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Ciencias y letras por Salvador Ruíz Fargueta

Ciencias y letras, trata de acercar las dos culturas , favorecer su mestizaje. En realidad, sólo es una cultura que nos puede acercar más a nosotros mismos, a las complejas relaciones humanas, al mundo y a sus interrogantes. El autor, ingeniero y físico, es editor de La bella teoría. Publica los días 1 de cada mes.

La vida casi secreta de la materia

Conforme se han ido perfeccionado los aceleradores de partículas, se han hecho nuevos descubrimientos sobre la estructura más íntima de la materia. La actual frontera está en los quarks y leptones, pero independientemente de que esta sea de verdad la última frontera, la teoría de la información y lo que ya conocemos sobre los agujeros negros ponen un límite a los secretos que pueda intentar ocultarnos la materia.

En el mundo antiguo, el científico griego Demócrito introdujo la noción de átomo, como la parte última indivisible de la materia. Aristóteles, por el contrario creía que el proceso de la división de la materia era infinito y, por tanto, la propia materia era continua. Mientras las ideas de Aristóteles marcaban el camino del conocimiento, el concepto de átomo fue dejado de lado. Pero a medida que la Física y la Química se fueron afirmando como ciencias, la existencia del átomo salió del ámbito de la especulación filosófica y surgió como necesaria.

En el siglo XIX, Mendeliéyev clasificó los átomos en forma de una tabla que generalizaba los conocimientos químicos de aquella época sobre la interacción entre los diferentes elementos. Ningún método conocido por los químicos y físicos del siglo XIX podía transformar un elemento en otro, tal como durante siglos lo persiguieron los alquimistas, y así fue hasta que se descubrieron los átomos inestables y la radiactividad natural. Rutherford y sus colaboradores, estudiando los elementos radiactivos observaron que las propiedades de los átomos varían durante la desintegración radiactiva: aparecen elementos químicos nuevos que no existían en la sustancia inicial. Posteriormente construyeron el primer acelerador, con el cual llevaron a cabo la primera desintegración artificial de un núcleo atómico. Bombardearon un blanco compuesto por litio metálico, con átomos acelerados de hidrógeno (protones) y tuvo lugar una reacción atómica: El litio se desintegró formando dos átomos de helio.

En el siglo XX los físicos fueron perfeccionando los aceleradores de partículas, haciéndolos cada vez más potentes pues para analizar escalas cada vez más pequeñas, los secretos más íntimos de la materia, se necesitan energías cada vez mayores. Así, la investigación de la estructura de las moléculas se puede realizar con ayuda de un microscopio, con ayuda de la luz visible; para la investigación del átomo de hidrógeno es necesario emplear rayos ultravioletas, cuyos fotones son varias veces más energéticos que la luz visible. La estructura de las órbitas de los electrones requiere emplear rayos X, cuya energía es miles de veces mayor, y para energías superiores se aceleran partículas tales como electrones y protones a unas energías miles de veces más grandes todavía.

A medida que se ha aumentado la potencia de los aceleradores se han hecho nuevos descubrimientos sobre la estructura de la materia. Muchas partículas, como los protones o neutrones, que se creían elementales se descubrió que estaban compuestas por nuevas partículas elementales como los quarks. Actualmente, se cree que todas las partículas conocidas están formadas por quarks y leptones, en su nivel más elemental. Existen seis tipos de quarks, que se llaman arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo. Los leptones neutros son el electrónico, muónico y tautónico, y los leptones cargados son el electrón, el muón y el lepton tau.

Todas estas partículas tienen una característica puramente cuántica llamada espín, una especie de giro intrínseco, del tipo fraccionario. Estas partículas con espín fraccionario (1/2 ó 3/2) se llaman fermiones y se someten a la estadística descubierta por E. Fermi: son partículas que forman la materia habitual, no pueden ocupar un mismo lugar. Sin embargo existen otras partículas que sí que pueden ocupar un mismo lugar, son las partículas de fuerza. Su efecto se suma y transmiten las cuatro fuerzas fundamentales, son los llamados bosones de espín entero (0, 1, 2) llamados así porque obedecen la estadística de Bose-Einstein.

Los bosones que transmiten las interacciones entre los quarks se llaman gluones, del inglés glue que significa pegamento. Son ocho y garantizan la existencia de las fuerzas nucleares que retienen a los quarks en los protones y neutrones, y a éstos dentro del núcleo atómico. Los bosones W+, W- y Z transmiten las interacciones débiles, y dirigen la desintegración beta del núcleo y la emisión del neutrino. Finalmente, los bosones más conocidos son los fotones. La luz y las radiaciones electromagnéticas, en general, son un conjunto de fotones y además de transmitir las imágenes garantizan la estabilidad de las biomoléculas, y por consiguiente, de nosotros mismos.

No sabemos con total seguridad si todavía existe un nivel de estructuración de la materia aún oculto para nosotros. En este caso los quarks y leptones serían formaciones compuestas de partículas todavía más elementales, pero, independientemente de ese nivel de elementalidad, del estudio de las propiedades de los agujeros negros se han deducido los límites absolutos que acotan la información que cabe en una región determinada del espacio. Teniendo en cuenta que esos límites dependen de la materia y energía contenida en ese espacio es asombroso que se pueda deducir un límite sin conocer ni siquiera, con absoluta certeza, el último componente de la materia.

Sea cual sea el último componente de la materia existe un límite en la información que es capaz de soportar una región determinada del espacio y curiosamente ese límite depende directamente de la superficie capaz de englobar esa región. Si esa superficie la consideramos como el área del horizonte de sucesos de un agujero negro, es como si la información estuviese escrita sobre esta superficie, de suerte que cada bit (cada 0 ó 1 de la codificación digital) correspondiera a 4 áreas de Planck (10 –66 centímetros cuadrados), como en una especie de holograma.

Salvador Ruiz Fargueta | 01 de mayo de 2009

Comentarios

  1. José Eburi Palé
    2009-05-02 04:37

    ¡Fantástico!
    Alguien dijo:
    Solo se, que no se nada.
    Frase que sublima la humildad. irtud esta que no abunda hoy demasiado, cuando tendemos a creer que ya lo sabemos todo.
    Muy buen artículo.

  2. CARLOS GAVIRIA L..- Bogotá -Colombia.-
    2009-05-03 02:27

    Hasta ahora estamos arañando los conceptos de materia.

  3. Salvador
    2009-05-04 05:42

    Gracias José, es cierto, aún no sabemos demasiado e ignoramos mucho más. Pero, precisamente por eso me impresiona que sea la propia información, de la mano de un concepto como la entropía de un agujero negro, la que nos marque el límite a la complejidad, todavía no descubierta, de la materia. Un saludo a ambos.

  4. fran
    2010-01-27 06:55

    En el fondo del fondo… no hay nada.

  5. Antonio Abellan
    2010-06-06 11:45

    Gracias por regalarnos tan excelente y clara clasificacion de las particulas elementales. En cualquiera de los modelos de las teorias de las cuerdas parece existir particulas aun mas pequegnas y funmamentales que el quark. No he estudiado bien ningun modelo de las cuerdas ya que su tratamiento matematico es engorrozo y complejo, pero me gustaria saber como se clasifican las particulas elementales en estos modelos, o en el mas moderno de ellos.



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