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Energía, origen y final de materia y antimateria
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Adolfo Marroquín Santoña | 16-03-2016 | 18:00

Explicar los fundamentos físicos del binomio materia-antimateria escapa del nivel de divulgación que deseo mantener en estos artículos, de forma que trataré de plantearlo elementalmente, lo que puede hacer que sea más fácil de entender, aunque sea a costa de algunas concesiones al rigor científico.

Una hipótesis razonable sería pensar que en el origen del universo, coincidiendo con el “Big Bang”, habría cantidades iguales y simétricas de materia y antimateria, pero lo cierto es que la búsqueda actual de antimateria por el universo no ha tenido ningún éxito, lo que en principio parece bastante raro. De forma que vamos a tratar de darle otro enfoque al nacimiento y a la continua expansión del universo.

Sabemos que en la actualidad el universo está en plena expansión, evolucionando de forma continua. Ahora bien, admitamos que todo camino, toda expansión y toda evolución, debe tener un origen de partida, y entonces las cuestiones que se plantean son ¿Cómo fue el origen del universo? ¿De dónde ha salido la inmensa cantidad de materia que contiene el universo? ¿Cómo se ha llegado a acumular la descomunal masa de los millones de constelaciones que se expanden por el espacio?

¡Vamos allá! Representemos por ϕ la nada, lo inmaterial, la inexistencia absoluta de masa, la energía en estado puro, es decir lo que había, o mejor dicho lo que no había, una milésima de segundo antes de nacer la inmensidad del universo. Pues bien, resulta fácil de entender que:   1 – 1 = (+1) + (-1) = ϕ   , lo que evidentemente sigue siendo válido para cualquier número, para cualquier magnitud:   N – N = (+N) + (-N) = ϕ   , y para cualquier cantidad de materia:   materia – materia = (+materia) + (-materia) = ϕ.

Donde  (+materia) es la “materia normal” que conocemos como tal, la que forma todo, o al menos casi todo, el universo que conocemos, materia constituida por átomos, que son una especie de mini sistemas solares, con un núcleo de carga positiva ocupando el lugar del Sol, y una serie de partículas negativas (electrones) dando vueltas alrededor del núcleo, como hacen los planetas alrededor del Sol.

Y (-materia) es lo que se conoce como antimateria y es como la materia común que conocemos bien, pero con todas las partículas que la componen con cargas eléctricas contrarias a las de la materia. Por ejemplo, un anti-electrón (también conocido como positrón), es una partícula igual al electrón, con su misma masa y carga contraria, es decir positiva (el electrón tiene carga negativa). Y un anti-protón es una partícula con la misma masa que un protón y carga contraria, es decir negativa.

Así pues, la antimateria está formada por antipartículas. Consideremos el caso más simple: Un átomo de hidrógeno está formado por un electrón girando alrededor de un protón; pues bien, un átomo de anti-hidrógeno (o anti-átomo de hidrógeno) constaría de un anti-electrón girando alrededor de un anti-protón. Por cierto, esto ya se ha conseguido en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), si bien sólo durante fracciones de segundo.

Podíamos preguntarnos ¿qué ocurre si se juntan un átomo y un anti-átomo? Pues si recordamos nuestra ecuación elemental, que antes presentaba, quedaría ahora en la forma: “átomo” + “anti-átomo” = ϕ , o con carácter general:   “materia + “antimateria” = ϕ . Es decir que cuando una partícula de materia se encuentra con su equivalente de antimateria ambas desaparecen. El proceso se denomina “aniquilación” y supone la transformación de toda la masa en energía (en forma de fotones o, más concretamente, en forma de rayos gamma).

Si ahora consideramos el proceso a la inversa, lo que también es posible, nos encontramos con:   ϕ = “materia + “antimateria” , lo que significa que pares de partículas de materia y antimateria pueden generarse a partir de grandes concentraciones de energía. Esto es lo que, en mi opinión, debió ocurrir durante el Big Bang, una explosión tan inmensa que generó materia y antimateria donde sólo existían enormes cantidades de energía. Pero si la materia y la antimateria se crearon al mismo tiempo ¿por qué nuestro universo conocido parece que se compone sólo de una de ellas, la materia? y entonces ¿dónde está toda la antimateria que debió formarse en el Big Bang?

