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El hidrógeno en estado de plasma es la materia ordinaria más abundante del universo. En física , la materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio al tener volume...

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El hidrógeno en estado de plasma es la materia ordinaria más abundante del universo.

En física , la materia es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio al tener volumen . [ 1 ] Todos los objetos cotidianos que se pueden tocar están compuestos en última instancia de átomos , que están formados por partículas subatómicas que interactúan . Tanto en el uso cotidiano como en el científico, la materia generalmente incluye átomos y todo lo que está compuesto por ellos, y cualquier partícula (o combinación de partículas ) que actúa como si tuviera masa en reposo y volumen. Sin embargo, no incluye partículas sin masa como los fotones , u otros fenómenos de energía u ondas como la luz o el calor . [ 1 ] : 21 [ 2 ] La materia existe en varios estados (también conocidos como fases ). Estos incluyen las fases clásicas cotidianas como sólido , líquido y gaseoso ; por ejemplo, el agua existe como hielo , agua líquida y vapor gaseoso ; pero son posibles otros estados, incluidos el plasma , los condensados ​​de Bose-Einstein , los condensados ​​fermiónicos y el plasma de quarks y gluones . [ 3 ]

Por lo general, los átomos se pueden imaginar como un núcleo compuesto de partículas subatómicas , protones y neutrones , y una "nube" circundante de electrones en órbita que "ocupan espacio". [ 4 ] [ 5 ] Sin embargo, esto es solo parcialmente correcto porque las partículas subatómicas y sus propiedades están regidas por su naturaleza cuántica , lo que significa que no actúan como parecen actuar los objetos cotidianos: pueden actuar como ondas además de partículas , y no tienen tamaños ni posiciones bien definidos. En el Modelo Estándar de la física de partículas , la materia no es un concepto fundamental porque los constituyentes elementales de los átomos son entidades cuánticas que no tienen un "tamaño" o " volumen " inherente en ningún sentido cotidiano de la palabra. Debido al principio de exclusión y otras interacciones fundamentales , algunas " partículas puntuales " conocidas como fermiones ( quarks , leptones ), y muchos compuestos y átomos, se ven efectivamente obligados a mantener una distancia de otras partículas en condiciones cotidianas; esto crea la propiedad de la materia que nos aparece como materia que ocupa espacio.

Durante gran parte de la historia de las ciencias naturales , se ha reflexionado sobre la naturaleza exacta de la materia . La idea de que la materia estaba compuesta de bloques de construcción discretos, la llamada teoría corpuscular de la materia , surgió tanto en la antigua Grecia como en la antigua India . [ 6 ] Entre los primeros filósofos que propusieron la teoría corpuscular de la materia se encuentran el filósofo indio Kaṇāda ( c. siglo VI  a. C. ), [ 7 ] y los filósofos griegos presocráticos Leucipo ( c. 490  a. C. ) y Demócrito ( c. 470-380  a. C. ). [ 8 ]

Comparación con la masa

La materia es un término general que describe cualquier sustancia física, y que a veces se define de forma incompatible en diferentes campos de la ciencia. Algunas definiciones se basan en el uso histórico, en una época en la que no había razón para distinguir la masa de la simple cantidad de materia . Por el contrario, la masa no es una sustancia, sino una propiedad extensa y bien definida de la materia y de otras sustancias o sistemas. En física se definen varios tipos de masa , entre ellos la masa en reposo , la masa inercial y la masa relativista . 

En física, la materia a veces se equipara con partículas que poseen masa en reposo (es decir, que no pueden viajar a la velocidad de la luz), como los quarks y los leptones. Sin embargo, tanto en física como en química, la materia exhibe propiedades ondulatorias y corpusculares (la llamada dualidad onda-partícula ). [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Relación con una sustancia química

Toba
El vapor y el agua líquida son dos formas diferentes de la misma sustancia química pura: el agua.
Toba
Imagen de una molécula formada

En química , una sustancia es una forma única de materia con composición química constante y propiedades características . [ 12 ] [ 13 ] Las sustancias químicas pueden presentarse como un solo elemento o compuestos químicos . Si dos o más sustancias químicas se pueden combinar sin reaccionar , pueden formar una mezcla química . [ 14 ] Si una mezcla se separa para aislar una sustancia química en el grado deseado, se dice que la sustancia resultante es químicamente pura . [ 15 ]

Las sustancias químicas pueden existir en diferentes estados o fases físicas (por ejemplo , sólidos , líquidos , gases o plasma ) sin alterar su composición química. Las sustancias transitan entre estas fases en respuesta a cambios de temperatura o presión . Algunas sustancias químicas pueden combinarse o transformarse en nuevas sustancias mediante reacciones químicas . Las sustancias químicas que no poseen esta capacidad se denominan inertes .

El agua pura es un ejemplo de sustancia química, con una composición constante de dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno (es decir, H₂O ) . La proporción atómica de hidrógeno a oxígeno es siempre de 2:1 en cada molécula de agua. El agua pura tiende a hervir cerca de los 100  °C (212  °F), un ejemplo de una de las propiedades características que la definen. Otras sustancias químicas notables incluyen el diamante (una forma del elemento carbono ), la sal de mesa ( NaCl ; un compuesto iónico ) y el azúcar refinado ( C₁₂H₂₂O₁₁ ; un compuesto orgánico ).

