¿Esta Vacía la Materia?

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

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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.