Catrecillo

Publicado el Ana Cristina Vélez

Qué es la materia, una pregunta física y filosófica

A veces es bueno salir de los asuntos de este mundo y tratar de entrar mentalmente en otros, como en el  mundo atómico. ¿Qué es la materia? Los físicos se han  encargado de dar respuestas a esta misteriosa pregunta.  Una respuesta especialmente hermosa y poética la dio el premio Nobel de física Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger. Aunque el mundo de la física sea distante para la mayoría de nosotros, ¿quién no ha oído hablar del gato de Schrödinger

Sin saber si estamos entendiendo las ideas que nos permiten determinar si el gato está muerto o vivo, según abramos la caja o no, el asunto nos suena fascinante, misterioso y bello, como nos suenan los espacios curvos, atravesados por perceptibles fuerzas del mundo físico. Con la física ocurre que uno se va imaginando realidades que se ajusten a los modelos y, al final, adaptando las palabras para describir lo imaginado; no se puede ir más lejos. Los físicos van construyendo modelos que se ajusten a la realidad, ¿cómo lo saben?, constatando que sus experimentos corroboren lo predicho por los modelos.

¿Qué es la materia? Aquí presento algunas ideas dentro de una pequeña selección de párrafos de la hermosa conferencia que Schrödinger dictó en 1952, en Suiza (Our Conception of Matter),  Para quienes estas ideas son inspiradoras, digamos, en un sentido más poético que científico.

Dice Schrödinger:

“La idea no es tan simple como para dejarse reducir a unos bloques tangibles pero medibles de partículas submicroscópicas. Hoy nadie se atrevería a hacer distinciones significativas entre la materia y cualquier otra cosa. Nadie hace ya distinciones entre espacios, fuerzas y campos de fuerzas como entidades diferentes, ahora sabemos que estos conceptos deben fusionarse. Es cierto que se habla de espacio `vacío´ (es decir, espacio libre de materia), pero el espacio nunca está vacío, pues la luz de una estrella llega hasta los más recónditos lugares y esa luz es materia.

Dado que el cuadro sobre la materia que se supone que debo dibujar aún no existe, ya que sólo algunos fragmentos de la misma son visibles, algunas partes de esta narración pueden ser inconsistentes respecto a otras. Como en el relato de Cervantes –en el que Sancho Panza pierde a su burro en un capítulo, pero unos capítulos más tarde, gracias a la falta de memoria del autor, aparece de nuevo montando su querido animalito– nuestra historia tiene contradicciones. Debemos comenzar con el concepto bien establecido de que la materia está compuesta de corpúsculos o átomos, cuya existencia ha sido `tangiblemente´ demostrada por medio de muchos hermosos experimentos, y con el descubrimiento de Max Planck, de que la energía también viene en unidades indivisibles, llamados cuantos, los  cuales, se supone,  son capaces de transferirse abruptamente de un soporte a otro.

Desde el siglo V antes de Cristo se ha mantenido la idea de Leucipo y Demócrito de que la materia está compuesta de partículas, que ellos llamaron átomos. La teoría corpuscular de la materia fue elevada a la realidad física en la teoría de los gases, desarrollada durante el siglo 19 por James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann. El concepto de átomos y moléculas que se mueven violentamente chocan y rebotan una y otra vez condujo a la comprensión de todas las propiedades de los gases: sus propiedades elásticas y térmicas, viscosidad, conductividad térmica y difusión. Al mismo tiempo, llevó la teoría mecánica del calor a una base firme; calor entendido como movimiento de partículas que se vuelve cada vez más violentamente con el aumento de la temperatura.

Dentro de la década tremendamente fértil previa al cambio de siglo (19-20) llegaron los descubrimientos de los rayos X, de los electrones, de la emisión de chorros de partículas y otras formas de energía del núcleo atómico por la desintegración radiactiva. Las masas de estas partículas, y de los propios átomos, fueron medidos más tarde con mucha precisión, y de ahí se descubrió el defecto de masa del núcleo atómico como un todo. La masa de un núcleo es menor que la suma de las masas de sus partículas componentes; la pérdida de masa se convierte en la energía que sostiene el núcleo firmemente junto. Esto se llama el efecto de empaquetado. Las fuerzas nucleares, por supuesto, no son fuerzas eléctricas –esas son repelentes–, son mucho más fuertes y actúan sólo en distancias muy cortas, de 10—13 centímetros.

El punto de vista establecido hoy en día es más bien que todo es al mismo tiempo campo y partículas. Todo tiene la estructura continua con la que estamos familiarizados en los campos, tanto como la estructura discreta de las partículas, con la que ya estamos familiarizados también.

Usted puede observar fácilmente partículas mirando en la oscuridad con una lupa uno de los números luminosos de su reloj de pulsera. La luminosidad surge y ondula, al igual que lo hace un lago con el sol. La luz se compone de fotones, cada uno producido por una partícula alfa (núcleo de helio) expulsados ​​por un átomo radioactivo, que en este proceso se transforma en un átomo diferente.

El siguiente paso no fue de tan largo alcance, pero suficientemente importante. Por una ingeniosa y adecuada generalización de la hipótesis de Planck, Niels Bohr nos enseñó a comprender las líneas espectrales de los átomos y las moléculas, y cómo los átomos están compuestos de pesados ​​núcleos cargados positivamente, mientras que los electrones, con carga negativa, giran alrededor de ellos. Cada átomo puede albergar sólo cantidades definidas y discretas de energía. En la transición de un `nivel de energía´ mayor a uno menor,  se emite el exceso de energía en forma de radiación, de una longitud de onda definida.

Según Einstein, una partícula posee una cantidad total de energía igual a mc ², siendo m la masa de la partícula y c la velocidad de la luz. En 1925, Louis de Broglie señaló que una partícula tiene asociada  una onda cuya frecuencia resulta de dividir a mc por h. La partícula para la cual postuló esa onda fue el electrón. En menos de dos años `las ondas electrones ´, requeridas por su teoría, fueron encontradas en el famoso experimento de difracción de electrones, de C. J. Davisson y L. H. Germer. Este fue el punto de partida para el conocimiento de que todo tiene dos caras: partícula y onda.

Si finalmente usted me pregunta: Bueno, y ¿qué son realmente estos corpúsculos? Debo confesar honestamente que estoy casi tan poco preparado para responder esa pregunta como para saber de dónde llegó el segundo burro de Sancho Panza. A lo sumo, quizás se pueda decir que uno puede pensar en partículas como más o menos entidades temporales, dentro de un campo de onda cuya forma y comportamiento general están, sin embargo, clara y fuertemente determinados por las leyes de las ondas de muchos procesos que se llevan a cabo como si estas entidades temporales fueran sustancialmente seres permanentes. La masa y la carga de las partículas, definidas con tal precisión, deben entonces ser contadas entre los elementos estructurales determinados por las leyes de las ondas. La conservación de la carga y la masa a la larga se deben considerar como un efecto estadístico, basado en la ´Ley de los grandes números´.”

Se pregunta uno a qué conclusiones habría llegado Schrödinger de haber conocido la más nueva máquina de rayos X,  llamada LCLC, capaz de golpear un átomo en menos  de una trillonésima de segundo y capaz de alcanzar una temperatura de un millón de grados kelvins, algo así como la temperatura de la corona solar. Qué habría dicho al ver los exóticos estados a los que puede alcanzar la materia  bajo la altísima intensidad de las pulsiones de estos rayos X tampoco podemos imaginarlo. Qué bueno que al menos su gato se ha vuelto popular.

 

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