De la materia y de la energía.

Echando un vistazo a la naturaleza íntima de la realidad (I)

Todo lo que hay en este universo se manifiesta a nuestros ojos e instrumentos en dos formas bien conocidas: la materia y la energía. Este hecho simple, que es cierto hasta donde hemos llegado a observar –y a estas alturas hemos llegado a observar muy lejos–, ha dado lugar a numerosas disquisiciones científicas, filosóficas e incluso teológicas a lo largo de la historia. Pero, ¿qué son? ¿Cuál es su naturaleza? ¿Por qué están ahí?

Pese a cierta tendencia que tiende a considerar a la energía en un plano superior al de la corruptible y pecaminosa materia (como si en ete universo hubiera algo superior a cualquier otra cosa), la energía es la más básica y primaria, la menos organizada y más fácil de entender de las dos. Aunque, en realidad, las dos viajan indisolublemente trenzadas por el espacio y el tiempo: en el cosmos presente, no hay energía desvinculada de la materia ni materia desvinculada de la energía (la ecuación más conocida que relaciona la una con la otra es, naturalmente, E = mc²).

Cualquier manual de física elemental describe a la energía como la capacidad de una fuerza para realizar un trabajo. Dicho muy a lo bruto: la característica fundamental de una energía es que hace cosas, o puede hacerlas: mover esto, calentar aquello, aniquilar lo de más allá.

Vemos, pues, que para tener energía hace falta una fuerza primero. Aunque de vez en cuando se postule alguna quinta fuerza más allá del Modelo Estándar, en estos momentos tenemos bien identificadas cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: fuerte o cromática, electromagnetismo, débil y gravedad. Cada una de ellas tiene una teoría que la explica, y una partícula asociada que la transporta; excepto la gravedad, donde se ha postulado el gravitón pero todavía no se ha observado. Repasémoslas:

• Interacción fuerte o cromática, estudiada por la cromodinámica cuántica. Es la más intensa de las cuatro, con muchísima diferencia. Mantiene juntos los quarks para formar protones y neutrones, y los protones y neutrones juntos para formar núcleos atómicos, estructuras esenciales de la materia. La partícula subatómica vinculada a esta fuerza es el gluón.
• Electromagnetismo, estudiada por la electrodinámica cuántica. Es cien veces más débil que la cromática. Mantiene juntos los núcleos atómicos con sus electrones para formar átomos, y las moléculas entre sí, lo que viene a constituir la materia macroscópica. La partícula mensajera de esta fuerza es el fotón.
• Interacción débil, estudiada por el modelo electrodébil. Es cien mil millones de veces más tenue que el electromagnetismo, y diez billones de veces menor que la cromática. Es la causante inmediata de la radiactividad. Sus partículas mediadoras son los bosones W y Z.
• Gravedad, estudiada por la relatividad general. Aunque no lo parezca cuando nos caemos, o cuando vemos planetas orbitando alrededor de sus soles o galaxias en sus supercúmulos, es inconcebiblemente débil: cuatrillones de veces más tenue que las anteriores. Su partícula mensajera hipotética, el gravitón, resulta complicadísima de encontrar debido a su baja interacción con el resto de la realidad. Se requerirán, por tanto, aceleradores de partículas muy potentes –más que el LHC– para detectarla sin duda de ninguna clase.
  

Las cuatro fuerzas fundamentales tienen características comunes, y la más notoria de ellas es que las cuatro obedecen a la teoría de campos (clásica y cuántica). Estas similitudes nos hacen sospechar que todas ellas forman parte de una realidad que las engloba y explica conjuntamente; por eso, los físicos de altos vuelos andan detrás de una teoría del campo unificado que explicaría una gran parte de la realidad y abriría el paso a la teoría del todo. En estos momentos, la teoría electrodébil unifica ya en gran medida la interacción débil con el electromagnetismo.

¿Y la materia? La materia podría definirse como cualquier cosa que tiene masa y ocupa un volumen en el espacio; aunque algunas de las partículas transportadoras de fuerzas, como los bosones W y Z, también poseen estas propiedades. La materia bariónica –esa que constituye todo lo que vemos y tocamos, incluyéndonos a ti y a mí– está compuesta por quarks y leptones (el leptón más conocido es el electrón). La inmensa mayoría, sólo por cuatro de ellos: el quark arriba, el quark abajo, el electrón y el neutrino.

Aunque las características de la masa son bien conocidas, su naturaleza profunda aún permanece oculta. El bosón de Higgs, comúnmente conocido como la partícula de Dios, podría haber sido clave en el surgimiento de la misma mediante el mecanismo de Higgs. El mecanismo de Higgs, que puede quedar a nuestro alcance gracias al LHC e incluso se puede aproximar en el Tevatrón, explicaría la manera en que la energía se convirtió en materia y puede dar un paso de gigante hacia la comprensión de cómo empezó todo.

Sabemos que la materia bariónica (corriente) se organiza en átomos. Dependiendo del número de protones que haya en el núcleo de cada átomo, estaremos ante un elemento u otro: esto es el número protónico, más conocido como número atómico. Un átomo cuyo núcleo alberga un solo protón, por ejemplo, es hidrógeno. Si tiene dos, es helio. Si tiene tres, litio. Si tiene seis, carbono. Si tiene ocho, oxígeno. Si contiene 79 será oro, 92 y tendremos uranio, 94 y será ya plutonio. Y así con todos. La tabla periódica de los elementos de Mendeleev nos lo organiza de una manera muy visual:

No todos los núcleos atómicos son estables. De hecho, sólo existe un estrecho rango de combinaciones estables entre protones y neutrones. En realidad, cualquier núcleo con más de 83 protones (es decir, el bismuto) es esencialmente inestable y tiende a dividirse rápidamente en otras cosas, con las notables excepciones del torio y el uranio, que aunque no son estables del todo aguantan bastante tiempo (tanto, que aún los podemos encontrar en las minas). Glenn Seaborg postuló la posible existencia de una isla de estabilidad más allá del número atómico 100, lo que permitiría crear en un reactor nuclear o un acelerador de partículas átomos más o menos firmes de elementos excepcionales que actualmente no están presentes en el universo. De momento, esto no se ha conseguido.

Es posible convertir unos elementos en otros en el laboratorio: el sueño del viejo alquimista hecho realidad. Por ejemplo, es relativamente fácil transmutar mercurio en oro irradiándolo con rayos gamma. Pero si estás pensando en montarte un negociete, me temo que no es posible en el momento actual: este oro es enormemente caro, mucho más que el natural, debido al coste de la energía necesaria. La plata, el paladio, el rodio y el rutenio se extraen habitualmente del combustible consumido en los reactores nucleares (originalmente, uranio) aunque, de nuevo, no acaba de ser económico.

Una propiedad intrigante de la materia es la dualidad onda-partícula que estudia (entre otras muchas cosas) la mecánica cuántica (ver este curiosísimo video). Algunos piensan que esto debe ser alguna clase de brujería, pero se verifica constantemente en el laboratorio: la materia puede comportarse a la vez como si fuera materia y energía, y se decanta por ser una cosa u otra según la interacción a que se vea sometida. Esta característica tan peculiar y contraria al sentido común nos ha abierto unas puertas extraordinarias para comprender mejor la naturaleza íntima de la realidad.

Próximamente: Del calor, el tiempo, la entropía y la fluctuación.

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