Antimateria
 | Problema sin resolver en la física :
Asimetría bariónica . ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo observable?
(más problemas sin resolver en física) |
La antimateria es una materia que está compuesta por las antipartículasde aquellas que constituyen materia ordinaria. Si una partícula y su antipartícula entran en contacto entre sí, las dos se aniquilan ; es decir, ambos pueden ser convertidos en otras partículas con la misma energíade acuerdo con Einstein ecuación 's E = mc 2 . Estas nuevas partículas pueden ser fotones de alta energía ( rayos gamma ) u otros pares de partículas y antipartículas. Las partículas resultantes están dotadas de una cantidad de energía cinética igual a la diferencia entre la masa en reposode los productos de la aniquilación y la masa restante del par de partículas-antipartículas original, que a menudo es bastante grande. Dependiendo de la definición de "materia" que se adopte, se puede decir que la antimateria es una subclase particular de materia, o lo contrario de la materia.
La antimateria no se encuentra naturalmente en la Tierra, excepto muy brevemente y en cantidades cada vez más pequeñas (como resultado de la desintegración radioactiva , los rayos o los rayos cósmicos ). Esto se debe a que la antimateria que llegó a existir en la Tierra fuera de los confines de un laboratorio de física adecuado casi instantáneamente se encontraría con la materia ordinaria de la que está hecha la Tierra y se aniquilará. Las antipartículas y alguna antimateria estable (como el antihidrógeno ) se pueden producir en pequeñas cantidades, pero no en cantidad suficiente para hacer algo más que probar algunas de sus propiedades teóricas.
Existe una gran especulación tanto en la ciencia como en la ciencia ficción de por qué el universo observable es aparentemente casi totalmente materia (en el sentido de los quarks y los leptones pero no los antiquarks o los antileptonos), y si otros lugares son casi totalmente antimateria (antiquarks y antileptons) . En el universo temprano, se piensa que la materia y la antimateria estaban representadas por igual, y la desaparición de la antimateria requiere una asimetría en las leyes físicas denominada violación de simetría CP (paridad de carga) , que se puede obtener del Modelo estándar, [46] pero En este momento, la aparente asimetría de la materia y la antimateria en el universo visible es uno de los grandes.Problemas no resueltos en la física . Los posibles procesos por los cuales se produjo se exploran con más detalle en la bariogénesis .
Formalmente, las partículas de antimateria se pueden definir por su número de barión negativo o su número de leptones , mientras que las partículas de materia "normal" (sin antimateria) tienen un número de bariones o leptones positivo. [47] Estas dos clases de partículas son las parejas antipartículas una de la otra.
En octubre de 2017, los científicos reportaron evidencia adicional de que la materia y la antimateria , igualmente producidas en el Big Bang , son idénticas, deberían aniquilarse completamente entre sí y, como resultado, el universo no debería existir. [48] [49] Esto implica que debe haber algo, todavía desconocido para los científicos, que haya detenido la destrucción mutua completa de la materia y la antimateria en el universo en formación temprana, o que haya provocado un desequilibrio entre las dos formas.
Conservación de la materia
Dos cantidades que pueden definir una cantidad de materia en el sentido quark-lepton (y antimateria en un sentido antiquark-antilepton), número de barión y número de lepton , se conservan en el Modelo Estándar. Un barióncomo el protón o neutrón tiene un número de barión de uno, y un quark, porque hay tres en un barión, se le da un número de barión de 1/3. Entonces, la cantidad neta de materia, medida por el número de quarks (menos el número de antiquarks, cada uno de los cuales tiene un número de baryon de −1/3), que es proporcional al número de baryon, y el número de leptones (menos antileptons), Lo que se llama el número de lepton, es prácticamente imposible de cambiar en cualquier proceso. Incluso en una bomba nuclear, ninguno de los bariones (protones y neutrones de los que se componen los núcleos atómicos) se destruye; después de la reacción hay tantos bariones como antes, por lo que ninguna de estas partículas de materia es realmente destruida y ninguna se convierte. A partículas no materiales (como fotones de luz o radiación). En cambio, nuclear (y quizásSe libera energía de unión cromodinámica) , ya que estos bariones se unen a núcleos de tamaño medio que tienen menos energía (y, de manera equivalente , menos masa) por nucleón en comparación con los núcleos originales pequeños (hidrógeno) y grandes (plutonio, etc.). Incluso en la aniquilación de electrón-positrón , no hay materia neta que se destruya, porque hubo cero materia neta (número total de leptones cero y número de bariones) con la cual comenzar antes de la aniquilación: un leptón menos un antilepton equivale a un número neto de leptones netos, y esto La cantidad del importe neto no cambia, ya que simplemente permanece en cero después de la aniquilación. [50]Así que la única manera de realmente "destruir" o "convertir" la materia ordinaria es para sincronizarlo con la misma cantidad de antimateria para que su "matterness" se cancela fuera pero en la práctica casi no hay antimateria generalmente disponibles en el universo (ver barión asimetría y leptogénesis ) con la que hacerlo.