Definición

Basado en átomos

Una definición de «materia» basada en su estructura física y química es: la materia está compuesta de átomos . [ 16 ] Dicha materia atómica también se denomina a veces materia ordinaria . Por ejemplo, las moléculas de ácido desoxirribonucleico (ADN) son materia según esta definición porque están formadas por átomos. Esta definición puede extenderse para incluir átomos y moléculas cargados, de modo que abarque plasmas (gases de iones) y electrolitos (soluciones iónicas), que obviamente no están incluidos en la definición de átomos. Alternativamente, se puede adoptar la definición de protones, neutrones y electrones .

Basado en protones, neutrones y electrones

Una definición de "materia" más detallada que la de átomos y moléculas es: la materia está compuesta de aquello de lo que están hechos los átomos y las moléculas , es decir, todo lo que está hecho de protones con carga positiva , neutrones neutros y electrones con carga negativa . [ 17 ] Sin embargo, esta definición va más allá de los átomos y las moléculas para incluir sustancias hechas de estos bloques de construcción que no son simplemente átomos o moléculas, por ejemplo, los haces de electrones en un antiguo televisor de tubo de rayos catódicos o la materia de las enanas blancas , típicamente núcleos de carbono y oxígeno en un mar de electrones degenerados. A nivel microscópico, las "partículas" constituyentes de la materia, como protones, neutrones y electrones, obedecen las leyes de la mecánica cuántica y exhiben la dualidad onda-partícula. A un nivel aún más profundo, los protones y neutrones están compuestos de quarks y los campos de fuerza ( gluones ) que los mantienen unidos, lo que nos lleva a la siguiente definición.

Basado en quarks y leptones

Según la definición de "quarks y leptones", las partículas elementales y compuestas formadas por quarks (en púrpura) y leptones (en verde) serían materia, mientras que los bosones de gauge (en rojo) no lo serían. Sin embargo, la energía de interacción inherente a las partículas compuestas (por ejemplo, los gluones presentes en neutrones y protones) contribuye a la masa de la materia ordinaria.

Como se vio en la discusión anterior, muchas definiciones tempranas de lo que se puede llamar "materia ordinaria" se basaron en su estructura o "bloques de construcción". En la escala de partículas elementales, una definición que sigue esta tradición puede enunciarse como: "la materia ordinaria es todo lo que está compuesto de quarks y leptones ", o "la materia ordinaria es todo lo que está compuesto de cualquier fermión elemental excepto antiquarks y antileptones". [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] La conexión entre estas formulaciones es la siguiente.

Los leptones (el más famoso es el electrón ) y los quarks (de los cuales están hechos los bariones , como los protones y los neutrones ) se combinan para formar átomos , que a su vez forman moléculas . Dado que se dice que los átomos y las moléculas son materia, es natural formular la definición como: "la materia ordinaria es todo aquello que está hecho de las mismas cosas que los átomos y las moléculas". (Sin embargo, cabe señalar que también se puede formar, a partir de estos bloques de construcción, materia que no son átomos ni moléculas). Entonces, como los electrones son leptones y los protones y neutrones están hechos de quarks, esta definición conduce a la definición de materia como "quarks y leptones", que son dos de los cuatro tipos de fermiones elementales (los otros dos son los antiquarks y los antileptones, que pueden considerarse antimateria, como se describe más adelante). Carithers y Grannis afirman: «La materia ordinaria está compuesta enteramente de partículas de primera generación , a saber, los quarks [arriba] y [abajo], más el electrón y su neutrino». [ 19 ] (Las partículas de generaciones superiores se desintegran rápidamente en partículas de primera generación y, por lo tanto, no se encuentran comúnmente. [ 21 ] )

Esta definición de materia ordinaria es más sutil de lo que parece a primera vista. Todas las partículas que componen la materia ordinaria (leptones y quarks) son fermiones elementales, mientras que todos los portadores de la fuerza son bosones elementales. [ 22 ] Los bosones W y Z que median la fuerza débil no están hechos de quarks ni leptones, y por lo tanto no son materia ordinaria, aunque tengan masa. [ 23 ] En otras palabras, la masa no es algo exclusivo de la materia ordinaria.

La definición de materia ordinaria basada en quarks y leptones identifica no solo los bloques de construcción elementales de la materia, sino que también incluye compuestos formados por sus constituyentes (átomos y moléculas, por ejemplo). Dichos compuestos contienen una energía de interacción que mantiene unidos a los constituyentes y puede constituir la mayor parte de su masa. Por ejemplo, en gran medida, la masa de un átomo es simplemente la suma de las masas de sus protones, neutrones y electrones constituyentes. Sin embargo, profundizando, los protones y neutrones están formados por quarks unidos por campos de gluones (véase la dinámica de la cromodinámica cuántica ) y estos campos de gluones contribuyen significativamente a la masa de los hadrones. [ 24 ] En otras palabras, la mayor parte de lo que compone la "masa" de la materia ordinaria se debe a la energía de enlace de los quarks dentro de los protones y neutrones. [ 25 ] Por ejemplo, la suma de las masas de los tres quarks en un nucleón es aproximadamente12,5 MeV/ c² , que es bajo  en comparación con la masa de un nucleón (aproximadamente938 MeV/ c 2  ). [ 26 ] [ 27 ] En resumen, la mayor parte de la masa de los objetos cotidianos proviene de la energía de interacción de sus componentes elementales.

El Modelo Estándar agrupa las partículas de materia en tres generaciones, donde cada generación consta de dos quarks y dos leptones. La primera generación son los quarks arriba y abajo , el electrón y el neutrino electrónico ; la segunda incluye los quarks encanto y extraño , el muón y el neutrino muónico ; la tercera generación consta de los quarks cima y fondo , y el tau y el neutrino tau . [ 28 ] La explicación más natural para esto sería que los quarks y leptones de generaciones superiores son estados excitados de las primeras generaciones. Si esto resulta ser cierto, implicaría que los quarks y leptones son partículas compuestas , en lugar de partículas elementales . [ 29 ]

Esta definición de materia basada en quarks y leptones también da lugar a lo que se puede describir como leyes de "conservación de la materia (neta)", que se analizan más adelante. Como alternativa, se podría retomar el concepto de materia basado en masa, volumen y espacio, lo que nos lleva a la siguiente definición, en la que la antimateria se incluye como una subclase de materia.

