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La Materia (II) marzo 21, 2011

Posted by Edgar Cifuentes in Ciencia y Sociedad, Divulgación de las Ciencias, Física, Libros, relatividad, Uncategorized.
Tags: Euler, salam, tito lucrecio
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La Materia (I)

2. Reflexiones sobre el espacio, la fuerza y la materia.

En este libro están recopiladas las cartas que Leonhard Euler escribió a la Princesa Friedericke Charlotte Ludovica Luise entre los años 1760 y 1762. Como antecedente es importante recordar que la publicación de “Los principios matemáticos de la filosofía natural” de Isaac Newton precedió a estas reflexiones en más de 70 años. Y la concepción física que dominó hasta inicios del Siglo XX fue originalmente desarrollada en dicha obra.

En uno de sus párrafos menciona:

“Es necesario algo más, se precisa la materia para construir un cuerpo, o mejor, se denomina materia a aquello que distingue un cuerpo real de una simple extensión o de un espectro”

La materia se define teniendo ya a la masa como su característica distintiva.

“Descubrimos fácilmente una característica que es adecuada a toda la materia, y por consiguiente a todo cuerpo; se trata de la impenetrabilidad, de la imposibilidad de ser penetrado por otros cuerpos, o bien de la imposibilidad de que dos cuerpos ocupen el mismo lugar.”

Aca ya está el germen de la idea de que no basta con la masa para caracterizar a la materia, sino que se requiere de al menos otra propiedad, la “impenetrabilidad”. La impenetrabilidad de los cuerpos a nivel macroscópico corresponde muy bien a la fuerza normal, que a su vez es una consecuencia de la fuerza electromagnética en su interpretación actual dentro de la física. Mientras que la impenetrabilidad a nivel microscópico (aunque más bien a nivel nuclear y subnuclear) corresponde en la actualidad a las fuerzas nucleares débil y fuerte, que tienen un nivel de complejidad que era prácticamente imposible que Euler pudiera imaginar en esa época.

4.  Partículas elementales, la molécula de proteína y otros trabajos

Ya para los años 60 la Relatividad Especial y la Mecánica Cúantica eran parte indispensable del conocimiento de los físicos y se consideraban como base necesaria para poder construir cualquier modelo de la materia que pudiera tener éxito.

La Relatividad Especial proveyó un escenario unificado del espacio-tiempo ya no como dos entes independientes el uno del otro como lo consideraba la física newtoniana sino íntimamente ligados para poder cumplir con el postulado de la constancia de la velocidad de la luz. Este trabajo de Albert Einstein recién en 2005 cumplió 100 años de haber sido publicado y por este motivo, entre otros, la ONU declaró al año 2005 como el Año Internacional de la Física

La Mecánica Cuántica fue el resultado del esfuerzo de muchos físicos, entre los que se cuentan Werner Heisenberg, Max Planck, Louis de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von Neumann, Paul Dirac, Albert Einstein, Wolfgang Pauli y otros más, que sirvió para comprender cómo se comportaba la naturaleza a distancias muy pequeñas entre las partículas, las cuales, por supuesto, son consideradas prácticamente como puntos sin volumen. La descripción de la Mecánica Cuántica está basada en la ahora llamada función de onda que vive en espacios vectoriales abstractos. Las partículas de materia que habían siempre sido consideradas sólo como corpúsculos, ahora, a través de la función de onda, pueden ser descritas también como ondas en ese espacio vectorial abstracto que hemos mencionado. Con esta adición de la Mecánica Cuántica se complementó el escenario para poder construir el mejor modelo del comportamiento de la materia que tenemos actualmente. Paul Dirac construyó la primera teoría cuántica consistente con la relatividad especial y de allí nacieron las antipartículas que son como las partículas, de la misma masa pero con sus otras características opuestas como la carga eléctrica entre otras; estas antipartículas son las que constituyen la antimateria.

En el libro Penguin Science Survey 1961(Traducido al español como “Partículas elementales, la molécula de proteína y otros trabajos”), que resumía los últimos progresos de la ciencia por el año 1960, la parte correspondiente a las partículas elementales fue escrita por Abdus Salam, quien eventualmente ganó el Premio Nobel de Física en 1979, respondiendo precisamente algunas de las preguntas que se planteó en ese ensayo.

En las conclusiones dice:

“… Primero, todo el desarrollo presentado aquí se basa en la suposición de que la estructura del espacio y el tiempo es la misma que la revelada por la Relatividad. Hay dos razones para omitir las referencias a la Teoría General de la Relatividad y no haber mencionado la cuarta fuerza universal, la de carácter más general, a saber, la fuerza de gravitación. Ante todo, la fuerza gravitacional es aún más débil que todas las que hemos mencionado¹. …, y por sorprendente que parezca es posible ignorar totalmente sus efectos en la física de partículas elementales con una gran aproximación.

Acá afirma lo que hemos mencionado al inicio de esta sección y justifica la no incorporación de la Teoría General de la Relatividad. Más adelante dice:

“Con respecto a las partículas que están dentro de las categorías de las interacciones electromagnéticas y débiles aún no conocemos el principio de simetría más profundo asociado a ellas. Puede haber por ejemplo, otras partículas semejantes al meson µ. En realidad, todo lo que sabemos de las partículas que caen dentro de esas dos categorías, es que no cumplen con las simetrías de las interacciones fuertes. En cierto sentido, estas interacciones parecen desempeñar un papel negativo. Debe haber en la naturaleza una jerarquía de principios de simetría, algunos de los cuales sean más esenciales que otros. Pero ¿cuáles son?

La simetría de las interacciones fuertes a la que se refiere es debida a Heisenberg, quien adivinó el camino para desenmarañar el comportamiento de la fuerza nuclear fuerte que, pasando primero por el Camino Óctuple de Murray Gell-Mann, llevó a la Cromodinámica Cúantica con su simetría de Color. Mientras que el desconocimiento y curiosidad por conocer los principios de simetría subyacentes en las interacciones electromagnéticas y nucleares débiles lo condujo a su trabajo más importante que fue justamente encontrar dicha simetría. más adelante se plantea las siguientes preguntas

“Además, queda el problema más importante de todos: dentro de esta gran abundancia de partículas. ¿cuál es el criterio de elementalidad? ¿Son elementales esas dieciséis partículas o se las puede considerar compuestas por otras.”

De las 16 partículas que menciona, 4 son consideradas ahora elementales, mientras las otras doce ahora sabemos que están compuestas de otras más elementales, los quarks. Dado que las antipartículas son diferentes de las partículas, a las 16 que menciona Salam debemos agregar otras 14, dado que dos de ellas son su propia antipartícula.