Nueva
Física
¿Esta
Vacía la Materia?
Átomos, protones y
quarks sólo son burbujas de nada.
Por Paul
Davies
EN
el siglo XVIII
George Berkeley, obispo de cloyne, en Irlanda, hizo una osada
afirmación: “¡La materia no existe! Lo que percibimos como
sustancias sólidas, por ejemplo la madera o el hierro, no son otra
cosa que una impresión que Dios hace que se produzca en nuestro
cerebro”. En aquellos tiempos había que ser muy influyente para
atreverse a decir algo así. El obispo lo era. Bien es cierto que su
afirmación habría pasado inadvertida de no haber sido rebatida por
su más desaforado critico, el doctor Samuel Johnson. Este golpeó su
pie con rabia contra una gran piedra a la vez que exclamaba: ¡Esta
es mi refutación!” Un argumento admisible por cualquiera en su
sano juicio.
George
Berkeley
El
filósofo irlandés George Berkeley está considerado el fundador del
idealismo, teoría que afirma que la existencia de todos los objetos
físicos depende de la mente. De acuerdo con sus escritos de
principios del siglo XVIII, una mesa 'es' real
sólo si una mente la percibe. Por tanto, los objetos son ideas.
Samuel
Johnson
Es
el autor del Diccionario de la lengua inglesa, llamado
irónicamente Diccionario Johnson y El gran Khan de la
Literatura. Johnson fue también el protagonista de una de las
mejores biografías de la literatura mundial, Vida de Samuel
Johnson, del escritor escocés James Boswell.
The
New York Public Library
Sin embargo, ni
siquiera hoy, dos siglos más tarde, se puede definir qué es la
materia. Los hallazgos de la física y la química modernas apuntan a
que posee mucha menos sustancia de lo que aparenta. Es más, cuanto
más penetramos en su estructura microscópica tanto mayor es la
sospecha de que la sustancia va despareciendo poco a poco.
Ya los filósofos
griegos tuvieron controversias sobre la naturaleza de la materia.
Estos no acertaban a comprender la idea de que en el mundo existieran
la consistencia y la transformación al mismo tiempo. Por una parte,
no se puede negar que los objetos materiales –piedras, flores,
personas– poseen identidades claramente determinado, por lo que en
ellos tiene que haber algo que no se modifica con el paso del tiempo.
Pero por otra, si no hubiera cosas que se transformasen en el mundo
no sucedería nada.
Parménides (540–470
a. de C.) planteó una cuestión interesante: una modificación real
es imposible. Todo lo que realmente existe tiene que ser duradero.
Por su parte, Platón (427–347 a. de C.) opinaba que el mundo de
las sensaciones constantemente nuevas era una ilusión, y comparaba
el transcurso de los acontecimientos en la vida diaria con unas
sombras que proyectaban sobre la pared una cueva siempre una misma
realidad que no podemos captar. En cambio, Heráclito (550–480 a.
de C.) rebatía las ideas de Parménides. Este afirmaba que “todo
lo que hay en el mundo se encuentra en un flujo de transformación.
No hay nada que tenga consistencia, excepto la ley de la variación.
Incluso los objetos que aparentemente están en reposo total, como el
Sol o una roca, no permanecen siempre inmutables.”
Demócrito (460–370
a. de C.) encontró una salida a este callejón sin salida. Según su
doctrina, todo lo material estaría compuesto de unas diminutas
partículas indestructibles, a las que llamó átomos. Estos
existirían en las más diversas formas y tamaños, poseerían la
facultada de unirse a otros átomos y, de esta forma, producirían
objetos grandes. Así las diferencias entre un árbol y una montaña,
o un sombrero y un trozo de carne, se deberían a su diversa
composición atómica. Además, los átomos, siempre según
Demócrito, son móviles, lo que explicaría el hecho de que las
cosas puedan cambiar de lugar o variar de aspecto. En su teoría
atómica existía dos afirmaciones sobresalientes una, que los átomos
existen, y dos, que éstos se pueden mover libremente en el espacio.
De ello se deduce que el mundo hay dos componentes esenciales, los
átomos y el vacío.