Otros tipos
La materia ordinaria, en la definición de quarks y leptones, constituye aproximadamente el 4% de la energía del universo observable . La energía restante se teoriza para ser debida a formas exóticas, de las cuales el 23% es materia oscura [52] [53]y el 73% es energía oscura . [54] [55]
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Materia oscura
En astrofísica y cosmología , la materia oscura es una materia de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente, pero cuya presencia se puede inferir de los efectos gravitatorios en la materia visible. [59] [60] La evidencia observacional del universo temprano y la teoría del Big Bangrequiere que esta materia tenga energía y masa, pero no está compuesta por bariones comunes (protones y neutrones). La opinión comúnmente aceptada es que la mayor parte de la materia oscura es de naturaleza no barónica . [59] Como tal, está compuesto de partículas aún no observadas en el laboratorio. Quizás sean partículas supersimétricas., [61] que no son partículas del Modelo estándar , pero las reliquias se formaron a energías muy altas en la fase temprana del universo y aún flotan alrededor. [59]
Energía oscura
En cosmología , la energía oscura es el nombre que se le da a la fuente de la influencia repelente que está acelerando la velocidad de expansión del universo . Su naturaleza precisa es actualmente un misterio, aunque sus efectos se pueden modelar razonablemente asignando propiedades similares a la materia, como la densidad de energía y la presión, al vacíomismo. [62] [63]
Materia exotica
La materia exótica es un concepto de la física de partículas , que puede incluir materia oscura y energía oscura, pero incluye cualquier material hipotético que viole una o más de las propiedades de las formas conocidas de la materia. Algunos de estos materiales pueden poseer propiedades hipotéticas como la masa negativa .
Desarrollo historico
Antigüedad (c. 900 aC – c. 322 aC)
Los practicantes de la antigua religión india llamada jainismo fueron los primeros en estudiar, clasificar y discutir la naturaleza y las propiedades del pudgala (palabra sánscrita para "objetos materiales") entre 900 BCE-600 BCE. Los tirthankaras jainistas como Parshwanatha y Mahavira afirmaron ese universo compuesto de jiva (vivir) y ajiva (no vivo). La ajiva se compone de materia o pudgala , de forma definida o indefinida que está formada por pequeñas partículas incontables llamadas permanu . Permanu ocupa espacio-punto y cada permanu.Tiene color, olor, sabor y textura definidos. Infinitas variedades de permanu se unen y forman pudgala . Los jainistas también consideraban el sonido, la luz y la oscuridad como materia. Jains rechazó la oscuridad como una mera negación de la luz. [64]
En Europa , los presocráticos especularon la naturaleza subyacente del mundo visible. Thales (c. 624 aC - c. 546 aC) consideraba el agua como el material fundamental del mundo. Anaximandro (c. 610 aC – c. 546 aC) postuló que el material básico carecía totalmente de carácter o era ilimitado: el Infinito ( apeiron ). Los anaximenos(florecieron 585 aC, d. 528 aC) postularon que las cosas básicas eran pneuma o aire. Heráclito (c. 535-c. 475 aC) parece decir que el elemento básico es el fuego, aunque tal vez signifique que todo es cambio. Empedocles(c. 490-430 aC) habló de cuatro elementosde lo cual todo fue hecho: tierra, agua, aire y fuego. [65] Mientras tanto, Parménides argumentó que el cambio no existe, y Demócrito argumentó que todo está compuesto de cuerpos minúsculos e inertes de todas las formas llamadas átomos, una filosofía llamada atomismo . Todas estas nociones tenían profundos problemas filosóficos. [66]
Aristóteles (384–322 aC) fue el primero en poner la concepción sobre una base filosófica sólida, lo que hizo en su filosofía natural, especialmente en el libro de Física I. [67] Adoptó como supuestos razonables los cuatro elementos empedocleanos , pero agregó un Quinto, éter . Sin embargo, estos elementos no son básicos en la mente de Aristóteles. Más bien, como todo lo demás en el mundo visible, están compuestos de los principiosbásicos materia y forma.