Basado en fermiones elementales (masa, volumen y espacio)

Una definición común o tradicional de materia es "todo aquello que tiene masa y volumen (ocupa espacio )". [ 30 ] [ 31 ] Por ejemplo, se diría que un automóvil está hecho de materia, ya que tiene masa y volumen (ocupa espacio).

La observación de que la materia ocupa espacio se remonta a la antigüedad. Sin embargo, la explicación de por qué la materia ocupa espacio es reciente y se argumenta que es resultado del fenómeno descrito en el principio de exclusión de Pauli , [ 32 ] [ 33 ] que se aplica a los fermiones . Dos ejemplos particulares donde el principio de exclusión relaciona claramente la materia con la ocupación del espacio son las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones, que se analizan más adelante.

Así, la materia puede definirse como todo aquello compuesto de fermiones elementales. Aunque no los encontramos en la vida cotidiana, los antiquarks (como el antiprotón ) y los antileptones (como el positrón ) son las antipartículas del quark y el leptón, también son fermiones elementales y poseen esencialmente las mismas propiedades que los quarks y los leptones, incluyendo la aplicabilidad del principio de exclusión de Pauli, que impide que dos partículas se encuentren en el mismo lugar al mismo tiempo (en el mismo estado), es decir, hace que cada partícula "ocupe espacio". Esta definición particular lleva a que la materia se defina para incluir todo aquello compuesto de estas antipartículas , así como el quark y el leptón ordinarios, y por lo tanto también todo aquello compuesto de mesones , que son partículas inestables formadas por un quark y un antiquark.

En relatividad general y cosmología

En el contexto de la relatividad , la masa no es una cantidad aditiva, en el sentido de que no se pueden sumar las masas en reposo de las partículas de un sistema para obtener la masa en reposo total del sistema. [ 1 ] : 21 En relatividad, generalmente una visión más general es que no es la suma de las masas en reposo , sino el tensor energía-momento lo que cuantifica la cantidad de materia. Este tensor da la masa en reposo para todo el sistema. Por lo tanto, a veces se considera materia como todo aquello que contribuye a la energía-momento de un sistema, es decir, todo aquello que no es puramente gravedad. [ 34 ] [ 35 ] Esta visión es comúnmente aceptada en campos que tratan con la relatividad general , como la cosmología . En esta visión, la luz y otras partículas y campos sin masa son todos parte de la materia.

Estructura

En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen la estadística de Fermi-Dirac . Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón, o compuestos, como el protón y el neutrón. En el Modelo Estándar , existen dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones, que se describen a continuación.

quarks

Los quarks son partículas masivas de espín 1/2 , lo que implica que son fermiones. Tienen una carga eléctrica de −1 / 3e (quarks de tipo down) o + 2 / 3e (quarks de tipo up). En comparación, un electrón tiene una carga de −1e . También poseen carga de color , que es el equivalente a la carga eléctrica para la interacción fuerte . Los quarks también experimentan desintegración radiactiva , lo que significa que están sujetos a la interacción débil .   

Bariónico

Estructura de quarks de un protón: 2 quarks arriba y 1 quark abajo.

Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente y, por lo tanto, están sujetos a la estadística de Fermi-Dirac. Entre los bariones se encuentran los protones y neutrones, presentes en los núcleos atómicos, pero también existen muchos otros bariones inestables. El término barión suele referirse a los triquarks, partículas formadas por tres quarks. Asimismo, existen bariones "exóticos" formados por cuatro quarks y un antiquark, conocidos como pentaquarks , aunque su existencia no está generalmente aceptada.

La materia bariónica es la parte del universo compuesta de bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye la energía oscura , la materia oscura , los agujeros negros ni diversas formas de materia degenerada, como las que componen las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones . La luz de microondas detectada por la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) sugiere que solo alrededor del 4,6 % de la parte del universo al alcance de los mejores telescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz que emite puede llegar hasta nosotros) está compuesta de materia bariónica. Alrededor del 26,8 % es materia oscura y alrededor del 68,3 % es energía oscura. [ 37 ]

La gran mayoría de la materia ordinaria del universo es invisible, ya que las estrellas y el gas visibles dentro de las galaxias y los cúmulos representan menos del 10 por ciento de la contribución de la materia ordinaria a la densidad de masa-energía del universo. [ 38 ]

Hadrónico

La materia hadrónica puede referirse a la materia bariónica "ordinaria", formada por hadrones (bariones y mesones ), o a la materia quark (una generalización de los núcleos atómicos), es decir, la materia QCD de "baja" temperatura . [ 39 ] Incluye la materia degenerada y el resultado de colisiones de núcleos pesados ​​de alta energía. [ 40 ]

Degenerar

En física, la materia degenerada se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto. [ 41 ] El principio de exclusión de Pauli exige que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno con espín hacia arriba y el otro con espín hacia abajo. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan suficientes niveles para acomodar a todos los fermiones disponibles; y en el caso de muchos fermiones, la energía cinética máxima (llamada energía de Fermi ) y la presión del gas se vuelven muy grandes y dependen del número de fermiones en lugar de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.

