¿Qué es la materia?

¿Qué es la materia? Imagen superior: Petras Gagilas, CC

Newton definió la materia como aquello que tiene masa. Y así lo sigue entendiendo el común de los mortales en la segunda mitad del siglo XXI, aunque no lo sepan. Y, como no lo saben, tampoco son conscientes de la circularidad del argumento: para Newton, y para el común de los mortales, la masa es la “cantidad de materia” que posee un cuerpo.

Es decir, que sin masa no hay materia. Y, sin materia, no hay masa. En su Óptica (1704), Newton profundiza en lo que intuye que es la naturaleza última de la materia: una partícula con masa fija, tan sólida e impenetrable, entre otras cualidades, que resulta indivisible.

En sus Principia Mathematica (1687), el padre de la física clásica formuló tres leyes del movimiento, pero lo que interesa aquí es que, para que estas leyes tengan razón de ser, era necesaria una ley previa que, por básica, Newton la consideró la propiedad fundamental de la materia: esta ley subyacente dice que la masa se conserva, esto es, que no se crea ni se destruye.

La conservación de la masa, por aquello del argumento circular, es entonces la conservación de la materia. Este principio, según explica Frank Wilczek en The Lightness of Being: Mass, Ether and the Unification of Forces, que es de donde este artículo y quien lo escribe se están montando el lío mental, no es una ley propiamente dicha, sino una “verdad necesaria”, una definición primera sobre la que poder construir una estrategia.

La forma más fácil de medir la masa es utilizar escalas, así que el principio de conservación de la masa se puede resumir en que un sistema cerrado siempre estirará, o comprimirá, un muelle en una misma longitud. El problema de las escalas es que sólo sirven dentro de un mismo marco de referencia; en nuestro caso, la Tierra.

Otra forma de medir la masa es comparar entre sí el movimiento de dos cuerpos. Entonces, podemos pensar que, efectivamente, la masa no es una cualidad de la materia, sino un modo de establecer relaciones. Exactamente igual que les ocurría a los ingenieros-científicos del siglo XIX que trataron de acordar una definición convencional de la energía, sin que hasta día de hoy se haya avanzado demasiado en su esencia.

Décadas después se sabría que esas semejanzas en los estudios sobre masa, por un lado, y la energía por otro, tienen su razón de ser en la famosa ecuación de Einstein que permitió abrir el debate sobre la equivalencia entre masa y energía: m=E/c2.

Si se considera, volviendo a Newton, que el principio de conservación de la materia es cierto, entonces no hay lugar para la pregunta por su origen, pues no puede haber un origen no material de la materia: siempre ha estado ahí o ha sido creada por un principio divino, como creía Newton.

Este principio de conservación de la materia es la base de la mecánica clásica, y, sin embargo, tiene lagunas importantes. A día de hoy, se salva porque se lo considera “parcialmente” válido en términos de realidad y “completamente” válido en términos de física clásica, es decir, en cuestiones técnicas –que no epistemológicas— para andar por casa. En definitiva, la mente humana se ha inventado un sistema cerrado, el mundo clásico, que valida el principio de conservación, al tiempo que se subestima el hecho de que, en la realidad, no existen los sistemas cerrados, como han demostrado los aceleradores de partículas.

El 99% de la masa de un átomo se concentra en su núcleo, por lo que los científicos entendieron, a partir de la década de 1930, que buscar el origen de la materia consistía en comprender el funcionamiento de protones y neutrones.

Cuando se dispara un protón contra otro, su choque produce otras partículas más pequeñas que son muy inestables, por lo que no se las encuentra de forma espontánea en la naturaleza. A estas partículas se las denomina hadrones. Sin embargo, hay algo extraño aquí: del choque entre dos protones se desprenden hadrones, bloques más pequeños y ligeros en su masa, y esto es lógico; el problema es que, además, aparecen más protones.

