Materia supongo que sé lo que es ;) de alguna manera, al menos intuitivamente. Así, puedo sentirlo en términos de peso al recoger algo. ¡Se puede explicar por la gravedad que es en sí mismo se define por la definición de la materia!
¿Qué es? anti-materia ?
¿Puede explicármelo?
Entonces, ¿qué es la antimateria?
Incluso por su nombre, es obviamente lo "opuesto" a la materia ordinaria, pero ¿qué significa eso realmente?
Resulta que hay varias formas igualmente válidas de describir la diferencia. Sin embargo, la que creo que es más fácil de explicar es que en la antimateria, todas las cargas eléctricas de todas las partículas, en todos los niveles, se han intercambiado.
Así, los electrones ordinarios tienen cargas negativas, por lo que sus equivalentes de antimateria tienen cargas positivas. Los protones son positivos, por lo que en la antimateria tienen cargas negativas. Incluso los neutrones, que no tienen en general carga, todavía tienen partes internas (quarks) que definitivamente tienen cargas, y esas también se voltean.
Ahora bien, para mí la característica más notable de la antimateria no es la forma en que se diferencia de la materia ordinaria, sino lo sorprendentemente similar es a la materia ordinaria. Es como una imagen especular casi perfecta de la materia -y no uso esta expresión a la ligera, ya que resulta que forzar a la materia ordinaria a convertirse en su propia imagen especular es una de esas otras rutas que mencioné para explicar qué es la antimateria.
La similitud es tan estrecha que, por ejemplo, la antimateria en grandes cantidades tendría la misma química que la materia ordinaria. Por ello, no hay ninguna razón por la que una persona viva entera no pueda estar compuesta de antimateria. Pero si por casualidad te encuentras con una persona así, por ejemplo, flotando fuera de una nave espacial sobre la Tierra, te recomiendo encarecidamente que seas muy antisocial. No le des la mano ni le invites a tu casa, hagas lo que hagas.
La razón tiene que ver con esos cargos, junto con algunos factores relacionados.
Todo el mundo sabe que las cargas opuestas se atraen. Así, en la materia ordinaria, los electrones buscan la compañía cercana de los protones. Les gusta pasar el rato allí, formando hidrógeno. Sin embargo, en la materia ordinaria también resulta que hay todo tipo de barreras -me gusta pensar en ellas como deudas impagadas a un banco muy estricto- que impiden que las cargas negativas de los electrones se también cerca de las cargas positivas de los protones.
Así, mientras que los electrones y protones con cargas opuestas podrían, en principio, fusionarse y formar una nueva entidad sin carga, lo que realmente ocurre es mucho más complicado. Salvo por sus cargas opuestas, los electrones no tienen las "deudas" adecuadas para pagar todo lo que los protones "deben", y viceversa. Es como mezclar manzanas positivas con naranjas negativas. Las deudas, que en realidad se llaman leyes de conservación, hacen posible que los protones y los electrones, que se atraen poderosamente, se acerquen mucho, pero nunca lo suficiente como para anular completamente las cargas de cada uno. Eso también es algo muy bueno. Sin esa mezcla de manzanas y naranjas, tan cercana pero no del todo, toda la fantástica complejidad y especificidad de los átomos y la química y la bioquímica y el ADN y las proteínas y us ¡no estaría aquí!
Ahora veamos de nuevo la antimateria. Los electrones de la antimateria están cargados positivamente -de hecho, hace tiempo que se les cambió el nombre por el de "positrones"-, por lo que, al igual que los protones, también se ven fuertemente atraídos por los electrones de la materia ordinaria.
Sin embargo, cuando se añaden electrones a los positrones, se están mezclando manzanas positivas con manzanas negativas. Esa misma similitud resulta en una mezcla muy peligrosa, que no se parece en nada a la mezcla de electrones y protones. Eso es porque para los electrones y los positrones las distintas deudas que contienen coinciden exactamente y también son exactamente opuestos. Esto significa que pueden anularse mutuamente hasta su cantidad compartida más simple y absoluta, que es la energía pura. Esa energía se emite en forma de una versión muy peligrosa y de alta intensidad de la luz llamada rayos gamma.
Entonces, ¿por qué los electrones y los positrones se comportan tan mal cuando se juntan?
He aquí una sencilla analogía: sujeta una goma elástica con fuerza por sus dos extremos. A continuación, coloca una AAA entre los hilos del centro. (Esto es más fácil para las personas con tres brazos.) A continuación, utiliza la pila para enrollar la goma elástica hasta que esté bien apretada.
