Angel "Java" Lopez en Blog

Publicado el 7 de Enero, 2008, 11:11

Quisiera hoy detenerme en el concepto de materia, en sus fundamentos. Primero, discutamos que tomamos por material, en la vida común.

La mesa sobre la que escribo esto, es material. El aire es material. El piso es material. El arco iris, la sombra, no. Eso es lo que tomamos como material, en el sentido común.

A lo material, le asignamos materia. ¿qué cualidades le damos a la materia? Yo recordaría dos. Una, señalada por Descartes, como res extensa: la materia ocupa lugar. Pero además, la materia la consideramos impenetrable. Claro que puedo pasear por el medio del aire, pero en ese ejemplo y otros, pensamos que hay no hay interpenetración de materia.

Esos dos conceptos: ocupar lugar, ser impenetrable, son, veo, las dos cualidades principales, las claves, en nuestro concepto de materia, material. Uno podría decir que el concepto de cuerpo material descansa en esos dos conceptos.

Pero si vamos a estudiar los fundamentos de la materia, yo pediría más. Cuando estudiamos química, podemos valernos del concepto de valencia. Pero si vamos a los fundamentos, si nos interesamos y buscamos los fundamentos, tenemos que reemplazar ese concepto, que podríamos tomar como primario, y ponerlo como concepto que surge de otros, de las órbitas de los electrones.

Lo mismo pasa con materia. En las últimas décadas, ha surgido lo que se llama el Modelo Estándar.

Hoy manejamos modelos de electrón, fotón, quark, leptones, y demás. Recordemos que son modelos. Yo creo que hay "cosa en sí" por debajo de esos conceptos. Pero tal vez, dentro de unos años, veamos que son "cosas emergentes", consistentes en otras, en vez de ser simplemente el ladrillo fundamental que buscamos. Hasta el concepto de ladrillo fundamental puede ser discutido.

Pero en este post, tomemos ese modelo como la última frontera de los ladrillos que hemos encontrado. La discusión de si es realmente así, podemos retomarla en otro momento.

Bien, ¿y dónde queda la materia? Uno podría decir que el fotón es inmaterial, mientras que el electrón es material. Yo no aceptaría eso tan directamente, sin discusión.

En mi visión, el concepto de materia debe ser reemplazado a este nivel, por otros conceptos. Veamos.

Esas "cosas" (sean "en sí" o "consistentes" de otras, no sabemos), tienen propiedades. Una propiedad del electrón es la carga eléctrica. El fotón no la tiene. Una propiedad es la masa en reposo (en relatividad, donde la masa depende del sistema de referencia, la masa en reposo es la masa dentro del sistema de referencia donde el momento de lo que examinamos es cero). La masa en reposo del fotón es 0, por lo que sabemos. Tal vez esta propiedad es lo más cercana a "fotón es inmaterial". Pero creo que debemos abandonar esa frase.

Yo me inclino por:

- Todas esas "partículas" (para adoptar la metáfora del modelo estándar) tienen masa en reposo, algunos en 0

- Todas esas partículas tienen energía, de una u otra forma. La energía es una propiedad básica, y hasta la propiedad masa puede verse como equivalente de esta otra propiedad. Por supuesto, hay distintas energías, como cinética, potencial en un campo, supongo que eléctrica,... pero todo indica que son transformables unas en otras.

Entonces ¿dónde queda la materia? Podríamos cambiar esa pregunta por dos: ¿dónde queda ocupar lugar? ¿dónde queda ser impenetrable?

Bueno, veamos la última. En el modelo estándar, hay fermiones y bosones. Los primeros se caracterizan por tener funciones de onda antisimétricas. Es el tema más complejo de explicar ahora en un post, pero digamos que en el formuleo adoptado, que ha sido fructífero en las últimas décadas, cada partícula se puede representar por un ente matemático llamado función de onda. Si dos partículas tienen el mismo estado (las mismas propiedades) se describen por la misma función de onda. Si dos partículas están en el mismo estado cuántico, para el formuleo (comprobado con la realidad) son intercambiables. En el caso de los fotones, cuando un haz de fotones está en el mismo estado, se puede observar el fenómeno emergente de un láser. Al parecer, eso se puede hacer con cualquier bosón (el fotón es un bosón). Pero los fermiones (como el electrón) tienen otra conducta. Si dos fermiones a y a', tienen la misma función de onda A = A', se pueden intercambiar, aplicando una operador (técnicamente, un operador de rotación), que hace que A' pase a ser -A' (de ahí lo de antisimétrica, esa rotación cambia el signo de la función de onda). Como ahora a' es a, entonces se debe cumplir

A = A' como al principio

y

A = -A' (A' rotada)

y eso sólo se cumpliría para una función de onda 0 (cero).

De ahí se deduce el principio de exclusión de Pauli

http://en.wikipedia.org/wiki/Pauli_exclusion_principle

Dos fermiones no pueden estar en el mismo estado. Eso es lo que fundamenta que dos electrones, rotando en un átomo, no pueden estar en el mismo estado, ocupar el mismo orbital: nace como emergente la "impenetrabilidad" de la materia.

Veamos el tema de ocupar lugar. En parte, es consecuencia de lo que vimos: en el caso de los orbitales, cada electrón "ocupa" el suyo y no deja a otro estar en el mismo estado. De ahí, que a los fermiones se los asocie con lo que llamamos materia, y a los bosones con lo que llamamos radiación (aunque los piones, bosones, tienen masa en reposo). Pero ¿qué pasa con las partículas sueltas?

Algunos hablan de "radio del electrón". Seguimos con la metáfora de partícula, que debemos abandonar o tomar con pinzas (ya no podemos abandonar la palabra "partícula" que ha quedado incorporada en la difusión y literatura técnica, aunque creo que todos los que la manejan saben que es una metáfora). Yo no veo que haya radio de electrón.

Las partículas tienen interacciones. Y en esas interacciones, pueden cambiar la "dirección" (de nuevo la metáfora), y otras propiedades de sus compañeras de interacción. Lo que veo, es que nunca se mide un radio: se mide lo que se llama la "cross section":

http://en.wikipedia.org/wiki/Cross_section_%28physics%29

Resumiendo:

La materia no es fundamental. Lo que manejamos como materia en el mundo común, y por hábito, conveniencia, trasladamos al mundo de la física real, es en realidad un concepto emergente o consistente de otros: las cualidades de los fermiones, que obedecen la estadística de Fermi-Dirac en lugar de la de Bose-Einstein

Y no hay cuerpos con radio, hay interacciones y cross sections.

Nos leemos!

Angel "Java" Lopez
http://www.ajlopez.com/

Por ajlopez, en: Ciencia