Antimatter de Frank Close que explora el fascinante mundo de la antimateria, una forma de materia que tiene propiedades idénticas pero opuestas a la materia ordinaria que encontramos en nuestra vida cotidiana.
La idea principal del libro es proporcionar a los lectores una comprensión de lo que es la antimateria, cómo se descubrió y qué papel juega en el universo. También explora las implicaciones de la antimateria en la física moderna y su potencial para la tecnología y la medicina.
A pesar de haber sido publicado en 2010, Antimatter de Frank Close sigue siendo un libro relevante y significativo para aquellos interesados en la física y la ciencia, por varias razones:
- La antimateria sigue siendo un tema fascinante y enigmático en la física moderna, y el libro ofrece una visión general excelente de su historia, propiedades y aplicaciones.
- Aunque han pasado más de una década desde su publicación, el libro todavía proporciona una introducción sólida a la antimateria y sus implicaciones para la ciencia y la tecnología.
- El autor, Frank Close, es un físico de partículas y un comunicador científico respetado, y su experiencia y conocimiento se reflejan en la calidad y precisión de la información presentada en el libro.
- Para aquellos que estén interesados en aprender más sobre la antimateria, Antimatter proporciona una base sólida para comprender las investigaciones y desarrollos más recientes en el campo.
Principales ideas de Antimatter de Frank Close
- La antimateria es la imagen especular de la materia normal.
- Después de que Dirac teorizara sobre los positrones, otros científicos los encontraron.
- El mundo subatómico es mucho más diverso de lo que parece.
- Nuestra comprensión de la antimateria se basa en tecnologías avanzadas.
- La ciencia todavía está aprendiendo por qué la materia prevalece más que la antimateria.
- Los usos prácticos de la antimateria aún están fuera de su alcance.
La antimateria es la imagen especular de la materia normal.
30 de junio de 1908. Lejano al este de Moscú, en lo profundo de la remota región de Siberia, sucede algo sorprendente. De la nada, un boom trascendental. Una explosión tan poderosa que es visible a 700 kilómetros de distancia. Un calor tan intenso que derrite los cubiertos a 60 kilómetros de distancia.
Este es el Evento de Tunguska. Esta explosión masiva y misteriosa libera una explosión de energía comparable a una detonación nuclear o al impacto de un meteorito. Sin embargo, en ese momento, faltan décadas para que se produzcan las bombas atómicas y nunca se ha encontrado ningún meteorito en el lugar. ¿Qué causó entonces esta catástrofe?
Una posibilidad es la antimateria. Cuando esta misteriosa y esquiva sustancia entra en contacto con la materia cotidiana, libera energía a escala cósmica. Sólo un kilogramo podría iniciar una reacción 100 veces más poderosa que la fusión nuclear. Parece ciencia ficción, pero es muy, muy real.
Entonces, ¿qué es la antimateria? Para responder a esta pregunta, lo mejor es empezar con materia normal. La materia normal está formada por pequeñas partículas llamadas átomos. Estos átomos están formados por partículas cargadas eléctricamente aún más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. En el centro de cada átomo se encuentran los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, que tienen carga neutra. Orbitando el centro están los electrones, que tienen una carga negativa. Un átomo simple como el hidrógeno tiene un único protón positivo en su centro y un único electrón negativo que lo orbita.
En pocas palabras, la antimateria tiene exactamente la misma estructura, pero está invertida. Un átomo de antihidrógeno es una imagen especular de un átomo de hidrógeno normal. Tiene un único protón, o antiprotón, cargado negativamente en su centro, y un electrón cargado positivamente, llamado positrón, que lo orbita.
La materia y la antimateria se necesitan mutuamente para existir, a pesar de ser opuestas. ¿Por qué? Bueno, la teoría de la relatividad de Einstein explica que todas las formas de materia son esencialmente energía atrapada en una forma física, por lo que un electrón es energía pura destilada en una partícula. Pero la energía misma es neutral; Si bien puede cambiar de forma, no se puede crear ni destruir. Entonces, cuando se congela en un electrón cargado negativamente, también debe producir lo inverso: un protón cargado positivamente.
Es un poco como cavar un hoyo: para profundizar más en el suelo, siempre debes amontonar un montículo de tierra igual pero opuesto. Sin embargo, si alguna vez la materia y la antimateria entran en contacto, se eliminan entre sí. Y esta eliminación libera la enorme cantidad de energía atrapada en cada sustancia en un estallido masivo de rayos gamma.
Después de que Dirac teorizara sobre los positrones, otros científicos los encontraron.