La palabra que Aristóteles usa para la materia, ὕλη ( hyle o hule ) , puede traducirse literalmente como madera o madera, es decir, "materia prima" para la construcción. [68] De hecho, la concepción de Aristóteles de la materia está intrínsecamente vinculada a algo que se hace o se compone. En otras palabras, en contraste con la concepción moderna y primitiva de la materia como una simple ocupación del espacio, la materia para Aristóteles está ligada a un proceso o 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 misma; la hierba como tal no persiste en el caballo, pero sí lo hace algún aspecto de ella, su materia. La materia no se describe específicamente (por ejemplo, como átomos), pero consiste en lo que persiste en el cambio de sustancia de la hierba al caballo. La materia en este entendimiento no existe independientemente (es decir, como sustancia ), sino que existe de manera interdependiente (es decir, como un "principio") con la forma y solo en la medida en que subyace al cambio. Puede ser útil concebir la relación de la materia y la forma como muy similar a la que existe entre las partes y el todo. Para Aristóteles, la materia como tal solo puede recibir la actualidad de la forma; no tiene actividad o actualidad en sí misma, similar a la forma en que las partes como tales solo tienen su existencia en un todo (de lo contrario, serían integrales independientes).
Siglos diecisiete y dieciocho
René Descartes (1596–1650) originó la concepción moderna de la materia. Era principalmente un geómetro. En lugar de, como Aristóteles, deducir la existencia de la materia de la realidad física del cambio, Descartes postula arbitrariamente que la materia es una sustancia abstracta y matemática que ocupa el espacio:
Para Descartes, la materia solo tiene la propiedad de la extensión, por lo que su única actividad aparte de la locomoción es excluir a otros cuerpos: [70] esta es la filosofía mecánica . Descartes hace una distinción absoluta entre la mente, que define como sustancia pensante no extendida, y la materia, que define como sustancia extendida e irreflexiva. [71] Son cosas independientes. En contraste, Aristóteles define la materia y el principio formal / formador como principios complementarios que juntos componen una cosa independiente ( sustancia ). En resumen, Aristóteles define la materia (en términos generales) como de qué están hechas realmente las cosas (con un potencial existencia independiente), pero Descartes eleva la materia a una cosa independiente real en sí misma.
La continuidad y la diferencia entre las concepciones de Descartes y Aristóteles es digna de mención. En ambas concepciones, la materia es pasiva o inerte. En las respectivas concepciones la materia tiene diferentes relaciones con la inteligencia. Para Aristóteles, la materia y la inteligencia (forma) existen juntas en una relación interdependiente, mientras que para Descartes, la materia y la inteligencia (mente) son sustancias opuestas de manera independiente e independientes . [72]
La justificación de Descartes para restringir las cualidades inherentes de la materia a la extensión es su permanencia, pero su criterio real no es la permanencia (que se aplica igualmente al color y la resistencia), sino su deseo de usar la geometría para explicar todas las propiedades del material. [73] 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. [74]
Isaac Newton (1643–1727) heredó la concepción mecánica de la materia de Descartes. En el tercero de sus "Reglas de razonamiento en filosofía", Newton enumera las cualidades universales de la materia como "extensión, dureza, impenetrabilidad, movilidad e inercia". [75] De manera similar, en Óptica , conjetura que Dios creó la materia como "partículas sólidas, macizas, duras, impenetrables y móviles", que eran "... incluso muy difíciles de no usar o romper en pedazos". [76] Las propiedades "primarias" de la materia eran susceptibles de descripción matemática, a diferencia de las cualidades "secundarias" como el color o el sabor. Como Descartes, Newton rechazó la naturaleza esencial de las cualidades secundarias. [77]
Newton desarrolló la noción de materia de Descartes al restaurar las propiedades intrínsecas de la materia además de la extensión (al menos de forma limitada), como la masa. El uso de la fuerza gravitacional de Newton, que funcionó "a distancia", repudió efectivamente la mecánica de Descartes, en la que las interacciones se producían exclusivamente por contacto. [78]
Aunque la gravedad de Newton parece ser un poder de los cuerpos, el mismo Newton no admitió que fuera una propiedad esencial de la materia. Adelantando la lógica de manera más consistente, Joseph Priestley (1733–1804) argumentó que las propiedades corporales trascienden la mecánica de contacto: las propiedades químicas requieren la capacidad de atracción. [78] Argumentó que la materia tiene otros poderes inherentes además de las llamadas cualidades primarias de Descartes, et al. [79]
Siglos XIX y XX.
