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3. Sustancia material 


En el principio del tiempo hace unos 13.73 mil millones de años, solo existió energía, de acuerdo con la teoría del Big Bang, en una gran explosión de esta energía, se creó el tiempo y el espacio[1]. La sustancia material fue un viaje de evolución de la organización energética en el universo. De manera breve, la energía en expansión dentro del espacio-tiempo, se organizó en cuerdas de energía como armónicos musicales, estas se estructuran y se compactan creando partículas de materia, como los electrones y los quarks, que más tarde dan forma a los átomos que dan existencia a todas las sustancias materiales de nuestro universo. En el año 2012 se descubre una partícula fundamental que crea un campo extendido en el espacio, esta partícula recibe el nombre de “bosón de Higgs”, por tributo a Peter Higgs. Este campo de Higgs es el que provoca que electrones y quarks tengan masa. Masa y materia existen como resultado del bosón de Higgs, este impide que las partículas de materia alcancen la velocidad de la luz.


¿Por qué es tan importante el descubrimiento del bosón de Higgs? La física de partículas describe toda la materia que se encuentra en la Tierra, en las estrellas y en todas las galaxias, pero también intenta ir más allá de lo que se conoce para describir la materia oscura, una forma de materia cinco veces más frecuente que la materia regular conocida[2]. Cuando las partículas de materia se mantienen por debajo de la velocidad de la luz, en el universo aparece la masa y en confinación con las fuerzas electromagnéticas se crean una infinidad de sustancias materiales.


Durante los años 1970, se creó la idea moderna del átomo conocida como “modelo estándar”. Este modelo es un conjunto de explicaciones coherentes entre las interacciones de partículas que dan la forma a los átomos que crean la materia en forma de combinación de estos. Las partículas elementales son electrones y quarks. Con los quarks se crean a los protones y neutrones; los quarks los hay de dos tipos, arriba “up” y abajo “down”. En resumen para formar materia requerimos electrones, quarks up y quarks down. Pero las sustancias materiales a nuestro alrededor solo son posibles con las fuerzas que mantienen unidas las diferentes partículas. 


Los fermiones cumplen el rol de partículas de materia, en el modelo estándar se encuentran doce de ellos, más un conjunto de partículas transmisoras de fuerza llamadas bosones para mantenerlas unidas. Los fermiones ocupan espacios individuales y los bosones pueden apilarse unos sobre otros en el mismo espacio. El universo material es una evolución muy ordenada y en esta danza de partículas y fuerzas es que se crea a la materia, en una configuración donde la masa del electrón es unas 2000 veces más pequeña que la del protón o el neutrón. Pero son los electrones los responsables de que la materia la percibamos sólida. Los bosones crean la fuerza de gravedad o el campo magnético. Si bien la partícula de Higgs dota de masa a los electrones y quarks, el gravitón en el modelo estándar actúa como fuerza de campo gravitatorio, crea una fuerza de campo de gravedad, aunque hasta el día de hoy no se ha observado de manera individual al gravitón, matemáticamente se justifica su existencia. Un campo es algo que a cada región del espacio asigna un valor de propiedad física, algunos de ellos son el campo de gravedad, el campo de temperatura, el campo eléctrico y magnético. La teoría cuántica, nos dice que todas las cosas materiales están formadas de campos o combinación de ellos, de tal modo que las partículas se mantienen en vibraciones de campos. En 2018 al momento de escribir este texto, podemos decir que toda sustancia material es una combinación de campos vibrando que constituyen a la materia[3]. 


El vacío en nuestro universo, de las ideas anteriores podemos deducir, que lo podemos concebir como un lugar nulo donde la energía de los campos como el gravitatorio o electromagnético su valor es cero. Pero ese valor cero, es la presencia de un valor constante nulo de las vibraciones del campo de Higgs, este campo constante en segundo plano siempre presente en todo el universo es el que hace cuando en él se transportan los fermiones, estos tengan masa[4]. Es momento de dar paso a explicar porque hay diferentes sustancia materiales, la principal causa es el electromagnetismo. La historia de los modelos atómicos, la dejamos a la curiosidad del lector, aquí discutimos los términos modernos con los que se explica la energía material y su propiedad de masa.