Paul Dirac no habló mucho. De hecho, el físico inglés podía sentarse durante cenas enteras sin decir una palabra. Pero en 1928, formuló una pregunta que trastornó el campo de la física: ¿Qué pasaría si la energía negativa realmente existiera?
Durante años, los científicos sabían que las teorías de Einstein dejaban abierta la posibilidad de la energía negativa, pero sólo unos pocos tomaron la idea en serio, incluido Dirac. En un artículo lleno de densas matemáticas, argumentó que lo que vemos como un vacío es en realidad un mar profundo y tranquilo de energía negativa. Además, afirmó que si un estallido de energía normal perturbara ese mar, podría producir un electrón de energía negativa, es decir, un electrón con carga positiva, o positrón.
Con esta propuesta, Dirac esbozó la teoría básica detrás de la antimateria. Al principio parecía inverosímil. Pero casi al mismo tiempo, una creciente evidencia experimental demostró que era cierto.
Mientras Dirac estaba en Inglaterra trabajando en las matemáticas para explicar la antimateria, un investigador llamado Carl Anderson trabajó duro en California. Anderson estaba investigando los rayos gamma utilizando una cámara de niebla. Esta herramienta especializada ayuda a los científicos a ver los caminos que siguen las partículas diminutas que se mueven en el aire. Anderson esperaba que los rayos gamma que pasaran a través de su cámara liberaran a los electrones de sus átomos. Estos electrones libres dejarían caminos claros para estudiar a medida que avanzaban por la cámara.
Sin embargo, cuando Anderson magnetizó la cámara, sucedió algo extraño. Como los electrones tienen carga negativa, supuso que todas las trayectorias de las partículas se curvarían hacia el polo positivo del campo magnético. Sin embargo, algunos de los caminos se curvaron en dirección opuesta, hacia el polo negativo. Semejante resultado sólo podía significar una cosa: Anderson había encontrado positrones. ¿Pero de dónde venían?
Otro equipo de científicos, Patrick Blackett y Giuseppe Occhialini, dieron la respuesta. En 1932, la pareja instaló su propia cámara de niebla, esta vez con placas de cobre colocadas en la parte superior. El cobre estaba destinado a atrapar los rayos cósmicos, la poderosa corriente de energía emitida por el sol. Cuando los rayos incidieron en la placa, produjeron una serie de trayectorias curvas, muy parecidas a las observadas por Anderson.
Al principio, Blackett y Occhialini no sabían qué hacer con los resultados. Pero después de hablar con Dirac, se dieron cuenta de lo que estaba pasando. Los rayos cósmicos chocaron con el cobre, provocando pequeños estallidos de rayos gamma. Estas explosiones perturbaron la energía en la cámara y produjeron electrones y positrones, tal como lo habían predicho las arcanas ecuaciones de Dirac. La antimateria era real.
El mundo subatómico es mucho más diverso de lo que parece.
Hay tres estrellas de la etapa subatómica: el protón, el neutrón y el electrón. Estos son los rostros famosos que todo el mundo puede nombrar. Pero, en realidad, hay un elenco de personajes mucho mayor, aunque algunos de estos actores microscópicos pueden ser increíblemente tímidos.
Afortunadamente, a lo largo de las décadas de 1950 y 1960, los científicos desarrollaron nuevas tecnologías para encontrar e identificar a los actores más esquivos en el campo de la física. Utilizando aceleradores de partículas avanzados como el BeVatron del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los investigadores rompieron átomos a velocidades cada vez mayores.
Estas colisiones de alta energía separaron partículas básicas como el protón en partes aún más pequeñas. Como resultado, nuestra comprensión de la realidad se profundizó dramáticamente.
En términos generales, el universo se compone de dos categorías. El primero está formado por sustancias físicas llamadas fermiones. Se trata de partículas con masa, como la materia (como los protones y los electrones) o la antimateria (como los antiprotones y los positrones). La segunda categoría incluye no sustancias, llamadas bosones. Son partículas sin masa. Los bosones incluyen fotones, que transmiten luz, y gravitones, que transmiten gravedad.
Cuando Dirac propuso por primera vez la existencia de antimateria, los únicos fermiones conocidos eran protones, neutrones y electrones. Cuando los científicos comenzaron a estudiar cuidadosamente los rayos cósmicos para comprender los positrones, encontraron una gran cantidad de otras partículas inusuales. Primero encontraron el muón, un tipo de electrón pesado. Poco después encontraron el pión, una partícula ligera parecida a una pequeña fracción de un protón.
