas diminutas y hacen falta 6 1023 de ellos para juntar una masa de 1 gramo.
Pues bien, si 6 1023 nucleones hacen 1 gramo y si hay 2 1055 gramos en el universo, entonces el número total de nucleones en el universo es 6 1023 2 1055 ó 12 1078, que de manera más convencional se escribiría 1,2 1079.
Los astrónomos opinan que el 90 por 100 de los átomos del universo son hidrógeno, el 9 por 100 helio y el 1 por 100 elementos más complicados. Una muestra típica de 100 átomos consistiría entonces en 90 átomos de hidrógeno, 9 átomos de helio y 1 átomo de oxígeno (por ejemplo). Los núcleos de los átomos de hidrógeno contendrían 1 nucleón cada uno: 1 protón. Los núcleos de los átomos de helio contendrían 4 nucleones cada uno: 2 protones y 2 neutrones. El núcleo del átomo de oxígeno contendría 16 nucleones: 8 protones y 8 neutrones.
Los cien átomos juntos contendrían, por tanto, 142 nucleones: 116 protones y 26 neutrones
Existe una diferencia entre estos dos tipos de nucleones. El neutrón no tiene carga eléctrica y no es preciso considerar ninguna partícula que lo acompañe. Pero el protón tiene una carga eléctrica positiva y como el universo es, según se cree, eléctricamente neutro en su conjunto, tiene que existir un electrón (con una carga eléctrica negativa) por cada protón.
Así pues, por cada 142 nucleones hay 116 electrones (para compensar los 116 protones). Para mantener la proporción, los 1,2 1079 nucleones del universo tienen que ir acompañados de 1 x 1079 electrones. Sumando los nucleones y electrones, tenemos un número total de 2,2 x 1079 partículas de materia en el universo. Lo cual se puede escribir como 22.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.- 000.000.000.000.000.000.000.000 (ó 22 tredecillones).
Si el universo es mitad materia y mitad antimateria, entonces la mitad de esas partículas son antinucleones y antielectrones. Pero esto no afectaría al número total.
De las demás partículas, las únicas que existen en cantidades importantes en el universo son los fotones, los neutrinos y posiblemente los gravitones. Pero como son partículas sin masa no las contaré. Veintidós tredecíllones es después de todo suficiente y constituye un universo apreciable.
Particulas subatomicas
Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta. La física de partículas y la física nuclear se ocupan del estudio de estas partículas, sus interacciones y de la materia que las forma y que no se agrega en los átomos. Ejemplos de partículas subatómicas son las que constituyen los átomos: protones, electrones y neutrones.
La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, sino que se producen en los rayos cósmicos y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas. De este modo, existen docenas de partículas subatómicas.
Introducción
Los primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas comporta que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.
Los protones y neutrones por su parte están constituidos por quarks. Así un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. Existen seis tipos diferentes de quarks (up, down, bottom, top, extraño y encanto). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnética (los fotones) y débil (los neutrinos y los bosones W y Z).
Los electrones, que están cargados negativamente, tienen una masa 1/1836 de la del átomo de hidrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. El número atómico de un elemento es el número de protones (o el de electrones si el elemento es neutro). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.
Las propiedades más interesantes de las 3 partículas constituyentes de la materia existente en la Tierra son:
■Electrón: Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1*10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602*10-19 C).
■Protón: Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6. 10-27 kg. Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.
■Neutrón: Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.
El concepto de partícula elemental es hoy algo más oscuro debido a la existencia de cuasipartículas que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción fenomenológica es muy similar a la de una partícula real.
Historia
En la Grecia clásica, un átomo era concebido como la parte más pequeña e indivisible constituyente de la materia.
Fue el desarrollo de la química la que consiguió establecer un número determinado de constituyentes de toda la materia existente y medible en la Tierra. Sus hallazgos dieron su mayor fruto de la mano de Mendeleiev, al concretar de una forma sencilla todos los posibles átomos (definiendo de hecho la existencia de algunos no descubiertos hasta tiempo después).
Más adelante se descubrió que, si bien los recien definidos átomos cumplían la condición de ser los constituyentes de toda la materia, no cumplían ninguna de las otras dos condiciones. Ni eran la parte más pequeña ni eran indivisibles. Sin embargo se decidió mantener el término átomo para estos constituyentes de la materia.
La electroquímica liderada por G. Johnstone Stoney, dio lugar al descubrimiento de los electrones (e-) en 1874, observado en 1897 por J. J. Thomson. Estos electrones daban lugar a las distintas configuraciones de los átomos y de las moléculas. Por su parte en 1907 los experimentos de Ernest Rutherford revelaron que gran parte del átomo era realmente vacío, y que casi toda la masa se concentraba en un núcleo relativamente pequeño. El desarrollo de la teoría cuántica llevó a considerar la química en términos de distribuciones de los electrones en ese espacio vacío. Otros experimentos demostraron que existían unas partículas que formaban el núcleo: el protón (p+) y el neutrón (n) (postulado por Rutherford y descubierto por James Chadwick en 1932). Estos descubrimientos replanteaban la cuestión de las partes más pequeñas e indivisibles que formaban el universo conocido. Se comenzó a hablar de las partículas subatómicas.