Hoy en día, el magnetismo se conoce correctamente como electromagnetismo, una de las cuatro fuerzas físicas fundamentales del universo. Es una fuerza fundamental que simplemente existe. Una fuerza fundamental no puede ser reducida a una más básica, simplemente es así. En el universo hoy en día solamente se reconocen cuatro fuerzas fundamentales, al menos conocidas: gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. Sin embargo los científicos están en la búsqueda de conocimiento de una misteriosa quinta fuerza, llamada fuerza oscura, responsable de la aceleración de nuestro universo en su expansión. Cada una de estas fuerzas es esencial para el funcionamiento del universo, imprescindibles e ineludibles. Nacieron juntas con el universo, el sol y el resto de los astros interestelares. 


La gravedad es la fuerza que hizo que la manzana de Newton cayera al suelo y le impide salir de la tierra cuando esta gira. Rige a la materia atrayéndola entre si y no la rechaza. Es la más débil de las fuerzas, viaja a la velocidad de luz  por el espacio-tiempo infinito.

Las interacciones nucleares regulan el interior del átomo. La interacción nuclear fuerte une los núcleos de los átomos y nada más. La interacción débil permite a los átomos desintegrarse y sufrir metamorfosis para transmutarse en otros. Esto hace que la fuerza nuclear débil sea el último alquimista. Es la responsable del decaimiento radiactivo. La energía de nuestro sol que hace cálido nuestro mundo. 


Unos 100 segundos después de nacer este universo, se especula que al enfriarse lo suficiente, aparecen algunos quarks y electrones, después los quarks se vinculan para formar protones y neutrones, la parte pesada de los átomos de hidrógeno. Esta configuración de electrones carga negativa y protones carga positiva, partícula y antipartícula, responden a la máxima de crear el campo electromagnético y parecen fuerzas de atracción y repulsión. Los electrones quedan confinados a una nube electrónica alrededor del núcleo, que además, contienen partículas de carga neutra (neutrones). Al parecer es obvio que en algún momento los dados se inclinaron porque la carga positiva estuviera en el núcleo, esta configuración de polaridades eléctricas, no está claro que la determinó. 


La mayor parte del peso del átomo está en el núcleo, los electrones son ligeros y en movimiento. Los químicos suelen ilustrar a un estudiante con la analogía, si el átomo fuera del tamaño de un estadio de béisbol, en el centro el núcleo sería del tamaño de una pelota de béisbol, esto significa que un átomo es más espacio vacío que ocupado con partículas materiales. Sin embargo, hemos explicado que ese espacio no esta vacío del todo, está lleno de campos invisibles de fuerzas que crean la materia, la vuelven estable.


El número de protones es clave. Determina la naturaleza del elemento. En otras palabras, la identidad de un elemento es controlado por el número de protones en su núcleo. Definiendo su orden en la tabla periódica de elementos, porque la tabla periódica se arregla por la ascendencia del número atómico. Cuando cambia el número de protones, por ejemplo, durante el decaimiento radiactivo o fisión nuclear, entonces nos encontramos en otro elemento producto de una metamorfosis. Por lo tanto, la naturaleza del hidrógeno está dada por contener solo un protón en su núcleo. Cuando fuerzas de inmenso calor se presentan en el núcleo de hidrógeno, se funde con otros núcleos de hidrógeno. Y cuatro neutrones se trasforman en dos neutrones y dos protones generando el helio. El proceso de cambio de neutrones a protones se descubrió recientemente en 2015 Takaaki Kajita (Japón) y Arthur B. McDonald (Canadá) demostraron que los neutrinos, un tipo de partícula subatómica, cambian de identidad. El protón y el neutrón están compuestos de tres quarks cada uno. Su composición es proton =up-up-down y neutrón =up-down-down. Cuando un quark up se convierte en un quark down mediante el intercambio de gluones, entonces el protón se convierte en un neutrón. Al mismo tiempo, se produce un antielectrón y un neutrino. Este proceso ocurre uno de los tipos de radiaciones beta y ocurre dentro del núcleo; el antielectrón y el neutrino tienen tanta energía que salen del átomo a gran velocidad. 