Demócrito
Fundador
del atomismo, Demócrito recondujo lo real al movimiento de los
átomos en el vacío, entendido como espacio geométrico que asume
los caracteres del no-ser de Parménides. Para explicar la infinita
variedad de fenómenos naturales y sus transformaciones, Demócrito
creía que no es necesario postular ningún otro elemento. Eternos,
indestructibles, inmutables, los átomos se distinguen por forma,
tamaño, orden y posición, propiedades cuantitativas de las cuales
dependen los aspectos cualitativos de las cosas.
Agenzia
LUISA RICCIARINI—MILANO
En la actualidad, la
idea de un espacio vacío apenas nos plantea problemas de
comprensión, pero no sucedía lo mismo entre los pensadores de
antaño. Dado que no se disponía de ninguna diferenciación precisa
entre el espacio y la nada, muchos tenían por carente de significado
tal concepto. Si se decía, por ejemplo, que entre dos átomos
existía un vacío, se entendía que estaban separados por nada; o
sea, que no estaban separados. Para evitar este absurdo, algunos
filósofos imaginaron que la vacuidad estaba rellena de una sustancia
invisible, impalpable y sin estructura propia, que denominaron plenum
(lleno, en latín). Durante dos mil años, la teoría atómica de la
materia fue sólo una idea entre muchas. Todavía a finales del siglo
pasado, el filósofo austriaco Ernst Mach –que dio nombre a la
unidad de medida de la velocidad del sonido– se manifestaba en
contra de la existencia de los átomos, al afirmar que la materia era
una sustancia continua.
Sólo cuando se
descubrieron la radioactividad y el electrón, la comunidad
científica adoptó sin reservas la doctrina de Demócrito. Pero
todavía en el primer decenio de nuestro siglo los científicos no
tenían una concepción clara sobre cómo son los átomos. ¿Se
trataba de partículas indestructibles y sólidas, como habían
supuesto los antiguos griegos, o estaban compuestos a su vez de
subpartículas? Si existían los electrones, había que aceptar que
cada átomo contenía partículas con carga eléctrica positiva y
negativa. Pero ¿cómo estaban dispuestas?
Un físico de Nueva
Zelanda, Ernest Rutherford, resolvió el enigma. Rutherford era
experto en radioactividad, sobre todo en desintegración alfa. En
este proceso, un núcleo pesado de un átomo, por ejemplo el de
uranio, despide por centrifugación al espacio una partícula de tipo
alfa – un núcleo de helio– con carga positiva. El físico
utilizó los núcleos de helio como munición para bombardear unas
finas láminas metálicas. Para asombro suyo, las partículas
rebotaron y salieron despedidas en todas las direcciones.
Ernest
Rutherford
El
físico británico Ernest Rutherford, que obtuvo el Premio Nobel de
Química en 1908, fue un pionero de la física nuclear por sus
investigaciones experimentales y su desarrollo de la teoría nuclear
de la estructura atómica. Rutherford afirmó que un átomo está
constituido en gran medida por espacio vacío, con un núcleo con
carga positiva en el centro, en torno al cual orbitan los electrones,
cargados negativamente.
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El neocelandés
había supuesto que los proyectiles atravesarían limpiamente la
lámina. Era como si una granada de artillería rebotara al impactar
contra un muro de papel. Rutherford intuyó que en la estructura de
lámina tenía que haber centros en los que se almacenaba tan
cantidad de masa que las partículas alfa eran detenidas y
rechazadas. Imaginó que el núcleo atómico se concentraba casi toda
la masa del átomo, y propuso que los electrones, al girar alrededor
del núcleo, formaban una corteza.
Este modelo
planetario del átomo fue aceptado muy pronto, pero no tenía ya nada
que ver con la idea de los antiguos griegos. Los átomos no son
cuerpos duros, indestructibles e impenetrables, sino sistemas
compuestos que constan de muchas partículas. Y lo que resulta aún
curioso: en el interior del átomo hay casi sólo espacio vacío. Un
átomo de carbono, por poner un ejemplo, tiene un diámetro
aproximado de una cienmillonésima parte de un centímetro; es decir,
10-8 centímetros. Sin embargo su núcleo es de sólo una
billonésima 10-12 de centímetro. Para hacerse una idea
de esta diferencia, si el átomo fuera tan grande como un campo de
golf de 80 hectáreas, el núcleo tendría aproximadamente el tamaño
de unos de sus hoyos.