Más tarde aún, profundizando más en las propiedades de los protones, neutrones y electrones se llegó a la conclusión de que tampoco estos (al menos los dos primeros) podían ser tratados como la parte más pequeña, ni como indivisibles, ya que los quarks daban estructura a los nucleones. A partir de aquí se empezó a hablar de partículas cuyo tamaño fuese inferior a la de cualquier átomo. Esta definición incluía a todos los constituyentes del átomo, pero también a los constituyentes de esos constituyentes, y también a todas aquellas partículas que, sin formar parte de la materia, existen en la naturaleza. A partir de aquí se habla de partículas elementales.
Historia reciente
En 1897 J. J. Thomson descubre el electrón. Albert Einstein interpreta el efecto fotoelétrico como una evidencia de la existencia real del fotón. Anteriormente, en 1905, Max Planck había postulado el fotón como un quantum de energía electromagnética mínimo para resolver el problema de termodinámica de la radiación del cuerpo negro.
Por su parte Ernest Rutherford descubrió en 1907 en el famoso experimento de la lámina de oro que casi la totalidad de la masa de un átomo estaba concentrada en una muy pequeña parte de él, que posteriormente se llamaría núcleo atómico, siendo el resto vacío. El desarrollo continuado de estas ideas llevó a la mecánica cuántica, algunos de cuyos primeros éxitos incluyeron la explicación de las propiedades del átomo.
Muy pronto se identificó una nueva partícula, el protón, como constituyente único del núcleo del hidrógeno. Rutherford también postuló la existencia de otra partícula, llamada neutrón, tras su descubrimiento del núcleo. Esta partícula fue descubierta experimentalmente en 1932 por James Chadwick. A estas partículas se sumó una larga lista:
■Wolfgang Pauli postuló en 1931 la existencia del neutrino para explicar la aparente pérdida de la conservación de la cantidad de movimiento que se daba en la desintegración beta. Enrico Fermi fue quien inventó el nombre. La partícula no fue descubierta hasta 1956.
■Fue Hideki Yukawa quién postuló la existencia de los piones para explicar la fuerza fuerte que unía a los nucleones en el interior del núcleo. El muón se descrubrió en 1936, pensándose inicialmente de forma errónea que era un pión. En la década de los 50 se descubrió el primer kaón entre los rayos cósmicos.
■El desarrollo de nuevos aceleradores de partículas y detectores de partículas en esa década de los 50 llevó al descubrimiento de un gran número de hadrones, provocando la famosa cita de Wolfgang Pauli: «If I had foreseen this, I would have gone into botany» (= 'Si hubiera previsto esto me hubiera hecho botánico').
■Junto con los hadrones compuestos aparecieron series de partículas que parecían duplicar las funciones y carácterísticas de partículas más pequeñas. Así se descubrió otro "electrón pesado", además del muón, el tauón, así como diversas series de quarks pesados. Ninguna de las partículas de estas series más pesadas parece formar parte de los átomos de la materia ordinaria.
La clasificación de esos hadrones a través del modelo de quarks en 1961 fue el comienzo de la edad de oro de la física moderna de partículas, que culminó en la completitud de la teoría unificada llamada el modelo estándar en la década de los 70.
La confirmación de la existencia de los bosones de gauge débil en la década de los 80 y la verificación de sus propiedades en los 90 se considera como la era de la consolidación de la física de partículas. Entre las partículas definidas por el modelo estándar, aun permanece sin descubrir el bosón de Higgs. Por ello este es el objetivo primordial del acelerador Large Hadron Collider (LHC) del CERN. El resto de partículas conocidas encaja a la perfección con el modelo estándar.
Materias de estudio
El estudio de estas partículas subatómicas, de su estructura y de sus interacciones, incluye materias como la mecánica cuántica y la física de partículas. A veces, debido a que gran parte de las partículas que pueden tratarse como partículas subatómicas solo existen durante períodos de tiempo muy cortos y en condiciones muy extremas como los rayos cósmicos o los aceleradores de partículas, suele llamarse a esta disciplina física de altas energías.
Por su parte el tratamiento que la teoría cuántica de campos (TCC) hace de las partículas difiere de la mecánica cuántica en un punto importante. En TCC las partículas no son entidades básicas, sino que sólo existen campos y posibles estados del espacio-tiempo (el que sean perceptibles un cierto número de partículas es una propiedad del estado cuántico del espacio tiempo). Así un campo es tratado como un observable asociado a una región del espacio-tiempo, a su vez, a partir del observable de campo se puede definir un operador número que se interpreta como el número de partículas observables en el estado cuántico. Puesto que los autovalores del operador número son números enteros y las magnitudes extensivas son expresables en términos de este operador, razón por la cual los autovalores de ese operador se pueden interpretar como el número de partículas.
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ESTE ES EL FINAL DEL POST ESPERO QUE LES HAYA GUSTADO
Materia
es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, tiene una energía medible y está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En física y filosofía, materia es el término para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.
Antimateria
Qué es la antimateria? ¿Existe en realidad? ¿Hay masas de antimateria en el Universo? ¿Es posible que el Universo esté formado casi enteramente por materia, con muy poca o ninguna antimateria? Y si así es, ¿Por qué? ¿Podemos estar seguros de que es la observación la que falla? ¿Qué uso se puede dar de la antimateria? ¿Si la materia y la antimateria son exactamente iguales pero opuestas, entonces por qué en el universo hay mucha más materia que antimateria? ¿Por qué la materia "le ganó" a la antimateria?