Hoy en día, se dice que los electrones se mueven en orbitales, que son expresiones matemáticas de donde probablemente podemos encontrar a los electrones. No podemos en un momento apuntar a donde se encuentra un electrón con exactitud, solo su probabilidad de ser encontrado. Los electrones son vistos como partículas y como ondas en un campo. Para comprender mejor esto tenemos que ir más a fondo.


Mientras la analogía del átomo como un sistema solar es obsoleta, si es útil para imaginar otros aspectos. Imagine que las órbitas se organizan como grupos de anillos concéntricos o capas alrededor de un núcleo. Esta visualización hace más simple ver al núcleo y su influencia con la nube electrónica. Los electrones en órbitas proporcionan una manera de crear un campo magnético. Con algunas excepciones, cada electrón en el universo se encuentra moviéndose en estos orbitales, saltando de uno a otro. Cada orbital tiene la capacidad irrompible de solo albergar dos electrones, en este par, cada uno debe girar en direcciones opuestas. El punto es que el movimiento de uno debe compensar al del otro para alcanzar el equilibrio. Los electrones presentan resistencia a estar en pares en los orbitales, pero lo hacen antes de pasar la energía al moverse de una capa a otra, donde podrían tener cabida.


Cada orbital tiene un par de ranuras para un par de electrones, significa que a veces se presentan orbitales impares. Cuando un átomo se compone de electrones no apareados en sus giros, el átomo crea un campo magnético pequeño. Pero en algunas sustancias inusuales, se les puede girar en sincronía con los de otra capa, fortaleciendo el campo magnético de forma amplificada, los comunes son el Hierro, Cobalto y níquel. Otros átomos anulan la influencia magnética. En su combinación pueden generar imanes. Los científicos aprovechan esto para indicar que un átomo tiene polaridad norte sur magnética. Campos magnéticos en la misma dirección se repelen y en contraria se atraen, del mismo modo que ocurre entre las partículas cargadas protones y electrones. 


Como puede imaginar, para un solo átomo el campo magnético es muy débil, pero el apilamiento de millones de ellos lo vuelven intenso, del mismo modo que si apilamos imanes.  La magnetita, un óxido de hierro, es un imán permanente que existe naturalmente, lo que significa que los electrones no apareados giran en los átomos de sus moléculas permanentemente alineados en la misma dirección para mantener la intensidad del campo magnético. En el siglo XV los navegantes aprovecharon las líneas magnéticas geográficas para detectar cambios de declinación dependiendo de donde se está en la tierra. La brújula y sus inclinaciones son coordenadas engañosas dado que se presentan fluctuaciones del campo magnético en el planeta que se traducen en la variabilidad de lecturas.


En la vigésimosexta Conferencia General de Pesos y Medidas celebrada 16 de noviembre de 2018 en Versalles, los 60 Estados miembros decidieron que a partir del 20 de mayo de 2019 el kilogramo, la unidad de masa no será más un objeto físico, sino un valor derivado de una constante de la naturaleza. En el mundo cotidiano no representa cambio significativo, pero puede ser muy importante en ámbitos científicos como el desarrollo de nanotecnologias. Con un instrumento llamado balanza de Watt se puede calibrar un 1 kg empleando la constante de Planck[5]. Se usa una potencia electromagnética en el cálculo, a partir del valor de la corriente eléctrica aplicada para generarla y el valor de la constante de Planck, ambos conocidos, por simetría, es decir al igualar estos valores se logrará enorme precisión. 


Ahora se definen las unidades base métricas en términos de constantes físicas fijas, así lo publicó la revista Science:



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Al concebir racionalmente la idea de materia viene a nuestra mente lo tangible, la materia se nos presenta en diferentes estados físicos (sólido, líquido, gaseoso y plasma) y en todos ellos posee masa en interacción con los campos en el universo, y su unidad elemental es el átomo. Tiene masa. Sin embargo, aprendimos que los átomos son por mucho espacio vacío, electrones, protones y neutrones. Partículas que son los bloques de la construcción final de la sustancia material, cuyas estructuras internas son partículas materiales (electrones, quarks) y partículas generadoras de fuerza.