Luego, en 1968, los científicos de la Universidad de Stanford lograron un gran avance. Utilizando un potente acelerador de partículas, lanzaron protones con un haz de electrones. El rebote del haz reveló que cada protón individual en realidad estaba formado por tres partículas más pequeñas, denominadas quarks. Estos fermiones muy básicos se presentan en diversas formas. Hay quarks arriba con cargas positivas, quarks abajo con cargas negativas y quarks extraños que son inusualmente pesados.
Sorprendentemente, la teoría de la antimateria de Dirac se aplica incluso a los quarks, las partículas más pequeñas de nuestro universo. Así como existen protones y antiprotones, existen quarks y antiquarks. Cuando estas dos partículas se encuentran, forman brevemente una partícula extraña llamada kaon. Sin embargo, esta disposición sólo dura una milmillonésima de segundo antes de que los quarks se aniquilen entre sí.
Nuestra comprensión de la antimateria se basa en tecnologías avanzadas.
Imagínese un idílico paisaje suizo. Los cielos azules y despejados contemplan prados verdes salpicados de flores silvestres. Los prístinos Alpes cubiertos de nieve se alzan a lo lejos. No hay nada más pacífico. Sin embargo, justo debajo de este tranquilo paisaje hay otro mundo: un mundo de rayos supercargados y explosiones de alta energía.
Esto se debe a que bajo esta escena pastoral se encuentra la Organización Europea para la Investigación Nuclear, o CERN. Esta enorme instalación de investigación alberga algunas de las tecnologías más avanzadas que los humanos jamás hayan creado, incluido el Gran Colisionador de Positrones y Electrones y su sucesor, el aún más poderoso Gran Colisionador de Hadrones.
En este lugar improbable, con estas poderosas herramientas, los científicos han recreado las condiciones del Big Bang y han comenzado a dominar el arte de controlar la antimateria.
Para estudiar la antimateria, los científicos deben superar algunos desafíos serios. El problema más obvio es que la antimateria se aniquila cuando entra en contacto con la materia normal (y la materia normal está en todas partes). Entonces, si bien es relativamente fácil producir positrones y antiprotones haciendo que las partículas colisionen a altas velocidades, los resultados normalmente duran sólo una fracción de segundo.
Aunque controlar la antimateria es sumamente difícil, es posible. El proceso funciona así: primero, un acelerador de partículas hace que los protones colisionen a velocidades cercanas a la de la luz, creando así antiprotones. Luego, estas partículas se ralentizan al pasar a través de un campo de electrones súper fríos. Finalmente, se depositan en un dispositivo llamado trampa Penning. Esta compleja tecnología utiliza un potente campo magnético para aislar las partículas de antimateria antes de que sean aniquiladas.
En 1995, los científicos del CERN utilizaron esta técnica para fabricar y almacenar un único antiprotón. Al año siguiente, utilizaron un método mejorado para crear el primer átomo de antihidrógeno. Si bien el producto de este primer intento de creación de un antiátomo duró sólo un segundo, el equipo del CERN no se rindió. Continuaron perfeccionando el proceso y, en 2011, pudieron crear reservas enteras de antihidrógeno que permanecían estables durante minutos.
Estos experimentos para controlar la antimateria son importantes porque brindan a los investigadores la oportunidad de examinar verdaderamente sus propiedades. Al monitorear cómo se comporta la antimateria, los investigadores esperan comprender una pregunta fundamental sobre la creación del universo: ¿por qué la materia es tan abundante y la antimateria tan escasa? Examinaremos este tema en el próximo apartado.
La ciencia todavía está aprendiendo por qué la materia prevalece más que la antimateria.
Imagina que estás jugando una partida de ajedrez contra un oponente cuyas habilidades coinciden perfectamente con las tuyas. De hecho, tú y tu rival sois tan similares que cada movimiento que hacéis se refleja en una T. Tú coges su caballo blanco y él tu caballo negro. Él toma tu peón blanco y tú tomas su peón negro. Al final el tablero quedaría completamente vacío, ¿no?
Ahora, considere esto: la materia y la antimateria también son espejos perfectos entre sí. En teoría, el big bang creó cantidades iguales de ambos. Entonces, dada su aparente simetría y tendencia a la aniquilación mutua, las sustancias deberían haberse anulado entre sí, sin dejar nada.
Sin embargo, aquí estamos, en un universo lleno de materia. Eso plantea la pregunta: ¿Por qué?