Si somos de los que pensamos que todo lo que existe tiene su lado positivo y su lado negativo, todo se ve como un yin yang, no se hará extraño creer en la antimateria como justamente lo contrario a la materia.
¿Qué es la antimateria?
Toda la materia está compuesta por electrones, cargados negativamente y protones cargados positivamente. Así se puede decir que la antimateria es lo mismo que la materia pero con cargas opuestas. Así, en un átomo de antimateria encontramos en lugar de protones (positivos), antiprotones (negativos) y, en lugar de electrones (negativos), antielectrones o positrones (positivos). La antimateria al entrar en contacto con la materia se produciría un efecto llamado de aniquilación, o lo que es lo mismo la transformación de la materia en energía.
Hay varias teorías acerca de la antimateria:
La primera dice que la materia y antimateria existían por partes iguales en el origen del Universo pero que había un poco más de materia que de antimateria. Por consiguiente, la antimateria habría sido totalmente destruida por la aniquilación y el Universo actual estaría constituido por el residuo de materia superviviente.
Otra teoría dice que en el Universo existen cantidades iguales de materia y de antimateria, obviamente, en lugares muy lejanos entre ellos. Sin embargo, en los puntos de encuentro, se producirían grandes fenómenos de aniquilación. Unos rayos, llamados rayos Gamma, que se suelen observar en el Universo, podrían ser efectos secundarios de estas reacciones.
Es muy difícil investigar a través de observaciones astronómicas, ya que materia y antimateria ya producen emisiones electromagnéticas iguales.
¿Qué usos puede tener la antimateria?
La antimateria puede tener diferentes usos:
- El primero como combustible.
Para imaginaros lo potente que puede llegar a ser, con sólo 250 gramos de antimateria se
podría llegar a Marte en 1 día y a la Luna en 8 minutos.
- El segundo sería como para producir energía.
La antimateria es la fuente de energía más poderosa conocida por el hombre. Libera una
energía de una eficacia del cien por cien (la fisión nuclear posee una eficacia del uno y
medio por cien). La antimateria no genera contaminación ni radiación, y una gota podría
proporcionar energía eléctrica a toda Nueva York durante un día.
- El tercer uso que podría tener la antimateria, y desgraciadamente el más peligroso, sería el
de armamento. Este proceso de aniquilación materia-antimateria podría ser empleado
como el explosivo más potente que pueda imaginarse. Un gramo de antimateria al unirse
con un gramo de materia produciría una energía capaz de lanzar 1 millón de toneladas de
material a casi 20000 metros de altura. O lo que es lo mismo, la potencia de veinte kilones,
es decir, la potencia de la bomba que fue lanzada sobre Hiroshima.
Pero además de todo esto, la antimateria tiene muchas limitaciones:
- No existe en el mundo conocido antimateria relativamente disponible.
- Hasta ahora, en el proceso de obtener una unidad de energía como antimateria hemos de
gastar previamente 100 millones más de energía.
- La eficacia del almacenamiento actual de antiprotones es tan solo del orden del 1%.
- Si toda la capacidad se usara para producir antiprotones, los resultados finales al cabo de
un año únicamente servirían para mantener encendida una lámpara de 100 vatios durante
3 segundos.
- Si se acudiera a usar toda la capacidad mundial de antimateria producible la lámpara no
podría estar encendida más de 6 minutos.
- Todas las reservas energéticas mundiales existentes de carbón, gas y petróleo, una vez
convertidas en antiprotones, con los rendimientos actuales, producirían una energía
insuficiente para que un automóvil pudiese dar la vuelta a España haciendo un recorrido
costero.
Conclusión
No sabemos si en realidad existe la antimateria, pero de hecho, en caso de que se descubra, no estamos preparados para recibirla. De hecho se han estado haciendo varios experimentos en busca de antimateria que satisficiese nuestra curiosidad, y sólo se ha conseguido crear unos pocos átomos de antimateria. Todas las expediciones han sido fallidas, ya que en total, se han buscado 450 Km. de la superficie terrestre, mediante análisis de radiaciones cósmicas, y sólo se ha hallado materia. La distancia analizada sin encontrar antimateria ha sido de 309 trillones de kilómetros. Mientras tanto, sólo nos queda intentar avanzar en la ciencia y tecnología para que llegue un día en que podamos producir cantidades de antimateria para todos, claro que sólo para buenos fines.
¿Dónde está la antimateria?
Las hipótesis científicas aceptadas suponen que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones, sin embargo el universo que observamos aparentemente está compuesto únicamente por partículas y no por antipartículas. Se desconocen los motivos por los que no se han encontrado grandes estructuras de antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina bariogénesis, y baraja tres posibilidades:
Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera asimetría en las proporciones iniciales de ambas. Se ha calculado que la diferencia inicial entre materia y antimateria debió ser tan insignificante como de una partícula más de materia por cada diez mil millones de parejas partícula-antipartícula.
Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP. Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria. En este mismo sentido, también se ha sugerido que quizás la materia oscura sea la causante de la bariogénesis al interactuar de distinta forma con la materia que con la antimateria.
Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Muy pocos científicos confían en esta posibilidad, pero todavía no ha podido ser completamente descartada. Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse. La NASA ha enviado la sonda Alpha Magnetic Spectrometer (Espectrómetro Magnético Alpha) para buscar rastros de antimateria más compleja,
que pudiesen indicar que todavía existe antimateria en el universo. Sin embargo los experimentos no han detectado nada hasta la fecha.
Energia oscura
En cosmología física, la energía oscura es una forma de materia o energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva.Considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece estar en expansión acelerada. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.
Temas relacionados con la energía oscura son la constante cosmológica, una energía de densidad constante que llena el espacio en forma homogénea, la Teoría cuántica de campos y la quintaesencia, como campos dinámicos cuya densidad de energía puede variar en el tiempo y el espacio. De hecho, las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio normalmente también se incluyen en la constante cosmológica. Se piensa que la constante cosmológica se origina en la energía del vacío. Los campos escalares que cambian con el espacio son difíciles de distinguir de una constante cosmológica porque los cambios pueden ser extremadamente lentos.
Para distinguir entre ambas se necesitan mediciones muy precisas de la expansión del Universo, para ver si la velocidad de expansión cambia con el tiempo. La tasa de expansión está parametrizada por la ecuación de estado. La medición de la ecuación estado de la energía oscura es uno de los mayores retos de investigación actual de la cosmología física.
Añadir la constante cosmológica a la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) conduce al modelo Lambda-CDM, que se conoce como "modelo estándar" de cosmología debido a su coincidencia precisa con las observaciones.
No se debe confundir la energía oscura con la materia oscura, ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio.
Descubrimiento de la energía oscura
En 1998 las observaciones de supernovas de tipo 1a muy lejanas, realizadas por parte del Supernova Cosmology Project en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el High-z Supernova Search Team, sugirieron que la expansión del Universo se estaba acelerando.Desde entonces, esta aceleración se ha confirmado por varias fuentes independientes: medidas de la radiación de fondo de microondas, las lentes gravitacionales, nucleosíntesis primigenia de elementos ligeros y la estructura a gran escala del Universo, así como una mejora en las medidas de las supernovas han sido consistentes con el modelo Lambda-CDM.
Las supernovas de tipo 1a proporcionan la principal prueba directa de la existencia de la energía oscura. Según a la Ley de Hubble, todas las galaxias lejanas se alejan aparentemente de la Vía Láctea, mostrando un desplazamiento al rojo en el espectro luminoso debido al efecto Doppler. La medición del factor de escala en el momento que la luz fue emitida desde un objeto es obtenida fácilmente midiendo el corrimiento al rojo del objeto en recesión. Este desplazamiento indica la edad de un objeto lejano de forma proporcional, pero no absoluta. Por ejemplo, estudiando el espectro de un quasar se puede saber si se formó cuando el Universo tenía un 20% o un 30% de la edad actual, pero no se puede saber la edad absoluta del Universo. Para ello es necesario medir con precisión la expansión cosmológica. El valor que representa esta expansión en la actualidad se denomina Constante de Hubble. Para calcular esta constante se utilizan en cosmología las candelas estándar, que son determinados objetos astronómicos con la misma magnitud absoluta, que es conocida, de tal manera que es posible relacionar el brillo observado, o magnitud aparente, con la distancia. Sin las candelas estándar, es imposible medir la relación corrimiento al rojo-distancia de la ley de Hubble. Las supernovas tipo 1a son una de esas candelas estándar, debido a su gran magnitud absoluta, lo que posibilita que se puedan observar incluso en las galaxias más lejanas. En 1998 varias observaciones de estas supernovas en galaxias muy lejanas (y, por lo tanto, jóvenes) demostraron que la constante de Hubble no es tal, sino que su valor varía con el tiempo. Hasta ese momento se pensaba que la expansión del Universo se estaba frenando debido a la fuerza gravitatoria; sin embargo, se descubrió que se estaba acelerando, por lo que debía existir algún tipo de fuerza que acelerase el Universo.
La consistencia en magnitud absoluta para supernovas tipo 1a se ve favorecida por el modelo de una estrella enana blanca vieja que gana masa de una estrella compañera y crece hasta alcanzar el límite de Chandrasekhar definido de manera precisa. Con esta masa, la enana blanca es inestable ante fugas termonucleares y explota como una supernova tipo 1a con un brillo característico. El brillo observado de la supernova se pinta frente a su corrimiento al rojo y esto se utiliza para medir la historia de la expansión del Universo. Estas observaciones indican que la expansión del Universo no se está desacelerando, como sería de esperar para un Universo dominado por materia, sino más bien acelerándose. Estas observaciones se explican suponiendo que existe un nuevo tipo de energía con presión negativa.
La existencia de la energía oscura, de cualquier forma, es necesaria para reconciliar la geometría medida del espacio con la suma total de materia en el Universo. Las medidas de la radiación de fondo de microondas más recientes, realizadas por el satélite WMAP, indican que el Universo está muy cerca de ser plano. Para que la forma del Universo sea plana, la densidad de masa/energía del Universo tiene que ser igual a una cierta densidad crítica. Posteriores observaciones de la radiación de fondo de microondas y de la proporción de elementos formados en el Big Bang han puesto un límite a la cantidad de materia bariónica y materia oscura que puede existir en el Universo, que cuenta sólo el 30% de la densidad crítica. Esto implica la existencia de una forma de energía adicional que cuenta el 70% de la masa energía restante.
