¿De qué están hechas las cosas? III. La energía

 

En las entradas anteriores aprendiste que podemos distinguir dos tipos de contenido en el universo: materia y energía. Aprendiste también de qué está hecha la materia y cuáles son sus piezas –partículas- más fundamentales –te animo a que pares un momento de leer y trates de dibujar el esquema de contenido de la materia en un papel, poniendo las partículas fundamentales de la materia ordinaria y de la materia no ordinaria; si dudas en algo consulta la entrada anterior y si directamente no recuerdas nada, replantéate tu atención cuando lees y toma medidas-.

En esta entrada te contaré un poco sobre la energía. Para hacerlo sencillo, basta con que entiendas que cuando hablamos de energía estamos hablando de las interacciones que sufren los cuerpos. Por ejemplo, cuando sueltas un objeto éste comienza a caer –adquiriendo energía cinética- debido a la interacción gravitatoria entre el objeto y la Tierra. Seguramente, de tus clases de física conozcas muchos tipos de interacciones entre cuerpos: la interacción gravitatoria, la elástica, el rozamiento, la interacción normal entre una superficie y el objeto que descansa sobre ella, cualquier interacción o fuerza de empuje, la interacción eléctrica o de Coulomb…

Lo cierto es que si hacemos como hemos hecho hasta ahora y nos preguntamos por lo más fundamental encontramos que todas esas interacciones son el resultado de sólo cuatro interacciones fundamentales: la interacción gravitatoria, la interacción fuerte, la interacción débil y la interacción electromagnética. Así como la larga lista de elementos químicos se compone en realidad de electrones, quarks up y quarks down, la larga lista de interacciones que conoces se puede reducir exclusivamente a esas cuatro interacciones fundamentales. A nivel macroscópico parece que hay muchos tipos de interacciones –igual que parece que hay muchos tipos de elementos químicos-, pero en el nivel fundamental la lista se reduce a esas cuatro.

Lo que tienes que saber sobre estas cuatro interacciones fundamentales es lo siguiente: cada una de las interacciones fundamentales está asociada con una partícula fundamental, y la interacción entre dos partículas consiste en el intercambio de esta partícula fundamental. 

Veámoslo con un ejemplo: cuando dos partículas de la misma carga se repelen –interacción electromagnética- intercambian la partícula mediadora de la interacción electromagnética: el fotón. Puedes verlo en la figura 4.

Dos electrones -los dos de la izquierda del diagrama, etiquetados como - se acercan el uno al otro. Cuando están lo suficientemente cerca como para interaccionar electromagnéticametne, uno de ellos emite un fotón -etiquetado como -, que viaja hacia el otro y es absorbido por él. Al fotón no se le dibuja ninguna flecha porque puede ser emitido por cualquiera de los dos electrones. Este intercambio del fotón produce un cambio en la dirección de movimiento de los electrones, que ahora se alejan uno del otro -los dos electrones de la derecha-.

Puedes pensar en las partículas mediadoras como mensajeros, que llevan información como “acércate” o “aléjate” entre las dos partículas que interaccionan –las interacciones fundamentales pueden ser tanto atractivas como repulsivas-. La lista de partículas fundamentales de la entrada anterior se completa finalmente con los mediadores de estas cuatro interacciones:

· Interacción electromagnética: la interacción electromagnética ocurre entre partículas cargadas, y puede ser atractiva o repulsiva. Su mediador es el fotón, que es una partícula sin carga y sin masa.

·   Interacción fuerte: ocurre entre los quarks, por ejemplo entre los quarks up y down que forman los protones y los neutrones de los átomos. Su mediador es el gluón –llamado así porque mantiene pegados los quarks que forman el protón y el neutrón, en inglés, los mantiene “glued together”-. La interacción fuerte, como ves, es la responsable de mantener todas las partículas que forman los átomos unidas –y por tanto es imprescindible para que tú te mantengas “unido”-. El gluón, al igual que el fotón, no tiene masa ni carga.

· Interacción débil: pueden sufrirla tanto las partículas fundamentales de la materia ordinaria como las de la materia no ordinaria. Tiene tres mediadores, y los tres tienen masa: uno con carga positiva, llamado bosón , otro con carga negativa, el bosón ,  y uno neutro, el bosón .

·  Interacción gravitatoria: la sufren todas las partículas que tienen masa. A diferencia de las otras tres, su mediador ha sido propuesto pero no ha sido descubierto. Su nombre es el gravitón.

Con todo esto, ya tienes una idea clara y precisa –científica- del contenido completo del universo. Te dejo finalmente el esquema completo, que surge de añadir lo visto en esta entrada con lo que sabíamos de la anterior.

 

 

 

¿De qué están hechas las cosas? II. La materia no ordinaria.

 

A diferencia de la materia ordinaria, la materia no ordinaria se caracteriza porque sus partículas fundamentales no forman estructuras complejas (como átomos o moléculas) sino que se encuentran libres o en agrupaciones sencillas. Las partículas fundamentales de la materia no ordinaria son:

·       Muón y tauón: similares al electrón (carga -1), pero de mayor masa.

·       Neutrinos: partículas sin carga y con una masa muy pequeña que presentan muy poca interacción con las demás partículas -por eso son muy difíciles de detectar-. En una entrada anterior, Teresa os contó cómo Pauli postuló su existencia para resolver el problema del espectro de la desintegración β, y cómo no fueron detectadas hasta varios años después. Para que te hagas una idea de lo “pequeños” que son y lo poco que interaccionan, considera esto: algunos de los neutrinos que llegan a la tierra son emitidos por el sol; de noche, cuando la luz del sol irradia el hemisferio sur, los neutrinos atraviesan toda la tierra, atraviesan tu cuerpo mientras duermes y continúan su viaje, todo ello sin interaccionar con ninguna de las partículas de la tierra, del aire o de tu cuerpo. Con eso puedes imaginarte lo difícil que es atrapar uno –no sin motivo Pauli los denomino “partículas elusivas”-. Existen tres tipos de neutrinos: el electrónico, el muónico y el tauónico -llamados así porque siempre aparecen junto con el electrón, el muón y el tauón-.

·       Quarks: si has estado atento te habrás dado cuenta de que mencioné que en la materia ordinaria encontramos dos tipos de quarks, pero que en realidad hay más tipos. Existen hasta seis tipos de quarks, y los seis se encuentran en la materia no ordinaria –sí, los quarks up y down pueden encontrarse tanto en la materia ordinaria como en la materia no ordinaria-. Los nombres de los cuatro tipos restantes son –aunque no lo creas-: charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo).

·       Antipartículas: todas las partículas fundamentales que hemos mencionado (tanto en la materia ordinaria como en la materia no ordinaria), tienen su antipartícula. La antipartícula de una partícula es una partícula que comparte con ella algunas de sus propiedades (como la masa) pero tiene otras “opuestas” (como la carga). Por ejemplo, para el electrón existe un “antielectrón” –que llamamos simplemente positrón- que tiene la misma masa pero carga opuesta, es decir, +1. Cada quark tiene su antiquark, el muón tiene su antimuon, el tauón tiene su antitauón y los neutrinos tienen sus antineutrinos.

Ahora podemos actualizar el esquema del contenido del universo esquema de la figura 1 al de la figura 3.

.