Toneladas de Átomos Presos en una Cucharita.
Los electrones no
poseen unas dimensiones medibles. Se mueven en remolino, en un
espacio vacío un billón de veces mayor que el volumen del núcleo.
Por lo tanto, podría decirse que sólo una billonésima parte del
átomo esta lleno de materia. Pero incluso este cálculo es demasiado
generoso, puesto que el propio núcleo es cualquier cosa menos un
cuerpo sólido. La materia nuclear tiene una densidad inimaginable:
una cucharita de café repleta de esta sustancia pesaría ¡mil
millones de toneladas! A pesar de ello, todavía queda espacio vacío
dentro del núcleo. ¿Cómo es posible?
En los años
sesenta, durante mi época de estudios había muchos físicos que
creían que los protones y los neutrones eran algo así como pequeñas
bolitas repletas de la misma materia.
Evolución
del modelo atómico
A
medida que los científicos fueron conociendo la estructura del átomo
a través de experimentos, modificaron su modelo atómico para
ajustarlo a los datos experimentales. El físico británico Joseph
John Thomson observó que los átomos contienen cargas negativas y
positivas, mientras que su compatriota Ernest Rutherford descubrió
que la carga positiva del átomo esta concentrada en el núcleo. El
físico danés Niels Bohr propuso la hipótesis de que los electrones
sólo describen orbitas en torno al núcleo a determinadas
distancias, y a su colega austriaco Erwin Schrodinger descubrió que,
de hecho, los electrones de un átomo se comportan más como ondas
que como partículas.
Luego, en los años
setenta, los fiscos bombardearon el núcleo con proyectiles. Pero en
vez de hacerlo con las partículas alfa de Rutherford, utilizaron
electrones acelerados casi a la velocidad de la luz en el gigantesco
acelerador lineal de partículas SLAC de la universidad de Stanford,
en California. Los resultados permitieron deducir que los protones y
los neutrones no son cuerpos sólidos, sino que constan de diminutas
partículas que, a su vez revolotean en círculos en el territorio
del átomo.
Un
Solo Punto Para los Electrones y los Quarks
Entretanto, los
físicos han llegado ya a comprender la estructura interna de las
partículas nucleares. No existe un único núcleo central, sino que
cada átomo hay tres concentraciones de masa de este tipo. Esos
cuerpos internos son conocidos como quarks. Pero entonces,
¿qué proporción del volumen de un protón o de un neutrón tienen
los quarks? La respuesta aún no la conocemos.
Se estima que un
quarks es más pequeño que la milmillonésima parte de una
milmillonésima de una milmillonésima de un centímetro. De ser esto
cierto, un protón sería por lo menos cien billones de veces mayor
que un quark. Así, el viaje hacia el interior de la materia se
parece, cada vez más, a una serie de cajitas chinas. Tan pronto como
se descubre una, se sospecha de inmediato que dentro habrá otra más
pequeña, y así sucesivamente.
Constituyentes
de la materia
Según
el modelo estándar, la materia se compone de dos tipos de partículas
fundamentales: los leptones y los quarks.
El electrón, uno de los constituyentes elementales del átomo,
pertenece a la familia de los leptones. En cambio, el protón y el
neutrón, constituyentes del núcleo atómico, están formados por
quarks. La simetría de la
naturaleza ha ordenado las partículas de cada clase en tres
familias. Las medidas efectuadas en el acelerador LEP del CERN
(Organización Europea para la Investigación Nuclear) han confirmado
ese número de familias, proporcionando fundamento experimental al
modelo.
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Sin embargo, la base
de la primitiva teoría atómica era que toda la materia del universo
está compuesta en último término de unos pocos bloques o
componentes básicos. ¿Podremos estar entonces seguros de que ahora
por lo menos los quarks, junto con los electrones, forman el nivel
inferior? ¿O será que ellos mismos constan, a su vez, en gran parte
de espacio vacío y guardan en su interior otras partes mucho más
pequeñas? Planteemos una pregunta quizás más interesante: ¿no se
terminará nunca con el más pequeño todavía? Y si alguna vez
llegamos a tal punto, ¿qué tamaño tendrán las partículas más
ínfimas de todas?