Se cree que la materia degenerada se produce durante la evolución de las estrellas masivas. [ 42 ] La demostración de Subrahmanyan Chandrasekhar de que las estrellas enanas blancas tienen una masa máxima permitida debido al principio de exclusión causó una revolución en la teoría de la evolución estelar. [ 43 ]

La materia degenerada incluye la parte del universo compuesta por estrellas de neutrones y enanas blancas.

Extraño

La materia extraña es una forma particular de materia de quarks , generalmente considerada como un líquido de quarks arriba , abajo y extraños . Se diferencia de la materia nuclear , que es un líquido de neutrones y protones (los cuales, a su vez, están formados por quarks arriba y abajo), y de la materia de quarks no extraños, que es un líquido de quarks que contiene únicamente quarks arriba y abajo. Se espera que, a una densidad suficientemente alta, la materia extraña sea superconductora de color . Se hipotetiza que la materia extraña se encuentra en el núcleo de las estrellas de neutrones o, de forma más especulativa, como gotas aisladas cuyo tamaño puede variar desde femtómetros ( extrañas gotas ) hasta kilómetros ( estrellas de quarks ).

Dos significados

En física de partículas y astrofísica , el término se utiliza de dos maneras: una más amplia y otra más específica.

  1. El significado más amplio se refiere simplemente a la materia de quarks que contiene tres tipos de quarks: arriba, abajo y extraños. En esta definición, existe una presión crítica y una densidad crítica asociada, y cuando la materia nuclear (compuesta de protones y neutrones ) se comprime más allá de esta densidad, los protones y neutrones se disocian en quarks, dando lugar a la materia de quarks (probablemente materia extraña).
  2. El significado más restringido es materia de quarks que es más estable que la materia nuclear . La idea de que esto podría suceder es la "hipótesis de la materia extraña" de Bodmer [ 44 ] y Witten. [ 45 ] En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado fundamental de la materia es siempre materia de quarks. Los núcleos que vemos en la materia que nos rodea, que son gotitas de materia nuclear, son en realidad metaestables y, dado el tiempo suficiente (o el estímulo externo adecuado), se desintegrarían en gotitas de materia extraña, es decir, strangelets .

Leptones

Los leptones son partículas de espín 1/2 , es decir , fermiones. Poseen una carga eléctrica de -1 e (leptones cargados) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los quarks, los leptones no tienen carga de color , por lo que no experimentan la interacción fuerte . Los leptones también sufren desintegración radiactiva, lo que significa que están sujetos a la interacción débil . Los leptones son partículas masivas, por lo que están sujetos a la gravedad.  

Fases

Diagrama de fases para una sustancia típica a volumen fijo

En estado masivo , la materia puede existir en varias formas diferentes, o estados de agregación, conocidos como fases , [ 48 ] dependiendo de la presión ambiente , la temperatura y el volumen . [ 49 ] Una fase es una forma de materia que tiene una composición química y propiedades físicas relativamente uniformes (como densidad , calor específico , índice de refracción , etc.). Estas fases incluyen las tres conocidas ( sólidos , líquidos y gases ), así como estados de la materia más exóticos (como plasmas , superfluidos , supersólidos , condensados ​​de Bose-Einstein , ...). Un fluido puede ser un líquido, un gas o un plasma. También existen fases paramagnéticas y ferromagnéticas de materiales magnéticos . A medida que cambian las condiciones, la materia puede cambiar de una fase a otra. Estos fenómenos se llaman transiciones de fase y se estudian en el campo de la termodinámica . En los nanomateriales, la relación enormemente aumentada entre la superficie y el volumen da como resultado una materia que puede exhibir propiedades completamente diferentes a las del material a granel, y que no se describen bien mediante ninguna fase a granel (véase nanomateriales para más detalles).

A veces, las fases se denominan estados de la materia , pero este término puede generar confusión con los estados termodinámicos . Por ejemplo, dos gases mantenidos a presiones diferentes se encuentran en estados termodinámicos distintos (presiones distintas), pero en la misma fase (ambos son gases).

Antimateria

Problema sin resolver en física
Asimetría bariónica . ¿Por qué hay mucha más materia que antimateria en el universo observable?
Más problemas sin resolver en física

La antimateria es materia compuesta por las antipartículas de aquellas que constituyen la materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto, se aniquilan ; es decir, ambas pueden convertirse en otras partículas con igual energía , de acuerdo con la ecuación de Albert Einstein E = mc² . Estas nuevas partículas pueden ser fotones de alta energía ( rayos gamma ) u otros pares partícula-antipartícula. Las partículas resultantes poseen una cantidad de energía cinética igual a la diferencia entre la masa en reposo de los productos de la aniquilación y la masa en reposo del par partícula-antipartícula original, que suele ser bastante grande. Dependiendo de la definición de "materia" que se adopte, la antimateria puede considerarse una subclase particular de materia o su opuesto.

La antimateria no se encuentra de forma natural en la Tierra, salvo por periodos muy breves y en cantidades ínfimas (como resultado de la desintegración radiactiva , los rayos o los rayos cósmicos ). Esto se debe a que la antimateria que existiera en la Tierra fuera de los confines de un laboratorio de física adecuado se encontraría casi instantáneamente con la materia ordinaria de la que está hecha la Tierra y se aniquilaría. Las antipartículas y algunas antipartículas estables (como el antihidrógeno ) pueden producirse en cantidades minúsculas, pero no en la cantidad suficiente para hacer más que probar algunas de sus propiedades teóricas.