Ahora mira el resultado con atención. Observa en particular que los lados izquierdo y derecho están torcidos en frente a direcciones, y de hecho son más o menos imágenes especulares la una de la otra.
Estos dos lados opuestos de la banda elástica son un análogo simple de un electrón y un positrón, en el sentido de que ambos almacenan energía y ambos tienen una especie de "torsión" definida que se asocia con esa energía. Se podría llevar la analogía un poco más lejos, reforzando cada mitad de alguna manera y cortando la banda elástica por la mitad. Con esta analogía más elaborada, las dos "partículas" podrían alejarse por sí solas.
Sin embargo, por ahora, basta con soltar la batería y ver lo que sucede. (Importante: ¡lleve gafas si realmente intenta esto!) Dado que sus dos "partículas" de imagen especular a cada lado de la pila tienen torsiones exactamente opuestas, se desenredan mutuamente con gran rapidez, con una liberación de energía que puede hacer que la pila salga volando hacia algún lugar. La torsión que definía a ambas "partículas" se destruye al mismo tiempo por completo, dejando sólo una goma elástica sin torsión.
Por supuesto, se trata de una enorme simplificación, pero si se piensa en los electrones y los positrones como los dos lados de una goma elástica retorcida, se acaba teniendo una idea sorprendentemente buena de por qué la materia y la antimateria son peligrosas cuando se colocan cerca. Al igual que los lados de la goma elástica, tanto los electrones como los positrones almacenan energía, son imágenes especulares el uno del otro y se "desenredan" si se les permite tocarse, liberando su energía almacenada. Si se pudieran mezclar grandes cantidades de ambos, el resultado sería un desenredo cuya liberación de energía sería realmente sorprendente (¡y muy probablemente mortal!) de contemplar.
Ahora bien, teniendo en cuenta todo esto, ¿cómo de "real" es la antimateria?
Muy, muy real. Sus firmas están por todas partes. Esto es especialmente cierto para el positrón (electrón antimateria), que es la forma de antimateria más fácil de crear.
Por ejemplo, ¿ha oído hablar alguna vez de un procedimiento médico llamado escáner PET? PET significa Tomografía por Emisión de Positrones... y sí, eso significa realmente que los médicos utilizan cantidades extremadamente pequeñas de antimateria para aniquilar partes del cuerpo de alguien. La antimateria, en ese caso, se genera mediante ciertos procesos radiactivos, y las ráfagas de radiación (esos rayos gamma) que se liberan al hachar unos cuantos electrones ayudan a que los médicos vean lo que ocurre dentro del cuerpo de alguien.
Las firmas de positrones también son muy comunes en la astrofísica, donde, por ejemplo, algunos agujeros negros son inusualmente buenos para producirlos. Nadie entiende realmente por qué ciertas regiones producen tantos positrones, a menos que alguien haya tenido alguna buena idea recientemente.
Los positrones fueron la primera forma de antimateria predicha, por un tipo muy agudo llamado Paul Dirac. Poco después de esa predicción, también fueron la primera forma de antimateria detectada. Las partículas de antimateria más pesadas, como los antiprotones, son mucho más difíciles de fabricar que los positrones, pero también se han creado y estudiado en grandes cantidades utilizando colisionadores de partículas.
A pesar de todo ello, también existe un gran misterio en torno a la antimateria. El misterio es el siguiente: ¿Dónde está la descanso de la antimateria?
¿Recuerdas las deudas que mencioné? Pues bien, al crear universos, a los físicos, como a otras entidades notables, les gusta empezar todo el tinglado con energía pura, es decir, con luz. Pero como la materia tiene todas esas deudas desequilibradas, la única manera de pasar sin problemas de la luz a la materia es teniendo una cantidad igual de antimateria en algún lugar del universo. Una cantidad de antimateria tan grande no parece existir, en ninguna parte. Los astrofísicos ya han cartografiado el universo lo suficientemente bien como para que no haya lugares fáciles de esconder para grandes cantidades de antimateria.
¿Recuerdas que dije que la antimateria se parece mucho a una imagen especular de la materia? Eso es un ejemplo de simetría. En física, una simetría no es más que una forma de "girar" o "reflejar" o "mover" algo de manera que quede algo parecido al original. Dar la vuelta a un cubo entre sus distintas caras es un buen ejemplo de "simetría cúbica", por ejemplo (hay palabras más elegantes para ello, pero significan lo mismo). Las simetrías son muy importantes en la física moderna, y son absolutamente fundamentales para muchos de nuestros conocimientos más profundos sobre el funcionamiento de nuestro universo.
