¿Qué es la materia? Materia frente a masa, explicada

Al final de una conferencia sobre astronomía, en la que se describía cómo los planetas orbitan aproximadamente del Sol, una viejecita situada al fondo de la sala se levantó y dijo: “Todo lo que nos has contado es pura tontería. El mundo es en sinceridad una corteza plana”. de tierra sostenida sobre el dorso de una tortuga coloso.”

El conferenciante frunció el ceño y respondió: “Pero entonces, señora, ¿sobre qué está parada la tortuga?”

“Eres muy inteligente, pollo, muy inteligente”, dijo la anciana. “Pero no sirve de cero. ¡Son tortugas hasta debajo!”

Los jóvenes, y los jóvenes de corazón, hacen grandes preguntas. Pero a veces, las interminables preguntas encuentran respuestas mayores de las que nadie prórroga. ¿De qué está hecho ese árbol? Hojas y corteza, xilema y floema y cambium. ¿De qué están hechos esos? Células, moléculas, átomos de carbono. ¿Pero de qué está hecho un átomo? Qué es ¿Importa efectivamente?

La materia se define como aquello que 1) tiene masa y 2) tiene prominencia o ocupa espacio. La masa es una propiedad intrínseca cuya pelotón cojín en el SI es el kilo (kg). El prominencia es una propiedad extrínseca, es afirmar, una propiedad o característica que depende del tamaño de la muestra, que describe una región en el espacio tridimensional.

Sencillo, ¿verdad?

Hay muchas definiciones sutilmente diferentes pero igualmente correctas de materia y masa. Todo lo que está formado por átomos o moléculas tiene masa. Casi todo lo que encontramos en nuestra vida cotidiana se ajusta a esa definición, con la extraordinario excepción de la luz. (Más sobre esto en un momento). Pero, como es habitual en la ciencia, hay más en la historia.

Fuerzas y campos

En las escalas humanas de masa y distancia, la materia obedece las leyes del movimiento descritas por Sir Isaac Newton. La principal de ellas es la ley de inercia, en la que se basan todas las demás: un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento a velocidad constante mantendrá esa misma velocidad a menos que actúe sobre él una fuerza. (La resistor del flato debida a la fricción cuenta como una fuerza, razón por la cual las tareas y las preguntas de los exámenes que tratan de cinemática a menudo no la tienen en cuenta). El principio de reacción igual y opuesta es otra de las leyes del movimiento de Newton. Todavía lo es F = ma, que describe las fuerzas que actúan sobre un objeto con respecto a su masa y rapidez. Newton era matemático y físico, y aquellos que han tenido matemáticas avanzadas pueden rastrear F = ma como el ejemplo por excelencia de la regla de la esclavitud, fundamental para el sistema de cálculo diferencial de Newton. Está todo muy arreglado.

Sin bloqueo, a escalera subatómica la historia es muy diferente. A medida que las cosas se hacen más pequeñas, se vuelven más raro. La teoría del caos empieza a importar mucho. Desde la perspectiva del Maniquí Standard, la materia no es sólida en tajante; es un núcleo diminuto en un mar de espacio vano, y debajo de él, la materia es una onda en uno de los muchos campos de fuerza superpuestos que impregnan el espacio-tiempo. Las fuerzas, a su vez, surgen de interacciones con partículas portadoras de fuerzas evanescentes. Por ejemplo, en el maniquí estereotipado, los fotones son las partículas portadoras de fuerza del campo electromagnético. La materia, tal como la entendemos, obtiene su masa de interacciones con otro campo, cuyo portador de fuerza se vehemencia bosón de Higgs. (Anteriormente conocido como la 'partícula de Todopoderoso', en homenaje a los profundos secretos sobre el Universo que podía revelar, el bosón de Higgs fue descubierto por Peter Higgs y otros científicos del CERN en 2012 posteriormente de una búsqueda de 40 abriles. El descubrimiento inmortalizó a Higgs y obtuvo el Premio Nobel de Física de 2013).