Existe una considerable especulación, tanto en la ciencia como en la ciencia ficción , sobre por qué el universo observable es aparentemente casi enteramente materia (en el sentido de quarks y leptones, pero no antiquarks ni antileptones), y si otros lugares son casi enteramente antimateria (antiquarks y antileptones) en su lugar. En el universo primitivo, se cree que la materia y la antimateria estaban representadas por igual, y la desaparición de la antimateria requiere una asimetría en las leyes físicas llamada violación de la simetría CP (carga-paridad) , que se puede obtener del Modelo Estándar, [ 50 ] pero en este momento la aparente asimetría de materia y antimateria en el universo visible es uno de los grandes problemas sin resolver en física . Los posibles procesos por los cuales se produjo se exploran con más detalle en bariogénesis .

Formalmente, las partículas de antimateria se pueden definir por su número bariónico o leptónico negativo , mientras que las partículas de materia "normal" (no antimateria) tienen un número bariónico o leptónico positivo. [ 51 ] Estas dos clases de partículas son las antipartículas compañeras entre sí.

En octubre de 2017, los científicos informaron de nuevas pruebas de que la materia y la antimateria , producidas por igual en el Big Bang , son idénticas, deberían aniquilarse completamente entre sí y, como resultado, el universo no debería existir. [ 52 ] Esto implica que debe haber algo, aún desconocido para los científicos, que impidió la destrucción mutua completa de la materia y la antimateria en el universo en formación temprana, o que dio lugar a un desequilibrio entre ambas formas.

Conservación

Dos magnitudes que definen la cantidad de materia en el sentido quark-leptón (y antimateria en el sentido antiquark-antileptón), el número bariónico y el número leptónico , se conservan en el Modelo Estándar. Un barión, como el protón o el neutrón, tiene un número bariónico de uno, y un quark, dado que hay tres en un barión, tiene un número bariónico de 1/3. Por lo tanto, la cantidad neta de materia, medida por el número de quarks (menos el número de antiquarks, cada uno con un número bariónico de -1/3), que es proporcional al número bariónico, y el número de leptones (menos los antileptones), que se denomina número leptónico, es prácticamente imposible de modificar en cualquier proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones que componen los núcleos atómicos) se destruye; hay tantos bariones después como antes de la reacción, por lo que ninguna de estas partículas de materia se destruye realmente ni se convierte en partículas no materiales (como fotones de luz o radiación). En cambio, se libera energía de enlace nuclear (y quizás cromodinámica) , ya que estos bariones se unen a núcleos de tamaño medio con menos energía (y, equivalentemente , menos masa) por nucleón en comparación con los núcleos originales pequeños (hidrógeno) y grandes (plutonio, etc.). Incluso en la aniquilación electrón-positrón , no se destruye materia neta, porque había cero materia neta (número total de leptones y bariones cero) para empezar antes de la aniquilación: un leptón menos un antileptón es igual a cero leptones netos, y esta cantidad neta de materia no cambia, ya que simplemente permanece cero después de la aniquilación. [ 53 ]

En resumen, la materia, tal como se define en física, se refiere a bariones y leptones. La cantidad de materia se define en términos del número bariónico y leptónico. Los bariones y leptones pueden crearse, pero su creación va acompañada de antibariones o antileptones; y pueden destruirse aniquilándolos con antibariones o antileptones. Dado que los antibariones/antileptones tienen números bariónicos/leptónicos negativos, el número bariónico/leptónico total no cambia, por lo que la materia se conserva. Sin embargo, tanto los bariones/leptones como los antibariones/antileptones tienen masa positiva, por lo que la cantidad total de masa no se conserva. Además, fuera de las reacciones nucleares naturales o artificiales, prácticamente no hay antimateria disponible en el universo (véase asimetría bariónica y leptogénesis ), por lo que la aniquilación de partículas es rara en circunstancias normales.

Oscuro

Gráfico circular que muestra las fracciones de energía en el universo aportadas por diferentes fuentes. La materia ordinaria se divide en materia luminosa (las estrellas y gases luminosos y 0,005 % de radiación) y materia no luminosa (gas intergaláctico y aproximadamente 0,1 % de neutrinos y 0,04 % de agujeros negros supermasivos). La materia ordinaria es poco común. Modelado a partir de Ostriker y Steinhardt. [ 54 ] Para más información, consulte la NASA .
  1. Energía oscura (73,0%)
  2. Materia oscura (23,0%)
  3. Materia no luminosa (3,60%)
  4. Materia luminosa (0,40%)

La materia ordinaria, según la definición de quarks y leptones, constituye aproximadamente el 4% de la energía del universo observable . Se teoriza que la energía restante se debe a formas exóticas, de las cuales el 23% es materia oscura [ 55 ] [ 56 ] y el 73% es energía oscura . [ 57 ] [ 58 ]

Curva de rotación de la Vía Láctea. El eje vertical representa la velocidad de rotación alrededor del centro galáctico. El eje horizontal representa la distancia al centro galáctico. El Sol está marcado en amarillo. La curva de velocidad de rotación observada está marcada con puntos de datos. La curva predicha, basada en la masa estelar y el gas de la Vía Láctea, está en negro. La diferencia se debe a la materia oscura o posiblemente a una modificación de la gravedad como MOND . Los datos mostrados se pueden encontrar aquí. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]

En astrofísica y cosmología , la materia oscura es materia de composición desconocida que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente, pero cuya presencia puede inferirse a partir de los efectos gravitacionales sobre la materia visible. [ 69 ] [ 70 ] La evidencia observacional del universo temprano y la teoría del Big Bang requieren que esta materia tenga energía y masa, pero que no esté compuesta de bariones ordinarios (protones y neutrones). La visión comúnmente aceptada es que la mayor parte de la materia oscura es de naturaleza no bariónica . [ 69 ] Como tal, está compuesta de partículas aún no observadas en el laboratorio. Quizás sean partículas supersimétricas , [ 71 ] que no son partículas del Modelo Estándar , sino reliquias formadas a energías muy altas en la fase temprana del universo y que aún flotan. [ 69 ]