O sea, que, tras hacer chocar dos protones, nos podemos encontrar con tres protones, un antineutrón y un puñado de mesones. Y, claro está, la masa final es mayor que la masa inicial. Es la pesadilla de la Hidra: córtale la cabeza al monstruo y aparecerán dos cabezas más.

La variada colección de hadrones y sus extraños comportamientos se explicarían en los años 70 al descubrirse que existen unos elementos más básicos de la materia: los quarks.

Según el modelo estándar, hay dos tipos de partículas indivisibles, por tanto la esencia última de la materia: quarks y leptones. El leptón más famoso es el electrón. En cuanto a los quarks, hay seis tipos de cuyos nombres arbitrarios no merece la pena acordarse en este lugar, pero cuyas combinaciones generan todas las partículas conocidas.

Las partículas con masas diferentes se explican porque sus quarks están en diferentes estados cuánticos; lo que es lo mismo pero dicho en términos consuetudinarios, emiten diferentes patrones de energía. Y que emitan diferentes patrones de energía significa, sencillamente, que la manera en que se mueven los quarks dentro de los hadrones es diferente para cada uno de ellos.

Ahora bien, los quarks no existen como partículas individuales, es decir, no se pueden aislar unos de otros. Y hay otra cosa, una segunda cualidad relacionada con la anterior: cuando están unidos, que es su única manera de estar, los quarks no interaccionan entre sí.

La razón de todo ello está en el intercambio de gluones entre quarks, las partículas que hacen posible la interacción nuclear débil, cuya fuerza aumenta con la distancia, de modo que, cuanto más se aleja un quark de otro, mayor es el poder de atracción entre ambos; y, cuanto más se acercan, menor intercambio de gluones hay.

Según el modelo estándar, quarks y leptones son indivisibles, es decir, no se trata de una capa más en el acto de ir desvelando los componentes de la materia, tras la cual aparecerá otra nueva capa de componentes más simples, sino que, según afirman, estamos ante elementos matemáticamente completos y perfectos, sus cualidades pueden ser descritas recurriendo únicamente a conceptos, sin necesidad de pruebas experimentales y mediciones.

A pesar de ello, los científicos comienzan a tomarse en serio una posible estructura interna de quarks y leptones. El candidato a ladrillo-más-básico-todavía se llama preón, y el primer modelo ya fue propuesto por Haim Harari y A. Shupe en 1981. Según explica Don Lincoln, investigador del Fermilab, en un artículo para la revista Investigación y Ciencia:

"Hasta ahora nos hemos limitado a hacer lo que podríamos llamar numerología de quarks y leptones; un juego similar a ajustar reacciones químicas o ecuaciones matemáticas. Sin embargo, un modelo de preones debería explicar las propiedades de las partículas a partir de unos pocos ladrillos elementales y unas pocas reglas. Buscamos un orden subyacente que nos permita unificar un conjunto de partículas en apariencia distintas, no una colección de definiciones ad hoc con reglas específicas para cada caso."

Pero, si la existencia de preones fuese cierta, estos han de estar ligados entre sí para formar diferentes quarks, lo que implica la existencia de otra fuerza de la naturaleza –las cuatro conocidas son la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil— que también está por descubrir. Y, entonces, la masa de las partículas no se explicaría por los estados cuánticos de los quarks, sino que dependería de alguna cualidad de los preones.

Algo así tiene sentido, según explica Lincoln, porque la interacción de los quarks con el campo de Higgs explica la existencia de la masa, pero no permite predecir sus valores, exigiendo otro nivel más elemental.

Y es que, como ya se sabe con certeza, la masa no es una cualidad de las partículas, sino el efecto de una interacción entre partículas. De momento, a falta de preones, esa interacción se explica en el nivel de quarks y leptones interactuando con los bosones de Higgs. Si existiera un nivel más elemental, el mecanismo del campo de Higgs podría, quizás, comprenderse mejor.