Los fotones no tienen masa, por eso viajan al 100% de la velocidad de la luz. Actúan como partículas que pueden chocar y ondas que simplemente se cruzan. A pesar de no tener masa, los fotones se ven afectados por la formalidad. Los fotones igualmente tienen impulso: hexaedro que los fotones interactúan con los electrones, la luz por sí sola puede empujar físicamente la materia a través del espacio, un aberración llamado presión de radiación.

Conservación: no es sólo una buena idea, es la ley

Para la materia ordinaria, el impulso viene hexaedro por la fórmula P = mvdónde PAG es impulso, patrón es masa y v es la velocidad. Incluso pequeñas cantidades de materia pueden tener grandes cantidades de impulso si se mueve lo suficientemente rápido. Por ejemplo, en 1991, un exhalación cósmico de energía ultraalta, ahora conocido como partícula OMG, impactó en un detector en Utah con la energía cinética de una trola rápida de 63 mph. La mayoría de los rayos cósmicos son protones, y para activo tenido ese tipo de energía, un protón tendría que activo viajado a más de 0,9999999999 do.

El impulso es una de las pocas cosas en la naturaleza que tiene su propia ley de conservación. Las leyes de conservación identifican propiedades mensurables de un sistema físico que no cambian a medida que el sistema avanza en el tiempo. Las cantidades conservadas en física incluyen carga, momento directo y angular y masa-energía, la última de las cuales es la relación que Einstein expresó en su famosa ecuación E = mc².

Cuando las cargas opuestas se igualan, no se destruyen; en cambio, las partículas cargadas se mueven en dirección a una configuración de pequeño energía. De modo similar, la materia no se puede crear ni destruir. Pero conveniente a las simetrías subyacentes en el Universo, la materia poder ser transmutado en energía a través de un proceso llamado aniquilación.

Antimateria, la auténtica piedra filosofal

La teoría cuántica de campos sostiene que las partículas y las antipartículas son fluctuaciones iguales pero opuestas en el mismo campo de materia subyacente. De aquí surge la idea de antimateria. Según el maniquí estereotipado, para cada tipo de partícula que constituye la materia “ordinaria”, existe una antipartícula correspondiente igual en todos los aspectos excepto en tener la carga opuesta. Según estas reglas, por ejemplo, los protones tienen antipartículas llamadas antiprotones, y los electrones obtienen antielectrones, más comúnmente conocidos como positrones. (Los neutrones no tienen carga, por lo que los antineutrones siquiera tienen carga, pero tienen otras propiedades iguales y opuestas a nivel subatómico. Los fotones son su antipartícula).

La superposición de ondas sonoras en el mismo sitio puede interferir entre sí, creando extrañas zonas muertas donde el sonido parece desvanecerse, o lugares donde las ondas sonoras de repente transportan suficiente energía para romper vidrios o cálculos biliares. La abrogación activa de ruido funciona según el mismo principio de interferencia destructiva. Funciona igual con la luz. Pero la materia y la antimateria crean una interferencia mutua tan intolerable para la sinceridad que si dos antipartículas hermanas, como un electrón y un positrón, se encuentran en el mismo sitio, ambas formas de onda se desintegran en poco completamente diferente. Al mismo tiempo, las cargas de las antipartículas son iguales pero opuestas, por lo que se atraen entre sí. Por eso la antimateria debe estar contenida adentro de una “botella magnética”. La materia no puede contenerlo. Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, su masa se convierte en energía y se libera en forma de luz.