Energía

En cosmología , la energía oscura es el nombre que se le da a la fuente de la influencia repulsiva que acelera la tasa de expansión del universo . Su naturaleza precisa es actualmente un misterio, aunque sus efectos pueden modelarse razonablemente asignando propiedades similares a las de la materia, como la densidad de energía y la presión, al vacío mismo. [ 72 ] [ 73 ]

El 70% de la densidad de materia del universo parece estar en forma de energía oscura. El 26% es materia oscura. Solo el 4% es materia ordinaria. Por lo tanto, menos de una parte de cada 20 está compuesta de materia que hemos observado experimentalmente o que se describe en el modelo estándar de la física de partículas. Del 96% restante, aparte de las propiedades ya mencionadas, no sabemos absolutamente nada.

— Lee Smolin (2007), El problema de la física , pág. 16

Exótico

La materia exótica es un concepto de la física de partículas que puede incluir la materia oscura y la energía oscura, pero que va más allá al abarcar cualquier material hipotético que viole una o más de las propiedades de las formas conocidas de materia. Algunos de estos materiales podrían poseer propiedades hipotéticas como la masa negativa .

Estudio histórico y filosófico

La concepción moderna de la materia se ha refinado muchas veces a lo largo de la historia, a la luz de la mejora en el conocimiento de cuáles son los bloques básicos de construcción y cómo interactúan. El término "materia" se utiliza en toda la física en una amplia variedad de contextos: por ejemplo, se hace referencia a " física de la materia condensada ", [ 74 ] "materia elemental", [ 75 ] " materia partónica ", " materia oscura ", " antimateria ", " materia extraña " y "materia nuclear ". En las discusiones sobre materia y antimateria, Alfvén se ha referido a la primera como koinomateria (en griego, materia común ). [ 76 ] En física , no existe un amplio consenso sobre una definición general de materia, y el término "materia" generalmente se usa junto con un modificador especificador.

La historia del concepto de materia es una historia de las escalas de longitud fundamentales utilizadas para definirla. Se aplican diferentes bloques de construcción según se defina la materia a nivel atómico o de partículas elementales. Se puede utilizar una definición que considere la materia como átomos, hadrones , leptones y quarks, dependiendo de la escala en la que se desee definirla. [ 77 ]

Antigüedad clásica

En la antigua India , las tradiciones filosóficas budista , hindú y jainista postulaban que la materia estaba compuesta de átomos ( paramanu , pudgala ) que eran "eternos, indestructibles, sin partes e innumerables" y que se asociaban o disociaban para formar materia más compleja según las leyes de la naturaleza . [ 6 ] Vincularon sus ideas sobre el alma, o la ausencia de ella, a su teoría de la materia. Los principales desarrolladores y defensores de esta teoría fueron la escuela Nyaya - Vaisheshika , siendo las ideas del filósofo indio Kanada las más seguidas. [ 6 ] [ 7 ] Los filósofos budistas también desarrollaron estas ideas a finales del primer milenio d. C., ideas similares a las de la escuela Vaisheshika, pero que no incluían alma ni conciencia. [ 6 ] Los filósofos jainistas incluyeron el alma ( jiva ), añadiendo cualidades como el gusto, el olfato, el tacto y el color a cada átomo. [ 78 ] Ampliaron las ideas presentes en la literatura primitiva de los hindúes y budistas, añadiendo que los átomos son húmedos o secos, y que esta cualidad cementa la materia. También propusieron la posibilidad de que los átomos se combinen debido a la atracción de los opuestos, y que el alma se adhiera a estos átomos, se transforme con el residuo kármico y transmigre con cada renacimiento . [ 6 ]

En la antigua Grecia , los filósofos presocráticos especularon sobre la naturaleza subyacente del mundo visible. Tales (c. 624 a. C.–c. 546 a. C.) consideraba el agua como el material fundamental del mundo. Anaximandro (c. 610 a. C.–c. 546 a. C.) postuló que el material básico era totalmente indefinido o ilimitado: el Infinito ( apeiron ). Anaxímenes (floreció en 585 a. C., murió en 528 a. C.) postuló que la sustancia básica era el pneuma o aire. Heráclito (c. 535 a. C.–c. 475 a. C.) parece decir que el elemento básico es el fuego, aunque quizás se refiera a que todo es cambio. Empédocles (c. 490–430 a. C.) habló de cuatro elementos de los que todo estaba hecho: tierra, agua, aire y fuego. [ 79 ] Mientras tanto, Parménides sostenía que el cambio no existe, y Demócrito argumentaba que todo está compuesto de cuerpos minúsculos e inertes de todas las formas llamados átomos, una filosofía conocida como atomismo . Todas estas nociones presentaban profundos problemas filosóficos. [ 80 ]

Aristóteles (384 a. C. – 322 a. C.) fue el primero en fundamentar filosóficamente esta concepción, lo cual hizo en su filosofía natural, especialmente en el libro I de Física . [ 81 ] Adoptó como supuestos razonables los cuatro elementos empedoclenos , pero añadió un quinto, el éter . Sin embargo, estos elementos no son fundamentales para Aristóteles. Más bien, al igual que todo lo demás en el mundo visible, están compuestos por los principios básicos de materia y forma.

