por Diego Vidal-Cruzprieto
@vidaleando
¿Qué es la materia?
La definición más tácita es aquello que ocupa el espacio. Por el momento nos quedaremos a ese nivel, pero estén advertidos de que las investigaciones de la naturaleza cuántica de la gravedad no hacen un sesgo tan marcado. Incluso hay evidencia de que la hipotética naturaleza no-conmutativa del espacio-tiempo a nivel microscópico es lo que puede dar a origen a la materia, pero eso es otra historia.
A la materia se le conceptualiza a través de partículas a las cuáles se le pueden asociar ciertas propiedades, tales como masa, carga, inercia (momento), momento angular, espín, entre otras. Una teoría busca relaciones entre éstas propiedades, ya sea que se relacionen entre ellas mismas en el marco de una partícula, o que se relacionen con las de otras partículas. Si a uno se le ocurre una buena teoría, la escribe, y si la comunidad piensa que tiene sentido se hace el experimento para ver de qué lado masca la iguana.
Los físicos nos la podemos mamar mucho, pero en el fondo somos humanos al igual que todos. Esto conlleva a que nuestro pensamiento sea fundamentalmente binario y es por ello que uno separa las partículas en dos categorías: bosones y fermiones.
Esta semántica está regida por el espín, una propiedad que muy pinche banalmente se puede pensar de la siguiente manera: el número de vueltas que le tienes que dar a un objeto para que se vuelva a ver igual.
Ahora llega la bonita hora de abrir la chela y hacer analogías descontextualizadas: una de ellas es un lápiz, si yo le doy una vuelta, se vuelve a ver igual, por lo cual se le asociaría un espín unitario, es decir, el número uno. En el caso de un naipe de un mazo de póker, al darle media vuelta ya se ve igual, por lo cual su espín sería un medio. Para un ejemplo de espín dos, tomen ustedes su cinturón (¿ya ven como siempre se acaban encuerando?) y pongan un extremo en medio de un libro, denle una vuelta, y luego traten de desenredar dicho doblez pasando el libro por debajo del mismo; esto implica que en total dieron nos vueltas y por ende acaban de encontrar una situación en la cual un objeto se ve igual después de dos vueltas, y además, su desnudez será muy frita. Ahora bien, tanto el lápiz, como el naipe o el sistema cinturón-libro-encuere no son partículas, de hecho están conformados por un verguero de ellas, entonces por favor no se pongan a buscarle espines a sus declaración fiscal, porque a final de cuentas vale verga como le mueven: se los van a acabar atorando por más vueltas que le den.
¿Pero que coños es un bosón o un fermión?
Allá vamos, calma, abre una chela. Uno puede seguir debrayando con los espines pero el mame tiene que parar en un punto. La naturaleza nos ha sugerido que sólo espines enteros (0,1,2,…) y semi-enteros (½, 3/2, 5/2,….) juegan un rol fundamental.
Cuando una partícula tiene espín entero se dice que es un bosón y generalmente se dedican a transmitir fuerzas o interacciones, por ejemplo: fotón, gravitón, bosones W, bosón Z, bosón de Higgs; los bosones tienen la propiedad de que pueden ocupar un mismo estado simultáneamente, es decir, son proclives a tendencias orgiásticas donde se la pasan encimándose; tomen por ejemplos los fotones, si unen dos haces de luz provenientes de linternas se pueden encimar sin colisionar, si lo hacen con dos mangueras, pues puro marranero.
Si la partícula tiene espín semi-entero se llama fermión y va a ser bien pinche eriza. La naturaleza prohíbe que dos fermiones ocupen el mismo estado, a esto se le conoce como Principio de exclusión de -tupapá- Pauli. Es por eso que si en vez de linternas usas mangueras pues acabas haciendo un cochinero, o es por eso que cuando chocas te mueres. Los fermiones usualmente es a lo que se le conoce como “materia maciza” con la que nos madreamos, limitamos, bailamos, vivimos, salivamos y destruimos.
¿A poco sólo esas dos categorías?
También está una tercera categoría que es el anyón, que es el miembro de la familia con crisis de identidad. No sabe quién es, y lo grave es que se tiene que decidir no sólo entre bosones y fermiones; sino una infinidad más de opciones. Por si fuera poco, además sólo pueden existir en dos dimensiones espaciales; por eso se ganaron la entrada en el reino de las cuasipartículas, a un lado de los instantones.