Estos estudios indican que el 73% de la masa del Universo está formado por la energía oscura, un 23% es materia oscura (materia oscura fría y materia oscura caliente) y un 4% materia bariónica. La teoría de la estructura a gran escala del Universo, que determina la formación de estructuras en el Universo (estrellas, quasars, galaxias y agrupaciones galácticas), también sugiere que la densidad de materia en el Universo es sólo el 30% de la densidad crítica.
La energía oscura y el destino del Universo
La consecuencia más directa de la existencia de la energía oscura y la aceleración del Universo es que éste es más antiguo de lo que se creía. Si se calcula la edad del Universo con base en los datos actuales de la constante de Hubble (71±4 (km/s)/Mp), se obtiene una edad de 10.000 millones de años, menor que la edad de las estrellas más viejas que es posible observar en los cúmulos globulares, lo que crea una paradoja insalvable. Los cosmólogos estiman que la aceleración empezó hace unos 9.000 millones de años. Antes de eso, se pensaba que la expansión estaba ralentizándose, debido a la influencia atractiva de la materia oscura y los bariones. La densidad de materia oscura en un Universo en expansión desaparece más rápidamente que la energía oscura y finalmente domina la energía oscura. Especificamente, cuando el volumen del Universo se dobla, la densidad de materia oscura se divide a la mitad pero la densidad de energía oscura casi permanece sin cambios (exactamente es constante en el caso de una constante cosmológica). Teniendo en cuenta la energía oscura, la edad del Universo es de unos 13.700 millones de años (de acuerdo con los datos del satélite WMAP en 2003), lo que resuelve la paradoja de la edad de las estrellas más antiguas.
Si la aceleración continúa indefinidamente, el resultado final será que las galaxias exteriores al Supercúmulo de Virgo se moverán más allá del horizonte de sucesos: no volverán a ser visibles, porque su velocidad radial será mayor que la velocidad de la luz. Esta no es una violación de la relatividad especial y el efecto no puede utilizarse para enviar una señal entre ellos. Realmente no hay ninguna manera de definir la "velocidad relativa" en un espacio-tiempo curvado. La velocidad relativa y la velocidad sólo pueden ser definidas con significado pleno en un espacio-tiempo plano o en regiones suficientemente pequeñas (infinitesimales) de espacio-tiempo curvado. A su vez, previene cualquier comunicación entre ellos y el objeto pase sin contactar. La Tierra, la Vía Láctea y el Supercúmulo de Virgo, sin embargo, permanecería virtualmente sin perturbaciones mientras el resto del Universo retrocede. En este escenario, el supercúmulo local finalmente sufriría la muerte caliente, justo como se pensaba para un Universo plano y dominado por la materia, antes de las medidas de la aceleración cósmica.
El fondo de microondas indica que la geometría del Universo es plana, es decir, el Universo tiene la masa justa para que la expansión continúe indeterminadamente. Si el Universo, en vez de plano fuese cerrado, significaría que la atracción gravitatoria de la masa que forma el Universo es mayor que la expansión del Universo, por lo que éste se volvería a contraer (Big Crunch). Sin embargo, al estudiar la masa del Universo se detectó muy pronto que faltaba materia para que el Universo fuese plano. Esta "materia perdida" se denominó materia oscura. Con el descubrimiento de la energía oscura hoy se sabe que el destino del Universo ya no depende de la geometría del mismo, es decir, de la cantidad de masa que hay en él. En un principio la expansión del Universo se frenó debido a la gravedad, pero hace unos 4.000 millones de años la energía oscura sobrepasó al efecto de la fuerza gravitatoria de la materia y comenzó la aceleración de la expansión.
El futuro último del Universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura. Si ésta es una constante cosmológica, el futuro del Universo será muy parecido al de un Universo plano. Sin embargo, en algunos modelos de quintaesencia, denominados energía fantasma, la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, provocando una aceleración exponencial. En algunos modelos extremos la aceleración sería tan rápida que superaría las fuerzas de atracción nucleares y destruiría el Universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado Gran Desgarro (Big Rip).
Hay algunas ideas muy especulativas sobre el futuro del Universo. Una sugiere que la energía fantasma causa una expansión divergente, que implicaría que la fuerza efectiva de la energía oscura continúa creciendo hasta que domine al resto de las fuerzas del Universo. Bajo este escenario, la energía oscura finalmente destrozaría todas las estructuras gravitacionalmente acotadas, incluyendo galaxias y sistemas solares y finalmente superaría a las fuerzas eléctrica y nuclear para destrozar a los propios átomos, terminando el Universo en un Big Rip. Por otro lado, la energía oscura puede disiparse con el tiempo o incluso llegar a ser atractiva. Tales incertidumbres abren la posibilidad de que la gravedad todavía pueda conducir al Universo que se contrae a sí mismo en un "Big Crunch". Algunos escenarios, como el modelo cíclico, sugieren que este podía ser el caso. Mientras que estas ideas no están soportadas por las observaciones, no pueden ser excluidas. Las medidas de aceleración son cruciales para determinar el destino final del Universo en la Teoría del Big Bang.