La simetría y las grandes preguntas

En el principio se creó el Universo. Esto ha enfadado mucho a mucha familia y ha sido ampliamente considerado como una mala valor. —Douglas Adams, El restaurante del fin del universo

Una de las preguntas más importantes en física es por qué existe poco. Esta no es una pregunta sobre si Todopoderoso creó el Universo; es una cuestión de simetría. En la cosmología moderna, el Universo surgió en el momento del Big Bang. En universal, los físicos suponen que el Universo tiene carga neutra; es afirmar, las sumas de todas sus cargas positivas y negativas son iguales, sumando cero. Del mismo modo, parece que debería deducirse que se habrían creado cantidades iguales de materia y antimateria. Pero si ese fuera el caso, todo habría sido aniquilado, dejando cero más que un titánico destello de luz. Entonces, ¿por qué el Universo está ahíto de materia? ¿Por qué queda poco en el Universo para intentar comprenderse a sí mismo? Esto ha provocado que los físicos gajo de consternación. Sin bloqueo, como dice el axioma, la aprieto es mamá de la invención.

Las cámaras de niebla y los haces de partículas son dos de las herramientas importantes utilizadas para asimilar sobre las interacciones entre partículas en el “zoológico de partículas” del Maniquí Standard. Los haces de partículas y los colisionadores como el CERN envían fotones y protones a toda velocidad a través del espacio y entre sí, rompiéndolos en pedazos y lanzando los pedazos en todas direcciones mientras las cámaras de niebla y las cámaras de burbujas siguen los caminos de los fragmentos. Esto informa los modelos matemáticos del Universo temprano que los cosmólogos utilizan para construir una novelística de los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang. Al mismo tiempo, observatorios como el Telescopio Espacial James Webb y la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson retroceden el temporalizador mientras miran cada vez más en dirección a el bóveda celeste noctámbulo. Toda esta tecnología ha respondido a muchas preguntas, pero a raíz de esas respuestas, se abren otras preguntas: por ejemplo, el problema de la materia oscura.

materia oscura

Los telescopios modernos permitieron a Edwin Hubble y sus contemporáneos descubrir que el Universo era mucho más espacioso y más antiguo de lo que nadie había imaginado. A través de un potente telescopio, las estrellas del bóveda celeste noctámbulo se transforman de puntos de luz a galaxias enteras con estructuras internas como barras y brazos espirales.

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El telescopio epónimo de Hubble. Crédito: NASA

Al alejarse para observar cúmulos enteros de galaxias, los astrónomos descubrieron que los cúmulos no contenían suficiente masa para evitar que se separaran. Al observar más de cerca las galaxias individuales, los astrónomos se dieron cuenta de que su movimiento era…desacertado. El exógeno de la galaxia giraba aproximadamente de su núcleo a un ritmo demasiado rápido para estar de acuerdo con la ley de formalidad de Newton. Tal velocidad sugería la presencia de algún tipo de invisible. poco que actuaba como masa inercial, haciendo que las extramuros de las galaxias giraran aproximadamente de sus núcleos con más impulso del que deberían poseer.

Estudios posteriores arrojaron desidia de respuesta tras desidia de respuesta. Ningún estudio o sonda ha enemigo todavía una muestra identificable de materia oscura. ¿Qué es? Nadie lo sabe. Y, sin bloqueo, aparece repetidamente en los datos, con una consistencia desalentadora. En cierto sentido, materia oscura es el nombre que damos al problema, tanto como lo es para un tipo de materia. ¿Qué partículas interactúan con la materia oscura? Básicamente ningún, lo que lleva a un apodo irónico para la materia oscura: partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP. (Los objetos masivos de resplandor compacto, o MACHO, son los otros principales contendientes por la verdadera identidad de la materia oscura. A los científicos les encantan sus juegos de palabras).

Si esto ofende su sentido de investigación razonada, está en buena compañía. Hartos del status quo, en sitio de despabilarse materia oscura a través de telescopios, ahora los científicos la buscan directamente. Tal vez sea arrogante creer que sabremos qué es la materia oscura, pero claro, tal vez no. Se cree que el 95% de la masa y energía total del Universo son materia oscura y energía oscura, respectivamente. A eso lo llamamos un entorno rico en objetivos.