Para mí, la materia es precisamente esta: el sustrato primario de cada cosa, del cual proviene sin reservas y que persiste en el resultado.

— Aristóteles, Física I:9:192a32

La palabra que Aristóteles usa para materia, ὕλη ( hyle o hule ) , puede traducirse literalmente como madera o leña, es decir, "materia prima" para la construcción. [ 82 ] De hecho, la concepción aristotélica de la materia está intrínsecamente ligada a algo que se hace o se compone. En otras palabras, a diferencia de la concepción moderna temprana de la materia como simplemente ocupar espacio, para Aristóteles la materia está definida por definición ligada al proceso o al cambio: la materia es lo que subyace a un cambio de sustancia. Por ejemplo, un caballo come hierba: el caballo transforma la hierba en sí mismo; la hierba como tal no persiste en el caballo, pero algún aspecto de ella —su materia— sí. La materia no se describe específicamente (por ejemplo, como átomos ), sino que consiste en todo aquello que persiste en el cambio de sustancia de la hierba al caballo. La materia, en este entendimiento, no existe de forma independiente (es decir, como sustancia ), sino que existe de forma interdependiente (es decir, como "principio") con la forma y solo en la medida en que subyace al cambio. Puede resultar útil concebir la relación entre materia y forma como muy similar a la que existe entre las partes y el todo. Para Aristóteles, la materia, como tal, solo puede adquirir actualidad a través de la forma; no posee actividad ni actualidad en sí misma, del mismo modo que las partes, como tales, solo existen dentro de un todo (de lo contrario, serían totalidades independientes).

La Era de la Ilustración

El filósofo francés René Descartes (1596-1650) fue el creador de la concepción moderna de la materia. Fue principalmente geómetra. A diferencia de Aristóteles, quien dedujo la existencia de la materia a partir de la realidad física del cambio, Descartes postuló arbitrariamente que la materia es una sustancia abstracta y matemática que ocupa espacio.

Así pues, la extensión en longitud, anchura y profundidad constituye la naturaleza de la sustancia corporal; y el pensamiento constituye la naturaleza de la sustancia pensante. Todo lo demás atribuible al cuerpo presupone la extensión y no es sino una manifestación de lo extendido.

— René Descartes, Principios de filosofía [ 83 ]

Para Descartes, la materia solo posee la propiedad de extensión, por lo que su única actividad, aparte de la locomoción, es excluir otros cuerpos: [ 84 ] esta es la filosofía mecanicista . Descartes establece una distinción absoluta entre la mente, que define como sustancia pensante no extendida, y la materia, que define como sustancia extendida no pensante. [ 85 ] Son cosas independientes. En contraste, Aristóteles define la materia y el principio formal/formador como principios complementarios que, en conjunto, componen una sola cosa independiente ( sustancia ). En resumen, Aristóteles define la materia (en términos generales) como aquello de lo que están hechas las cosas (con una existencia independiente potencial ), pero Descartes eleva la materia a una cosa independiente en sí misma.

Cabe destacar la continuidad y la diferencia entre las concepciones de Descartes y Aristóteles. En ambas, la materia es pasiva o inerte. En las respectivas concepciones, la materia tiene relaciones diferentes con la inteligencia. Para Aristóteles, materia e inteligencia (forma) coexisten en una relación interdependiente, mientras que para Descartes, materia e inteligencia (mente) son, por definición, sustancias opuestas e independientes . [ 86 ]

La justificación de Descartes para restringir las cualidades inherentes de la materia a la extensión es su permanencia, pero su verdadero criterio no es la permanencia (que se aplicaba igualmente al color y la resistencia), sino su deseo de usar la geometría para explicar todas las propiedades materiales. [ 87 ] Al igual que Descartes, Hobbes, Boyle y Locke argumentaron que las propiedades inherentes de los cuerpos se limitaban a la extensión, y que las llamadas cualidades secundarias, como el color, eran solo productos de la percepción humana. [ 88 ]

El filósofo inglés Isaac Newton (1643-1727) heredó la concepción mecanicista de la materia de Descartes. En el tercero de sus "Reglas del razonamiento en filosofía", Newton enumera las cualidades universales de la materia como "extensión, dureza, impenetrabilidad, movilidad e inercia". [ 89 ] De manera similar, en Óptica, conjetura que Dios creó la materia como "partículas sólidas, masivas, duras, impenetrables y móviles", que eran "...tan duras que jamás se desgastarían ni se romperían en pedazos". [ 90 ] Las propiedades "primarias" de la materia eran susceptibles de descripción matemática, a diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el sabor. Al igual que Descartes, Newton rechazó la naturaleza esencial de las cualidades secundarias. [ 91 ]

Newton desarrolló la noción de materia de Descartes al devolverle propiedades intrínsecas además de la extensión (al menos de forma limitada), como la masa. El uso que hizo Newton de la fuerza gravitatoria, que actuaba "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la que las interacciones se producían exclusivamente por contacto. [ 92 ]

Aunque la gravedad de Newton parecería ser una propiedad de los cuerpos, el propio Newton no admitió que fuera una propiedad esencial de la materia. Siguiendo esta lógica de forma más coherente, Joseph Priestley (1733-1804) argumentó que las propiedades corpóreas trascienden la mecánica de contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. [ 92 ] Sostuvo que la materia posee otras propiedades inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes y otros. [ 93 ]

siglos XIX y XX

Desde la época de Priestley, se ha producido una enorme expansión en el conocimiento de los constituyentes del mundo material (es decir, moléculas, átomos, partículas subatómicas). En el siglo XIX, tras el desarrollo de la tabla periódica y de la teoría atómica , los átomos se consideraban los constituyentes fundamentales de la materia; los átomos formaban moléculas y compuestos . [ 94 ]

La definición común de materia, basada en ocupar espacio y tener masa, contrasta con la mayoría de las definiciones físicas y químicas, que se fundamentan en su estructura y en atributos no necesariamente relacionados con el volumen y la masa. A principios del siglo XIX, el conocimiento de la materia experimentó una rápida evolución.