El misterio de la materia-antimateria
Las simetrías que observamos en la naturaleza provienen de leyes sencillas muy convenientes para simplificar nuestro conocimiento. En ese marco de sencillez, las leyes del microcosmos contemplan una simetría total entre materia y antimateria: al principio de la creación del universo debió haber la misma cantidad de ambas, pero algo ocurrió que permitió crear una leve asimetría entre ellas e inclinó, decisivamente, la balanza por la materia.
En un momento determinado, el universo visible estaba al rojo vivo y no era más grande que la cabeza de un alfiler. Las tremendas condiciones, la elevadísima temperatura, generaban cantidades inmensas de partículas y antipartículas de todo tipo. En el universo había mucha materia y ,exactamente , la misma antimateria. Por cada quark había un antiquark, pero en cierto momento se puso en acción el mecanismo conjeturado por el físico ruso Andrei Sajárov (1967). Por cada mil millones de partículas hubo un par más de quarks y según se iba enfriando el universo, los antiquarks chocaban con los quarks y se aniquilaban entre si. Al final quedaron unos cuantos quarks que se combinaron en tríos para formar los nucleones, protones y neutrones, que es el material más abundante en la materia ordinaria de nuestro universo.
Según Sajárov, la evolución de la asimetría material del universo dependía de tres propiedades de la naturaleza: la creación del universo en una gran explosión, la violación de la invariancia CP (carga-paridad) y la existencia de una fuerza nueva capaz de crear-aniquilar nucleones. Las dos primeras acababan de comprobarse en 1964, el descubrimiento de la radiación de fondo, vestigio fósil del Big Bang, fue una prueba irrefutable de la hipótesis de la gran explosión, y la detección, por un grupo de físicos de partículas de Princeton, de ciertas modalidades "prohibidas" de desintegración de kaones que sólo podían ocurrir si se daba una ligera violación de la simetría CP.
La propiedad que permite la violación de la simetría CP parece depender de la existencia de un mínimo de tres familias fermiónicas. De ahí el papel fundamental que juegan la extrañeza, los quarks t y b, los muones y los leptones tau. Sin ellos, habría habido la misma cantidad de materia que de antimateria, y hace mucho que ambas se habrían aniquilado entre si.
La tercera premisa de Sajárov es más especulativa, porque exige que toda la materia sea radiactiva, aunque a un nivel mínimo. Sin embargo, en 1973 se supo que la inestabilidad de la materia es inevitable en todo intento de fundir las fuerzas fuerte y nuclear débil en una teoría unificada. La gran unificación de las interacciones fundamentales confiere de forma natural el origen de la asimetría del universo.
Como curiosidad, he leído hace poco una noticia, sobre un fenómeno singular un extraño baile entre la materia y la antimateria: Unas partículas subatómicas llamadas mesones Bs, que debieron existir en el Universo al principio y que se crean ahora en los aceleradores de partículas, se convierten espontáneamente en lo contrario de sí mismas, en antimateria, en antimesones Bs. A su vez los antimesones Bs, la antimateria, se convierten otra vez en mesones Bs. Un equipo de 700 físicos del acelerador de partículas Tevatron (de Fermilab, en Chicago) ha medido ahora con alta precisión que esa transición de una partícula en su antipartícula se produce 2,8 billones de veces por segundo, con un error del 2%. "Si lo ves como una de danza de materia y antimateria, nosotros hemos medido el increíblemente rápido tempo de esa danza", dice Jacobo Konigsberg, uno de los jefes del equipo. Una decena de físicos españoles, del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), ha desempeñado un papel destacado en el experimento (El País, 2006).
Esta extraña danza del mesón Bs ya se conocía, pero ahora se ha medido con una asombrosa precisión que nos ayuda a conocer mejor la misteriosa y trascendente relación entre la materia y la antimateria.
Libro: "Interacciones. Una visión del mundo desde el encanto de los átomos", de Sheldon L Glashow. Metatemas: Libros para pensar la ciencia, de Tusquets editores. Barcelona 1994.
Sheldon L Glashow recibió el premio Nobel de Física de 1979, junto con Abdus Salam y Steve Weinberg, por sus "trabajos sobre la teoría de la interacción unificada débil y electromagnética entre las partículas elementales, comprendida la predicción de la corriente nuetra débil".
Particulas
Todo lo que existe en el universo, desde un palillo hasta una galaxia, está hecho de materia que se puede descomponer en una docena de partículas elementales y que interactúan por medio de 4 fuerzas.
Los físicos han identificado 12 partículas elementales y 4 interacciones como los elementos básicos a partir de los cuales se puede construir todo el universo, incluyendo sistemas tan complejos como los seres vivos.
Las partículas elementales son los objetos más simples que se pueden concebir. En general no tienen partes ni se pueden dividir en componentes más sencillas, sin embargo los experimentos de colisiones de partículas a muy altas energías han revelado que algunas partículas que se creían simples en realidad son compuestas (por ejemplo un protón esta hecho de quarks).
¿Cuántas partículas hay en el universo?
En realidad no hay una respuesta concreta a esta pregunta, porque de entrada no sabemos cómo es de grande el universo. Sin embargo hagamos algunas hipótesis.
Uno de los cálculos es que hay unas 100.000.000.000 (ó 1011, un 1 seguido de 11 ceros) de galaxias en el universo. Cada una de estas galaxias tiene por término medio una masa 100.000.000.000 (ó 1011) mayor que la del Sol.