¿Esto no era de antimateria?
Simón, a eso vamos. Usualmente para hablar de partículas se usa la mecánica cuántica; por otra parte, para hablar de cosas a muy altas velocidades y/o energías uno debe implementar la Relatividad Especial de Einstein (y ya dejándola ir todita, Relatividad General). Si nos interesa estudiar una partícula muy energética debemos de combinar ambas, el pedo, es que como ya hemos mencionado en varias ocasiones, se llevan de la verga y tienen diferencias irreconciliables; a menos de que te llames P. A. M. Dirac y se te ocurra fundar la mecánica cuántica relativista.
La mecánica cuántica relativista pone en pie de igualdad el principio de incertidumbre y la invariancia de marcos de referencia relativista, dando origen a una ecuación conocida como la ecuación de Dirac. Entre sus predicciones está el positrón, una partícula con la misma masa que el electrón sólo que con carga positiva, el primer ejemplo de antipartícula.
¿Por qué antipartícula?
Por que al interactuar con su partícula, se da un proceso conocido como aniquilación; en el caso de un electrón y un positrón dicha aniquilación resulta en la emisión de dos fotones de altísima energía. La teoría de Dirac es bellísima sin duda, pero por desgracia no es exacta y tiene varios errores; sin embargo ayudó a crear las teorías paradigmáticas de la física contemporánea: las teorías cuánticas de campos.
En estos edificios teóricos, se consideran campos que al oscilar bajo reglas de la mecánica cuántica generan partículas y/o antipartículas; todo esto por medio de los operadores de creación y aniquilación. Si yo actúo en el vacío con un operador de aniquilación, puedo crear una antipartícula la cual se puede entender como una partícula usual pero que viaja al revés en el tiempo.
Universo de un sólo electrón
A algunos les puede resultar contradictoria la idea de viajar al revés en el tiempo, e incluso inviable ya que podría vulnerar la causalidad, pero no hay pedo. Lo que realmente sucede es que debemos imaginar es que la partícula viene desde un futuro lejano hacia nuestro presente para interactuar, pero nunca podrá viajar de nuestro presente hacia nuestro pasado. Para dejar todo más claro es hora de entretener la siguiente idea: imagina que el universo tiene un sólo electrón; esto puede sonar ridículo si uno se guía por los criterios y prejuicios que nos imponen los sentidos, ya que son los cerrojos de la percepción. Pero esta idea vino del alumno más brillante de Einstein, el B.B. King de la Relatividad General: John Archibald Wheeler.
Wheeler un día le echó un telefonazo a otro titán, Richard Feynman y le dijo:
-Wheeler: Oye carnal, ya sé porque todos los electrones del Universo tienen la misma masa y carga.
-Feynman: Ah no mames, qué chido. ¿Y por qué güey?
-Wheeler: Porque todos son el mismo electrón.
-Feynman:
Imaginen al electrón como un Kraken con un chingo de tentáculos que cuando atraviesan una región a un tiempo determinado la perforan, en dichas incisiones se puede tener un electrón o un positrón, esto depende si el tentáculo va de ida o de regreso según la flecha del tiempo.
Esto realmente sólo fue un experimento mental para que a nadie le inquiete la idea de que las partículas pudieran ir hacia atrás en el tiempo; aunque esto describa bien a los electrones tiene broncas como modelo para otras partículas, pero nos dio un gran trampolín conceptual de comprensión.
¿Y para que sirve?
Como siempre, a nadie le importa la ciencia o sus aplicaciones hasta que le detectan cáncer. En este caso, la antimateria se usa para tomografías médicas de alta resolución mediante un procedimiento llamado PET (Positron Emission Tomography [Tomografía por Emisión de Positrones]). Las nubes generan antimateria y eso es turbo vergas, ya que nos puede ayudar a entender el campo magnético que rodea la tierra y por ende hacer mediciones indirectas de nuestro núcleo. Y en cuestión energética, puede que sea el futuro de la energía limpia, ya que no hay residuo alguno cuando se aniquila. En esta página podrán encontrar todo tipo de propuestas en cuanto a su uso.
Por cierto, en la votación pasada ganó el tema de paradojas para la siguiente columna. Estén al pendiente de futuras votaciones con el #VotaMacizo, y por favor manden todas sus preguntas para que las futuras entregas respondan sus dudas.