Algunos aspectos de la visión newtoniana aún tenían influencia. James Clerk Maxwell trató el tema de la materia en su obra Materia y movimiento . [ 95 ] Separa cuidadosamente la "materia" del espacio y el tiempo, y la define en términos del objeto al que se refiere la primera ley del movimiento de Newton .

Sin embargo, la visión newtoniana no era la historia completa. En el siglo XIX, el término "materia" fue objeto de debate activo entre numerosos científicos y filósofos, y se puede encontrar un breve resumen en Levere. [ 96 ] Un texto de 1870 sugiere que la materia es lo que está compuesto de átomos: [ 97 ]

En ciencia se reconocen tres divisiones de la materia: masas, moléculas y átomos. Una masa es cualquier porción de materia perceptible por los sentidos. Una molécula es la partícula más pequeña de materia en la que se puede dividir un cuerpo sin perder su identidad. Un átomo es una partícula aún más pequeña, producida por la división de una molécula.

En lugar de simplemente poseer los atributos de masa y ocupar espacio, se creía que la materia tenía propiedades químicas y eléctricas. En 1909, el famoso físico J.J. Thomson (1856-1940) escribió sobre la "constitución de la materia" y se interesó por la posible conexión entre la materia y la carga eléctrica. [ 98 ]

A finales del siglo XIX, con el descubrimiento del electrón , y a principios del siglo XX, con el descubrimiento del núcleo atómico mediante el experimento de Geiger-Marsden y el nacimiento de la física de partículas , se consideró que la materia estaba compuesta de electrones, protones y neutrones que interactuaban para formar átomos. Posteriormente, se desarrolló toda una bibliografía sobre la "estructura de la materia", que abarca desde la "estructura eléctrica" ​​a principios del siglo XX, [ 99 ] hasta la más reciente "estructura de quarks de la materia", introducida ya en 1992 por Jacob con la observación: "Comprender la estructura de quarks de la materia ha sido uno de los avances más importantes de la física contemporánea". [ 100 ] En este contexto, los físicos hablan de campos de materia y de partículas como "excitaciones cuánticas de un modo del campo de materia". [ 9 ] [ 10 ] Y aquí hay una cita de de Sabbata y Gasperini: "Con la palabra 'materia' denotamos, en este contexto, las fuentes de las interacciones, es decir, los campos espinoriales (como los quarks y los leptones ), que se cree que son los componentes fundamentales de la materia, o los campos escalares , como las partículas de Higgs , que se utilizan para introducir masa en una teoría de gauge (y que, sin embargo, podrían estar compuestos de campos fermiónicos más fundamentales )." [ 101 ]

Sin embargo, los protones y los neutrones no son indivisibles: se pueden dividir en quarks . Y los electrones forman parte de una familia de partículas llamadas leptones . Tanto los quarks como los leptones son partículas elementales , y en 2004 los autores de un libro de texto para estudiantes de pregrado los consideraron los constituyentes fundamentales de la materia. [ 102 ]

Estos quarks y leptones interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales : gravedad , electromagnetismo , interacciones débiles e interacciones fuertes . El Modelo Estándar de la física de partículas es actualmente la mejor explicación para toda la física, pero a pesar de décadas de esfuerzos, la gravedad aún no puede explicarse a nivel cuántico; solo se describe mediante la física clásica (véase Gravedad cuántica y Gravitón ) [ 103 ] para frustración de teóricos como Stephen Hawking . Las interacciones entre quarks y leptones son el resultado de un intercambio de partículas portadoras de fuerza , como fotones, entre quarks y leptones. [ 104 ] Las partículas portadoras de fuerza no son en sí mismas bloques de construcción. Como consecuencia, la masa y la energía (que, según nuestro conocimiento actual, no pueden crearse ni destruirse) no siempre pueden relacionarse con la materia (que puede crearse a partir de partículas no materiales como fotones, o incluso a partir de energía pura, como la energía cinética). Los mediadores de fuerza generalmente no se consideran materia: los mediadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen energía (véase la relación de Planck ) y los mediadores de la fuerza débil ( bosones W y Z ) tienen masa, pero tampoco se consideran materia. [ 105 ] Sin embargo, aunque estos cuantos no se consideran materia, sí contribuyen a la masa total de los átomos, las partículas subatómicas y todos los sistemas que los contienen. [ 106 ] [ 107 ]

Véase también

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Lecturas adicionales

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  • Stephen Toulmin y June Goodfield, La arquitectura de la materia (Chicago: University of Chicago Press, 1962).
  • Richard J. Connell, Materia y devenir (Chicago: The Priory Press, 1966).
  • Ernan McMullin , El concepto de materia en la filosofía griega y medieval (Notre Dame, Indiana: Univ. of Notre Dame Press, 1965).
  • Ernan McMullin , El concepto de materia en la filosofía moderna (Notre Dame, Indiana: University of Notre Dame Press, 1978).
  • Módulo de aprendizaje visual sobre la materia
  • La materia en el universo ¿Cuánta materia hay en el universo?
  • La NASA investiga el núcleo superfluido de una estrella de neutrones.
  • Materia y energía: una falsa dicotomía – Conversaciones sobre ciencia con el físico teórico Matt Strassler
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