Quiere decirse que la cantidad total de materia en el universo es igual a 1011 1011 ó 1022 veces la masa del Sol. Dicho con otras palabras, en el universo hay materia suficiente para hacer 10.000.000.000.000.000.000.000 (diez mil trillones) de soles como el nuestro.
La masa del Sol es de 2 1033 gramos. Esto significa que la cantidad total de materia en el universo tiene una masa de 1022 2 1033 gramos. Lo cual puede escribirse como 20.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000. Dicho con palabras, veinte nonillones.
Procedamos ahora desde el otro extremo. La masa del universo está concentrada casi por entero en los nucleones que contiene. (Los nucleones son las partículas que constituyen los componentes principales del núcleo atómico.) Los nucleones son cosas diminutas y hacen falta 6 1023 de ellos para juntar una masa de 1 gramo.
Pues bien, si 6 1023 nucleones hacen 1 gramo y si hay 2 1055 gramos en el universo, entonces el número total de nucleones en el universo es 6 1023 2 1055 ó 12 1078, que de manera más convencional se escribiría 1,2 1079.
Los astrónomos opinan que el 90 por 100 de los átomos del universo son hidrógeno, el 9 por 100 helio y el 1 por 100 elementos más complicados. Una muestra típica de 100 átomos consistiría entonces en 90 átomos de hidrógeno, 9 átomos de helio y 1 átomo de oxígeno (por ejemplo). Los núcleos de los átomos de hidrógeno contendrían 1 nucleón cada uno: 1 protón. Los núcleos de los átomos de helio contendrían 4 nucleones cada uno: 2 protones y 2 neutrones. El núcleo del átomo de oxígeno contendría 16 nucleones: 8 protones y 8 neutrones.
Los cien átomos juntos contendrían, por tanto, 142 nucleones: 116 protones y 26 neutrones
Existe una diferencia entre estos dos tipos de nucleones. El neutrón no tiene carga eléctrica y no es preciso considerar ninguna partícula que lo acompañe. Pero el protón tiene una carga eléctrica positiva y como el universo es, según se cree, eléctricamente neutro en su conjunto, tiene que existir un electrón (con una carga eléctrica negativa) por cada protón.
Así pues, por cada 142 nucleones hay 116 electrones (para compensar los 116 protones). Para mantener la proporción, los 1,2 1079 nucleones del universo tienen que ir acompañados de 1 x 1079 electrones. Sumando los nucleones y electrones, tenemos un número total de 2,2 x 1079 partículas de materia en el universo. Lo cual se puede escribir como 22.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.- 000.000.000.000.000.000.000.000 (ó 22 tredecillones).
Si el universo es mitad materia y mitad antimateria, entonces la mitad de esas partículas son antinucleones y antielectrones. Pero esto no afectaría al número total.
De las demás partículas, las únicas que existen en cantidades importantes en el universo son los fotones, los neutrinos y posiblemente los gravitones. Pero como son partículas sin masa no las contaré. Veintidós tredecíllones es después de todo suficiente y constituye un universo apreciable.
Particulas subatomicas
Una partícula subatómica es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta. La física de partículas y la física nuclear se ocupan del estudio de estas partículas, sus interacciones y de la materia que las forma y que no se agrega en los átomos. Ejemplos de partículas subatómicas son las que constituyen los átomos: protones, electrones y neutrones.
La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, sino que se producen en los rayos cósmicos y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas. De este modo, existen docenas de partículas subatómicas.
Introducción
Los primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas comporta que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.
Los protones y neutrones por su parte están constituidos por quarks. Así un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. Existen seis tipos diferentes de quarks (up, down, bottom, top, extraño y encanto). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnética (los fotones) y débil (los neutrinos y los bosones W y Z).
Los electrones, que están cargados negativamente, tienen una masa 1/1836 de la del átomo de hidrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. El número atómico de un elemento es el número de protones (o el de electrones si el elemento es neutro). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.
Las propiedades más interesantes de las 3 partículas constituyentes de la materia existente en la Tierra son:
■Electrón: Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1*10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602*10-19 C).
■Protón: Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6. 10-27 kg. Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.
■Neutrón: Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.
El concepto de partícula elemental es hoy algo más oscuro debido a la existencia de cuasipartículas que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción fenomenológica es muy similar a la de una partícula real.
Historia
En la Grecia clásica, un átomo era concebido como la parte más pequeña e indivisible constituyente de la materia.
Fue el desarrollo de la química la que consiguió establecer un número determinado de constituyentes de toda la materia existente y medible en la Tierra. Sus hallazgos dieron su mayor fruto de la mano de Mendeleiev, al concretar de una forma sencilla todos los posibles átomos (definiendo de hecho la existencia de algunos no descubiertos hasta tiempo después).
Más adelante se descubrió que, si bien los recien definidos átomos cumplían la condición de ser los constituyentes de toda la materia, no cumplían ninguna de las otras dos condiciones. Ni eran la parte más pequeña ni eran indivisibles. Sin embargo se decidió mantener el término átomo para estos constituyentes de la materia.