La respuesta a esas cuestiones es algo que no conocemos, pero lo que sí conocemos son los componentes de esa antimateria, los anti-átomos, que son muy reales y que ya se han obtenido en algunos aceleradores de partículas, como en el del antes citado CERN o el del FERMILAB en Chicago, o el del BEVATRON en Berkeley y otros. Esto ha demostrado por una parte la realidad de la existencia de la antimateria y por otra le hecho de que al unirse los anti-átomos con los átomos ordinarios, se aniquilaban entre sí, llevándonos al resultado ϕ que utilizábamos en nuestra ecuación base, es decir generándose una potente emisión energética, bajo la forma de rayos gamma.

En cuanto al tema de dónde se localizará la gran cantidad de antimateria que no encontramos, podemos pensar que es posible que muy lejos de nosotros existan galaxias o planetas de antimateria que conviven y perduran, sin aniquilarse, al estar muy alejados de sus homólogos de materia. Ahora bien, a pequeña escala se ha provocado, en los aceleradores antes citados, la generación de anti-átomos y su posterior aniquilación con átomos ordinarios, provocándose con ello emisiones energéticas del orden de 1 a 2 millones de electronvoltios (eV), que aunque suene a mucha energía es en realidad una cantidad pequeñísima, por cada pareja de átomos.

Pero, a la vista de lo anterior, incluso podríamos pensar que cuando los movimientos intergalácticos lleven a un acercamiento entre algún sistema de materia y otro de antimateria, se produciría una aniquilación a grandísima escala, lo que podría explicar algunas de la descomunales explosiones que se observan de vez en cuando en el universo profundo, puesto que la aniquilación de dos planetas daría lugar a una emisión energética del orden de… ¡UNA BARBARIDAD!

En la primera mitad del siglo XX, el genial físico Paul Dirac, premio Nobel de Física de 1933, desarrolló sus trabajos en la Universidad de Cambridge, y a él se deben las primeras ideas sobre la existencia de la antimateria, de hecho, trabajando en ello, llegó a la conclusión de que la famosísima ecuación de Einstein   E = m∙c2 era cierta, pero sólo parcialmente, puesto que la totalmente cierta, según Dirac, debería ser   E = ± m∙c2 . Esta corrección parcial de Dirac a Einstein se puede entender de forma sencilla.

Como sabe cualquier alumno de bachillerato, al menos los de ciencias, ante una simple raíz cuadrada, si decimos que  √4 = 2  es cierto, puesto que  22 = 4 , pero es sólo parcialmente cierto, puesto que también  (-2)2 = 4 , de forma que lo totalmente cierto sería  √4 = ± 2 . Luego, en este caso, Dirac tenía, con su doble signo, más razón que Einstein.

La causa por la que, a lo largo del siglo XX, se manejó la ecuación de Einstein y no la corregida por Dirac, hay que buscarla en el “rechazo” que provocaba entre los físicos de la primera mitad del siglo la idea de una energía negativa, pero a día de hoy y más aún de cara al futuro esa idea ya no es tan desechable, y además nos abre puertas para entender las características  de ese extraño y destructivo trio:  materia – antimateria – energía, sobre el que queda mucho trabajo por hacer.

Adolfo Marroquín Santoña

 

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Adolfo Marroquín, Doctor en Física, Geofísico, Ingeniero Técnico Industrial, Meteorólogo, Climatólogo, y desde 1965 huésped de Extremadura, una tierra magnífica, cuna y hogar de gente fantástica, donde he enseñado y he aprendido muchas cosas, he publicado numerosos artículos, impartido conferencias y dado clases a alumnos de todo tipo y nivel, desde el bachillerato hasta el doctorado. Desde este blog, trataré de contar curiosidades científicas, sobre el clima y sus cambios, la naturaleza, el medio ambiente, etc., de la forma más fácil y clara que me sea posible.