En muchos sentidos, la materia y la antimateria son verdaderamente perfectamente simétricas. Aparte de sus cargas inversas, se comportan exactamente de la misma manera. Entonces, después del Big Bang, deberían haberse aniquilado entre sí o separarse, creando un universo con una división equilibrada al cincuenta por ciento. Sin embargo, cuanto más miramos al espacio, más parece completamente dominado por la materia, por lo que debe haber alguna diferencia que nos estamos perdiendo.
La partícula kaon insinúa esta posibilidad. Esta partícula inestable está formada por un quark y un antiquark, cada uno con un peso diferente. Un kaon dura sólo una fracción de segundo. Durante la fugaz existencia de la partícula, el peso en forma de energía se mueve entre el quark y el antiquark en un proceso llamado oscilación. Como resultado, el kaon a veces es materia y otras veces antimateria.
Curiosamente, esta oscilación no es uniforme. Los experimentos muestran que la partícula es un kaón normal un poco más largo que un antikaón. Esta pequeña diferencia aún se está estudiando, pero sugiere que la materia y la antimateria en realidad pueden ser ligeramente asimétricas, lo que le da a la materia la oportunidad de dominar.
Otra pista proviene del neutrino, una partícula abundante diez mil veces más pequeña que un electrón. Los neutrinos pueden aparecer como materia o antimateria. Los científicos teorizan que poco después del Big Bang, partículas llamadas mayorones se desintegraron para producir ambas variedades de neutrinos. Sin embargo, se cree que esos majorones pueden haberse desintegrado de manera desigual, dando ventaja a los neutrinos normales y empujando a nuestro universo hacia su estado actual lleno de materia.
Los usos prácticos de la antimateria aún están fuera de su alcance.
Es marzo de 2004. Kenneth Edwards sube al podio en la conferencia del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA en Arlington, Virginia. Después de saludar al público, comienza a hablar de la antimateria. En tono solemne y serio, explica que sólo una milmillonésima de gramo podría generar una explosión lo suficientemente grande como para arrasar una ciudad.
El público está horrorizado. El discurso aparece en los titulares de todo el mundo. ¿Cuál es la causa de toda esta alarma? Bueno, Edwards es el director del equipo de municiones revolucionarias de la Fuerza Aérea. Su trabajo es ayudar al ejército estadounidense a desarrollar armas de guerra de última generación. La gente tiene miedo de que se vislumbre en el horizonte una nueva y aterradora carrera armamentista.
¿Está justificado su miedo? ¿El poder devastador de las bombas de antimateria pronto dará forma a los campos de batalla del futuro? Afortunadamente, no. Por ahora, este tipo de armas siguen firmemente en el ámbito de la ficción.
Como sabemos, cuando la antimateria se encuentra con la materia, la aniquilación resultante libera una cantidad inimaginable de energía. Para ponerlo en contexto, una reacción nuclear libera aproximadamente el uno por ciento de la energía almacenada de un átomo. En cambio, una aniquilación materia-antimateria la libera toda. Aprovechar este poder podría revolucionar nuestro mundo. Esta energía podría crear armas enormemente devastadoras o impulsar viajes increíblemente rápidos a través del sistema solar.
Entonces, dada esta capacidad, ¿por qué no hemos aprovechado el potencial de la antimateria? Bueno, por un lado, no tenemos suficiente. Debido a que nuestro mundo es todo materia, debemos crear antimateria para poder acceder a ella. Se trata de un proceso increíblemente ineficiente que requiere enormes cantidades de tiempo, energía y financiación. Con nuestra tecnología actual, producir sólo un gramo llevaría miles de millones de años y costaría billones de dólares.
Además, una vez que creamos antimateria, se requiere mucha energía para almacenarla. Debido a que las partículas como los antiprotones tienen una fuerte carga negativa, naturalmente se repelen entre sí. Intentar almacenar más que una cantidad minúscula de forma segura en nuestra tecnología de trampa Penning existente requeriría casi tanta energía como la sustancia podría producir.
Sin embargo, estas barreras no impiden que la gente sueñe. Instituciones como el Instituto de Investigación Positrónica de Santa Fe, Nuevo México, siguen buscando formas de almacenar antimateria de forma segura. Una propuesta sugiere emparejar un positrón con un electrón para crear un átomo de positronio libre de carga. Con una manipulación cuidadosa de los campos magnéticos, dicho elemento podría ser más estable y duradero. Pero, hasta que los científicos logren otro avance, cualquier diseño de un motor de antimateria o un dispositivo explosivo permanecerá en la mesa de dibujo.