La electroquímica liderada por G. Johnstone Stoney, dio lugar al descubrimiento de los electrones (e-) en 1874, observado en 1897 por J. J. Thomson. Estos electrones daban lugar a las distintas configuraciones de los átomos y de las moléculas. Por su parte en 1907 los experimentos de Ernest Rutherford revelaron que gran parte del átomo era realmente vacío, y que casi toda la masa se concentraba en un núcleo relativamente pequeño. El desarrollo de la teoría cuántica llevó a considerar la química en términos de distribuciones de los electrones en ese espacio vacío. Otros experimentos demostraron que existían unas partículas que formaban el núcleo: el protón (p+) y el neutrón (n) (postulado por Rutherford y descubierto por James Chadwick en 1932). Estos descubrimientos replanteaban la cuestión de las partes más pequeñas e indivisibles que formaban el universo conocido. Se comenzó a hablar de las partículas subatómicas.
Más tarde aún, profundizando más en las propiedades de los protones, neutrones y electrones se llegó a la conclusión de que tampoco estos (al menos los dos primeros) podían ser tratados como la parte más pequeña, ni como indivisibles, ya que los quarks daban estructura a los nucleones. A partir de aquí se empezó a hablar de partículas cuyo tamaño fuese inferior a la de cualquier átomo. Esta definición incluía a todos los constituyentes del átomo, pero también a los constituyentes de esos constituyentes, y también a todas aquellas partículas que, sin formar parte de la materia, existen en la naturaleza. A partir de aquí se habla de partículas elementales.
Historia reciente
En 1897 J. J. Thomson descubre el electrón. Albert Einstein interpreta el efecto fotoelétrico como una evidencia de la existencia real del fotón. Anteriormente, en 1905, Max Planck había postulado el fotón como un quantum de energía electromagnética mínimo para resolver el problema de termodinámica de la radiación del cuerpo negro.
Por su parte Ernest Rutherford descubrió en 1907 en el famoso experimento de la lámina de oro que casi la totalidad de la masa de un átomo estaba concentrada en una muy pequeña parte de él, que posteriormente se llamaría núcleo atómico, siendo el resto vacío. El desarrollo continuado de estas ideas llevó a la mecánica cuántica, algunos de cuyos primeros éxitos incluyeron la explicación de las propiedades del átomo.
Muy pronto se identificó una nueva partícula, el protón, como constituyente único del núcleo del hidrógeno. Rutherford también postuló la existencia de otra partícula, llamada neutrón, tras su descubrimiento del núcleo. Esta partícula fue descubierta experimentalmente en 1932 por James Chadwick. A estas partículas se sumó una larga lista:
■Wolfgang Pauli postuló en 1931 la existencia del neutrino para explicar la aparente pérdida de la conservación de la cantidad de movimiento que se daba en la desintegración beta. Enrico Fermi fue quien inventó el nombre. La partícula no fue descubierta hasta 1956.
■Fue Hideki Yukawa quién postuló la existencia de los piones para explicar la fuerza fuerte que unía a los nucleones en el interior del núcleo. El muón se descrubrió en 1936, pensándose inicialmente de forma errónea que era un pión. En la década de los 50 se descubrió el primer kaón entre los rayos cósmicos.
■El desarrollo de nuevos aceleradores de partículas y detectores de partículas en esa década de los 50 llevó al descubrimiento de un gran número de hadrones, provocando la famosa cita de Wolfgang Pauli: «If I had foreseen this, I would have gone into botany» (= 'Si hubiera previsto esto me hubiera hecho botánico').
■Junto con los hadrones compuestos aparecieron series de partículas que parecían duplicar las funciones y carácterísticas de partículas más pequeñas. Así se descubrió otro "electrón pesado", además del muón, el tauón, así como diversas series de quarks pesados. Ninguna de las partículas de estas series más pesadas parece formar parte de los átomos de la materia ordinaria.
La clasificación de esos hadrones a través del modelo de quarks en 1961 fue el comienzo de la edad de oro de la física moderna de partículas, que culminó en la completitud de la teoría unificada llamada el modelo estándar en la década de los 70.
La confirmación de la existencia de los bosones de gauge débil en la década de los 80 y la verificación de sus propiedades en los 90 se considera como la era de la consolidación de la física de partículas. Entre las partículas definidas por el modelo estándar, aun permanece sin descubrir el bosón de Higgs. Por ello este es el objetivo primordial del acelerador Large Hadron Collider (LHC) del CERN. El resto de partículas conocidas encaja a la perfección con el modelo estándar.
Materias de estudio
El estudio de estas partículas subatómicas, de su estructura y de sus interacciones, incluye materias como la mecánica cuántica y la física de partículas. A veces, debido a que gran parte de las partículas que pueden tratarse como partículas subatómicas solo existen durante períodos de tiempo muy cortos y en condiciones muy extremas como los rayos cósmicos o los aceleradores de partículas, suele llamarse a esta disciplina física de altas energías.
Por su parte el tratamiento que la teoría cuántica de campos (TCC) hace de las partículas difiere de la mecánica cuántica en un punto importante. En TCC las partículas no son entidades básicas, sino que sólo existen campos y posibles estados del espacio-tiempo (el que sean perceptibles un cierto número de partículas es una propiedad del estado cuántico del espacio tiempo). Así un campo es tratado como un observable asociado a una región del espacio-tiempo, a su vez, a partir del observable de campo se puede definir un operador número que se interpreta como el número de partículas observables en el estado cuántico. Puesto que los autovalores del operador número son números enteros y las magnitudes extensivas son expresables en términos de este operador, razón por la cual los autovalores de ese operador se pueden interpretar como el número de partículas.
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