La última de estas
cuestiones quizás no tenga respuesta. Cuando se descubrieron los
electrones parecía lógico como diminutas y sólidas bolas cuya
carga eléctrica se distribuía uniformemente por todo su volumen. El
electrón, por tanto, debería ser indestructible y totalmente
rígido. En caso contrario, podríamos comprimirlo, aplastarlo o
estirarlo hasta desgarrarlo, si contáramos con la fuerza suficiente.
Pero la idea de una
rigidez total es sumamente problemática. Según Einstein, ninguna
influencia física puede superar la velocidad de la luz. Para
encontrar una salida a este pequeño dilema, los físicos propusieron
que el electrón tuviese forma de punto. De este modo, su carga y su
masa estarían concentradas en un punto de dimensión y volumen cero.
Consecuencia: la materia, que está compuesta de innumerables
partículas elementales puntuales, no sería esencialmente otra cosa
que espacio vacío. La verdadera sustancia sólo se podría encontrar
en puntos individuales que, a su vez, no ocuparían lugar alguno.
Para fines
prácticos, los físicos de partículas parten del supuesto de que
los quarks y los electrones tienen una forma de punto. Los ensayos
llevados a cabo en el laboratorio no han aportado ninguna prueba de
que puedan ser mayores que la diezmillonésima de una billonésima
parte de un centímetro. Esto equivale a una milésima parte de un
protón. Por otra parte, jamás se podría medir una partícula que
tenga tamaño cero y, por tanto, nunca seremos capaces de demostrar
que existen partículas sin volumen. No obstante, hay dificultades
teóricas que contradicen esto último. Una de ellas está
relacionada con los campos eléctricos de los electrones, los quarks
o cualquier otra partícula.
Todos hemos
aprendido en la escuela que las cargas iguales se repelen mutuamente
y que la repulsión es mayor cuanto más pequeño es el radio de la
esfera. Al estar la carga distribuida uniformemente por toda ella,
las diferentes zonas de la misma deben repelerse entre sí y, por
consiguiente, las fuerzas eléctricas de igual signo estarían
siempre tratando de hacer que el electrón saltase en mil pedazos. De
ello se deduce que para producir un electrón con forma de punto se
necesitaría una energía infinita que compensase una repulsión
infinitamente grande.
Ahora entra en juego
otra realidad: la energía pose masa. Esta relación la expresó
Einstein en su conocida fórmula E = mc2. Según ella, un
electrón con forma de punto debería contar una masa infinitamente
grande. Esto, sin más es absurdo.
Partículas
Subatómicas con Forma de Lazo
“¿Y si las
partículas elementales no fuesen ni puntos ni bolas, sino hilos o
cuerdas elásticas representadas en una sola dimensión, la
longitud?”,dicen algunos físicos. Al tratarse de simples
filamentos capaces de ser estirados como una goma, podrían vibrar.
La teoría de las cuerdas pretende relacionar entre sí las diversas
clases de vibraciones con las distintas partículas conocidas. El
aspecto de estos hilos constituyentes de la materia sería el de
minúsculos lazos con un diámetro de una milmillonésima de una
billonésima de una billonésima parte de un centímetro. Hablando
con rigor, un lazo de este tipo es unidimensional; es decir, que
posee un volumen cero. Pero podemos imaginarnos que gira y oscila, y
que con sus movimientos ocupa una diminuta región tridimensional.
El volumen de esta
zona de relativa solidez o cantidad de masa es tan reducido que
cuesta imaginárselo. Si ahora suponemos que dicho espacio representa
la unidad base, que esta ocupada por una de las partículas
fundamentales, encontramos que en un átomo típico sólo una
billonésima parte de una billonésima de una billonésima de una
billonésima de una billonésima de una billonésima parte de todo el
espacio está lleno de masa, Un valor diminuto e insignificante, pero
al fin y al cabo un valor.
Entonces estamos
repetidamente ante la divertida posibilidad de calcular cuál es el
porcentaje del espacio ocupado por la materia dentro del universo.