Entonces, ¿qué es la masa? Con el descubrimiento del bosón de Higgs, se ha confirmado que no es una cualidad de las partículas –¿qué es una partícula?—, sino el resultado de la interacción de la materia. Y, entonces, ¿qué es la materia? Al menos, ya se ha superado, aunque los libros de texto y otros muchos no se den por enterados, la argumentación circular: ya no vale afirmar que la materia es todo aquello que tiene masa; para empezar, porque existe el concepto de materia no másica.

La búsqueda exige descender a nuevos niveles de realidad cuyos umbrales apenas han cruzado los físicos teóricos. Así, por ejemplo, la teoría de cuerdas afirma que los constituyentes últimos de la materia son “cuerdas vibrantes” cuyas diferentes frecuencias generan las diferentes partículas del modelo estándar. Su tamaño es tan ínfimo que, en la escala de partículas elementales, estarían muy por debajo de los preones, si es que existen, e incluso de posibles subpreones y sub-subpreones.

Hay quienes, por otro lado, hablan, cada vez más alto, de la materia como “trenzas” de espacio-tiempo, o alteraciones del campo cuántico, o de cualquier otra concepción en que la materia deja de ser una entidad y se convierte en una cualidad, o en una manifestación, del espacio-tiempo; en cualquier caso, en la simple manera en que se percibe el movimiento.

Precisamente, el movimiento es lo que explica la solidez de la materia. Una partícula se concibe como impenetrable porque su longitud de onda –la dualidad partícula-onda está para algo— es proporcional al volumen que ocupa en el espacio-tiempo: a menor volumen, menor longitud de onda. O, lo que es lo mismo, a menor volumen, mayor frecuencia, o, lo que también es lo mismo, más energía. Para atravesar esa región, el cuerpo que lo intente tiene que ser de una frecuencia más alta que aquel al que intenta vencer; de lo contrario, se topará con una barrera que no podrá franquear.

Una partícula, entonces, no sería más que la manera en que vibra una región muy concreta del espacio-tiempo, y su desplazamiento se entendería como una alteración sucesiva del tejido espacio-temporal, como hace una ola que atraviesa el mar, elevando temporalmente las moléculas de agua sin provocar su desplazamiento real. Pero esto ya son, por supuesto, especulaciones.

Con todo, la pregunta sobre la materia ha de seguir su curso natural hacia derroteros cada vez más confusos para el sentido común pero reveladores para la pregunta por el Ser. Conforme se profundiza en los asuntos de lo real, la ciencia pareciera alejarse de los pensamientos materialistas y aproximarse a ámbitos más idealistas, dejando al descubierto las falacias de nuestro tiempo. ¿Qué es el espacio-tiempo? ¿Qué es el movimiento?, ¿acaso hay algo que se mueva o es todo un simple juego mental? ¿Qué es la mente?

"Ahora, espacio, tiempo, materia, energía, luz, electricidad, inercia, gravitación, no son más que nombres diversos de una misma homogénea actividad. Todas las ciencias se reducen a la física, y la física se puede ahora reducir a una sola fórmula. Esta fórmula, traducida al lenguaje vulgar, diría poco más o menos así: «Algo se mueve.» Estas tres palabras son la síntesis última del pensamiento humano." (Giovanni Papini, Gog)

Copyright del artículo © Rafael García del Valle. Reservados todos los derechos.

Rafael García del Valle

Rafael García del Valle es licenciado en Filología Hispánica por la Universidad de Salamanca. En sus artículos, publicados principalmente en su blog Erraticario, nos ofrece el resultado de una tarea apasionante: investigar, al amparo de la literatura científica, los misterios de la inteligencia y del universo.

Esa labor de investigación le lleva a conocer y comprender el desarrollo de la Tercera Cultura, que establece puentes entre las ciencias y las humanidades.

García del Valle escribe alternando el rigor de un científico y la curiosidad de un viajero –tras varios años de trabajo en Irlanda e Inglaterra, regresó a España, donde sobrevivió como cocinero durante algunos años–. Sin embargo, por encima de todo, el suyo es el punto de vista de un divulgador.

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