Podemos imaginar el papel, el vidrio, la madera u otra sustancia material como capas de una cebolla material: moléculas; átomos; protones y neutrones; quarks y electrones. Al descender en cada capa de organización de la materia, nos encontramos con componentes más pequeños cada vez. Esto es sin duda sorprendente, pero este descenso no es infinito, sino finito. Y no se necesita un salto sorprendente para imaginar que el fondo fundamental de la materia corresponde a energía ionizada altamente compactada.


En 1930, Paul Dirac llamó esto el sueño de los filósofos, justo antes que James Chadwick 1932 descubriera al neutrón. Hasta 1932 todos creían que la materia se componía de dos partículas elementales: protón y electrón. Dirac sospechó más tarde que el electrón y el protón no son partículas independientes, quizá solo dos manifestaciones de una misma partícula. Pero Dirac estaba equivocado. Su matemática había tropezado, en realidad era la deducción de un nuevo tipo de materia, la antimateria. La entidad de carga positiva en su teoría no era el protón, sino el antielectrón o positrón, descubierto en estudios de rayos cósmicos solo un par de años después. El positrón posee la misma masa y espín que el electrón, sin embargo, es positivo en su carga. Se produce en transformaciones nucleares. 


Este viaje nos dice que los cimientos de nuestro universo no son tan sólidos y confiables como en principio los atomistas griegos definieron a la materia. Para Isaac Newton, la masa era simplemente la cantidad de materia de un cuerpo sólido, líquido o gaseoso. Sin embargo la propiedad masa, cada día se volvía más misteriosa. Para Einstein masa y energía, eran una forma equivalente, intercambiable de algo mismo, solo presentado con diferente estructura. 


El modelo estándar es el más acertado desde el atómico hasta nuestro tiempo. Es un sistema complejo de partículas elementales y de fuerzas que mantienen en equilibrio la existencia de este átomo. La diferencia moderna, es que este modelo es ahora descrito como campos cuánticos distribuidos, y con los poderosos recursos racionales de las matemáticas que describen sus propiedades y leyes que rigen en esa realidad. Si bien el concepto moderno de materia desde la cuántica no está a nuestro alcance aquí, nuestro propósito de sesionar este contexto, es que el pensamiento racional y conocimientos emergentes están cambiando nuestra manera de ver a la materia.


Se sabe que la mayoría de la materia en el Universo existe como un plasma eléctrico de baja densidad: los sólidos, líquidos y gases son poco comunes lejos de los cuerpos planetarios. El principio cosmológico, por lo tanto, indica que uno puede razonablemente modelar el Universo como una nube de plasma isotrópica homogénea. Es decir, es una nube cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas. Esto es lo que crea a los estados de la materia:sólido, líquido, gaseoso y plasma.


SÓLIDOS. Se caracterizan por estar ocupando volúmenes definidos y sus formas varían sólo de manera ligera, cuando tienen lugar cambios en el entorno.


LÍQUIDOS. Presentan volúmenes definidos en el mismo sentido que los sólidos pero no tienen formas definidas, sino que toman la forma del recipiente que los contiene.


GASES.  No tienen volúmenes definidos ni formas determinadas. Se pueden expandir para llenar grandes contenedores  y se pueden comprimir para ocupar pequeños recipientes. En espacios abiertos se escapan y se disipan.


PLASMAS. Son parecidos a los gases pero sus partículas constituyentes están cargadas eléctricamente y su comportamiento, en consecuencia, depende fuertemente de las fuerzas electromagnéticas. Los plasmas no existen en condiciones normales en la superficie terrestre, pero afectan directamente nuestra vida. Un ejemplo importante de plasma es el viento solar, del cual estamos protegidos por el campo magnético terrestre y su magnetosfera.




[1] Hawking, S. (2010). Historia del tiempo. Del big bang a los agujeros negros. atlas.umss.edu.bo.

[2] Gagnon, P. (2018). Who Cares about Particle Physics?: Making Sense of the Higgs Boson, the Large Hadron Collider and CERN (Reprint ed.). Oxford University Press.

[3] Ball, P. (2018). Beyond Weird: Why Everything You Thought You Knew about Quantum Physics Is Different (First ed.). University of Chicago Press.

[4] Carroll, S. (2013). La partícula al final del universo: Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo (Spanish Edition)., 376.

[5] Cho, Adrian (2018) Metric system overhaul will dethrone the one, true kilogram. Science doi:10.1126/science.aav9749