Esta materia pesa, aproximadamente, 1048 toneladas. Sin
embargo el espacio que ocupa conjuntamente sus lazos de hilos no es
mayor que una diminuta fracción de centímetro cúbico. Si
consideramos ahora que porcentaje representa esto respecto al total
del espacio del universo, llegamos al resultado de que se trata de
una cifra descomunal. Pero ¿por qué hay tanto espacio vacío en el
cosmos? ¿Tiene esto algún sentido? Una posible respuesta se deduce
del principio antropico. Según éste, nadie podría
plantearse esta cuestión si las condiciones en el universo no se
adaptaran al milímetro a la evolución de la vida y del ser humano.
El físico
norteamericano John Wheeler fue el primero que llamó la atención
sobre este punto. Si el orbe no fuera tan gigantesco y tan vacío
–como lo es en realidad–, hace mucho tiempo que se habría
desmoronado en sí mismo, antes de que se hubiera podido desarrollar
la vida en la Tierra. Ahora bien, estamos aquí, podemos plantear
cuestiones y, si hoy nos preguntamos acerca de la naturaleza de la
materia sólida es efectivamente espacio vacío. ¿Resultará al
final que el obispo Berkeley tenía razón? De ser así, ¿qué decir
del doctor Jonson? Cualquiera que golpee su zapato contra una piedra
notará que es sólida y dura. ¿Cuál es la razón?
La
Solidificación Total de la Materia es Imposible
La respuesta se la
debemos a la nueva generación de físicos que trabajan en el campo
de la mecánica cuántica. En los años veinte ya se formularon dos
de sus principales claves. El primero es el principio de
indeterminación de Werner Heisenberg. Según este postulado, no se
puede fijar con exactitud la posición en el espacio de una
partícula, como puede ser el caso del electrón. Siempre existe una
incertesa sobre su ubicación espacial. Ello se debe a que si se
calcula el lugar donde se encontraría, no se obtiene un valor exacto
para el impulso del que depende su movimiento. Esto quiere decir
sencillamente que no podemos saber nada más sobre dónde estará la
partícula en el momento siguiente. Y viceversa, si calculamos el
impulso nos quedamos sin conocer el lugar en el que se encuentre en
dicho momento.
Muchos podrán
pensar que el movimiento del electrón alrededor del núcleo del
átomo podría compararse con la órbita que describe un planeta
alrededor del Sol. En el caso del electrón, a diferencia del
movimiento predecible de un planeta, su trayectoria no está definida
con precisión. La partícula parece estar difuminada y repartida por
todo el átomo, por lo que se puede encontrar en principio también
en cualquier parte de sus dominios, aunque en cada caso con una
diferente probabilidad.
Sin embargo, esta
indeterminación proporciona el electrón una extensión espacial,
aunque sólo sea puntual. Dicho de otro modo, aun cuando la partícula
no posea una configuración espacial, la nube de la probabilidad que
le corresponde posee ciertamente una extensión en el espacio.
El segundo postulado
clave de la física cuántica, conocido como prohibición de Pauli
o principio de la exclusión, se debe al físico suizo Wolfgang
Pauli (1900–1958). En él sostiene que dos electrones son incapaces
de adoptar el mismo estado cuántico (esto es también aplicable para
los protones, los neutrones y los diversos quarks).
Una de las
consecuencias prácticas de esta hipótesis es que si se intenta
comprimir dos electrones entre sí de manera violenta, éstos oponen
resistencia. El principio de exclusión tiene consecuencias muy
importantes para la constitución de los átomos, puesto que anuncia
que los electrones no pueden invadir de forma atropellada y a la vez
el corazón atómico, sino que deben permanecer apilados y
superpuesto en los diferentes niveles de energía o estratos. Estos
están tanto más alejadas del núcleo cuanto más energía poseen
los electrones en ese nivel. Es precisamente esta propiedad de
ordenamiento lo que hace que los átomos presenten una extensión
espacial. Y es también el motivo de que los átomos pesados, con
muchos componentes en el núcleo y, por consiguiente, con múltiples
electrones, posean una mayor extensión que los átomos ligeros.