Desde la época de Priestley, ha habido una expansión masiva en el conocimiento de los constituyentes del mundo material (es decir, moléculas, átomos, partículas subatómicas), pero no ha habido ningún desarrollo adicional en la definición de materia. Más bien, la pregunta se ha dejado de lado. Noam Chomsky (nacido en 1928) resume la situación que ha prevalecido desde entonces:
De modo que la materia es lo que sea que estudie la física y el objeto de estudio de la física es la materia: no existe una definición general independiente de la materia, aparte de su adaptación a la metodología de medición y experimentación controlada. En resumen, los límites entre lo que constituye materia y todo lo demás siguen siendo tan vagos como el problema de demarcación de delimitar la ciencia de todo lo demás. [80]
En el siglo XIX, siguiendo el desarrollo de la tabla periódica y de la teoría atómica , los átomos fueron vistos como los constituyentes fundamentales de la materia; Los átomos formaban moléculas y compuestos . [81]
La definición común en términos de ocupar espacio y tener masa está en contraste con la mayoría de las definiciones físicas y químicas de la materia, que se basan en su estructura y en atributos no necesariamente relacionados con el volumen y la masa. A comienzos del siglo XIX, el conocimiento de la materia comenzó una rápida evolución.
Aspectos de la visión newtoniana todavía dominaban. James Clerk Maxwell discutió la materia en su trabajo Matter and Motion . [82] Separa con cuidado 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 imagen newtoniana no fue toda la historia. En el siglo XIX, un grupo de científicos y filósofos debatió activamente el término "materia", y se puede encontrar un breve resumen en Levere. [83] [ se necesita explicación adicional ] Una discusión en un libro de texto de 1870 sugiere que la materia es lo que está formado por átomos: [84]
En lugar de simplemente tener los atributos de masa y espacio de ocupación, se sostuvo que la materia tenía propiedades químicas y eléctricas. En 1909, el famoso físico JJ Thomson (1856–1940) escribió sobre la "constitución de la materia" y se preocupó por la posible conexión entre la materia y la carga eléctrica. [85]
Existe una literatura completa sobre la "estructura de la materia", que va desde la "estructura eléctrica" a principios del siglo 20, [86] a la más reciente "estructura de la materia de quarks", presentada hoy con la observación: Comprensión de la estructura de los quarks. La materia ha sido uno de los avances más importantes en la física contemporánea. [87] [ se necesita explicación adicional ] A este respecto, los físicos hablan de campos de materia , y hablan de partículas como "excitaciones cuánticas de un modo del campo de materia". [8] [9] Y aquí hay una cita de de Sabbata y Gasperini: "Con la palabra" materia "denotamos, en este contexto, las fuentes de las interacciones,(como los quarks y los leptones ), que se cree que son los componentes fundamentales de la materia, o campos escalares , como las partículas de Higgs , que se utilizan para introducir la masa en una teoría gauge (y que, sin embargo, podrían estar compuestas de fermión más fundamental) campos). " [88] [ se necesita más explicación ]
A finales del siglo XIX, con el descubrimiento del electrón , ya principios del siglo XX, con el descubrimiento del núcleo atómico y el nacimiento de la física de partículas , la materia se veía como compuesta de electrones, protones y neutrones que interactúan para formar átomos. . Hoy, sabemos que incluso los protones y los neutrones no son indivisibles, se pueden dividir en quarks , mientras que los electrones son parte de una familia de partículas llamadas leptones . Tanto los quarks como los leptones son partículas elementales , y actualmente son vistos como los constituyentes fundamentales de la materia. [89]
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 se puede explicar a nivel cuántico; Sólo se describe en la física clásica (ver gravedad cuántica y gravitón ). [90] Lasinteracciones entre los quarks y los leptones son el resultado de un intercambio de partículas portadoras de fuerza (como los fotones).) Entre los quarks y los leptones. [91] Las partículas portadoras de fuerza no son en sí mismas bloques de construcción. Como consecuencia, la masa y la energía (que no se pueden crear o destruir) no siempre pueden relacionarse con la materia (que se puede crear a partir de partículas no materiales, como los fotones, o incluso a partir de la energía pura, como la energía cinética). Los portadores de fuerza generalmente no se consideran materia: los portadores de la fuerza eléctrica (fotones) poseen energía (ver relación de Planck ) y los portadores de la fuerza débil ( bosones W y Z ) son masivos, pero ninguno de los dos se considera materia tampoco. [92] Sin embargo, si bien estas partículas no se consideran materia, sí contribuyen a la masa total de los átomos, las partículas subatómicas., y todos los sistemas que los contengan.
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