Pero aquí no queda
la cosa. El principio de la exclusión nos proporciona también el
mecanismo encargado de la resistencia de la materia dentro de las
magnitudes que nosotros
.
Formación
de un agujero negro
Cuando
el gas y el polvo interestelares de una nebulosa se condensan (1), se
forma una protoestrella que emite chorros de materia. Ésta continúa
condensándose por gravitación al tiempo que se calienta. Cuando la
temperatura del núcleo de la protoestrella llega a 10 millones de
grados, se inician una serie de reacciones nucleares (2) y nace así
una estrella nueva. Más adelante, la corteza del astro sufre una
expansión acompañada de calentamiento (3), lo que da lugar a la
formación de una gigante roja, de diámetro entre 10 y 100 veces el
del Sol. La evolución de la gigante roja depende de su masa. Si es
inferior a 1,4 veces la del Sol, el astro es inestable, lanza las
capas externas al espacio (5) y crea una nebulosa planetaria. A
continuación, la estrella se contrae de nuevo (6) y se transforma en
enana blanca, un astro del tamaño de la Tierra. Esta pequeña
estrella se enfría y da lugar a una enana negra, que por su baja
temperatura no brilla. Si la gigante roja es muy grande, produce
hierro y otros elementos pesados, aumenta de tamaño (4) y se
transforma en supergigante. Después estalla y libera la materia en
el espacio. Si estalla el astro completo (8), evoluciona hacia una
supernova; si sólo estalla la parte externa (7), se forma una nova.
Según su masa, la supernova engendra una estrella de neutrones (9),
o un agujero negro (10) si el núcleo del astro desintegrado tiene
una masa suficientemente elevada.
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manejamos; es decir,
con materiales que podríamos tachar de normales. Buenos ejemplos de
éstos son cristales y los metales, cuyas fuerzas de aglutinación
proceden de los distintos niveles electrónicos. Además, el
principio explica la estabilidad de las estrellas colapsadas. Nuestro
Sol habrá consumido su combustible dentro de algunos miles de
millones de años. Su calor interno disminuirá y no podrá producir
la presión suficiente para soportar su gigantesca masa. Entonces la
gravitación se encargará de que el astro rey se vaya contrayendo
hasta que se transforme en una estrella enana blanca.
¿Por qué no puede
llegar a ser todavía más pequeño? Porque los electrones ya no se
pueden comprimir más. Pero según la Teoría de la Relatividad, es
imposible una solidificación total. Si una estrella en vías de
extinción posee suficiente masa, sus electrones comienzan a moverse
con tanta rapidez que se aproximan a la velocidad de la luz. En estas
condiciones, el principio de la exclusión permite que los electrones
se aproximen entre sí. Entonces puede suceder que la estrella se
encoja hasta alcanzar sólo el diámetro de una gran ciudad. Ahora
interviene un nuevo mecanismo de estabilización. No se refiere a los
electrones procedentes de la corteza de los átomos, sino a los
neutrones del núcleo. Estos son precisamente los que ya no pueden
seguir comprimiéndose. El resultado es el nacimiento de un objeto
que los astrofísicos conocen como una estrella de neutrones. En los
últimos años, los científicos han hallado numerosos astros de este
tipo.
La
Sustancia Real del Cosmos No Ocupa Lugar
Sin embargo, la
forma de la rigidez tiene su limites. Por eso, las estrellas que
antes de su extinción tenían varias veces la masa del Sol, se van
condensando en su lucha por sobrevivir hasta que se convierte en un
agujero negro. ¿Cuál es entonces la conclusión del viaje al
interior del Universo?
La materia no es
sólo una ilusión, como decía el obispo Berkeley, pero también es
cierto que la sustancia real del cosmos prácticamente no ocupa
ningún espacio medible. A pesar de ello, los objetos y las cosas a
nuestro alrededor parecen sólidas, líquidas y gaseosas, y se pueden
prensar, calentar, diluir, transformar y tocar. ¿Tendrá esto algo
que ver con el hecho de que el espacio que ocupan está efectivamente
lleno? No. La cuestión es más bien que lo que asoma de la materia y
lo que provoca estos fenómenos no tienen nada que ver entre sí.
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