Así que la materia y la antimateria forman un casi simetría exacta. Sin embargo, esa simetría se rompe de forma bastante espectacular en astrofísica, y también de forma mucho más sutil en ciertos experimentos de física. Cómo es posible que esta simetría se rompa de forma tan grave a nivel del universo y que sólo se rompa de forma muy sutil a nivel de las partículas es un verdadero misterio.
Así pues, ahí lo tienes, un minitutorial sobre qué es la antimateria y dónde se produce. Aunque es un poco exagerado, tu pregunta es buena y sobre un tema fascinante.
Y si has leído todo esto y has encontrado interesante algo de lo que acabo de decir, ¡no te quedes aquí! La física es uno de esos temas que se vuelve más fascinante a medida que se profundiza en ella. Por ejemplo, algunas de esas ecuaciones de aspecto críptico que verás en muchas de las respuestas aquí son también posiblemente algunos de los objetos más bellos jamás descubiertos en la historia de la humanidad. Aprender a leerlas lo suficientemente bien como para apreciar su belleza es como aprender a leer una gran poesía en otro idioma, o a "escuchar" la estructura profunda de una pieza musical clásica realmente buena. En el caso de la física, la recompensa es una profunda revelación de la estructura, la belleza y el conocimiento que pocas otras disciplinas pueden ofrecer.
¡No te detengas aquí!
Sólo para añadir a las respuestas anteriores:
Hay un poco de confusión generalizada con respecto a la antimateria y la materia. La confusión es así: la antimateria es materia . Bueno, a veces.
Básicamente, la materia se clasifica así:
$\newcommand{\matter}[1]{\overbrace{ \text{ antimatter}+#1}^\text{matter}}\newcommand{\M}{\scriptsize{\mathcal{MATTER}}} \newcommand{\m}{\text{matter}}\newcommand{\a}{\text{antimatter}}$
$$\matter{\text{matter}}$$
Eso NO significa: $$\matter{\matter{\matter{...}}}$$
En cambio, significa que "materia" tiene dos significados:
$$\overbrace{ \text{ antimatter}+\text{matter}}^{\M}$$
Dónde $\M$ se refiere a la "materia" de nuestro universo, y $\m$ se refiere a "lo contrario de la antimateria".
Seguiré utilizando el tipo de letra caligráfica en forma de rizo para distinguir entre las dos definiciones de materia.
Muy bien. Las propiedades de $\M$ :
Por otro lado, $\m$ no significa realmente mucho, excepto "lo contrario de $\a$ ". Básicamente, para un tipo de partícula determinado tendrá una antipartícula con la carga opuesta (y otras propiedades opuestas).
La antimateria fue predicha por primera vez por Dirac. Apareció a partir de un truco que utilizó para que su ecuación tuviera sentido físico: postuló que hay una "escalera" de infinitos electrones en cada punto del espacio, excepto que los electrones aquí tienen energía negativa y, por tanto, no salen. Se dio cuenta de que cuando se bombea energía, se puede hacer que un electrón salga, y tendrá un agujero correspondiente en la escalera (IIRC se dio cuenta de esto después de hizo el simple cálculo de fuego-electrón-en-la-pared). Estos "agujeros" se comportaban de forma muy parecida a los electrones, salvo que tenían una carga opuesta. Y aniquilaban a los electrones al entrar en contacto. En ese momento, Dirac nunca los consideró realmente como verdaderas partículas (y, por tanto, no $\M$ ). En cambio, eran algo nuevo y exótico, fundamentalmente diferente de $\M$ . Así que la terminología tiene sentido aquí.
Cuando se descubrió la antimateria, $\m$ se definía como "lo que hay más". Los positrones (antielectrones) eran bastante raros: había que buscar en las pistas de rayos cósmicos para encontrarlos. Los antiprotones aún no se habían descubierto. En esta época, en la que se conocían muy pocas partículas (protón, electrón, positrón, y más tarde el neutrón), esta clasificación parecía razonable. Así que $\a$ se convirtió en una clasificación para todas las nuevas partículas que presentaban propiedades opuestas. La terminología tiene menos sentido que antes, porque ahora $\a$ es fundamentalmente lo mismo que $\m$ Sólo que es menos abundante. Pero todavía tiene sentido ya que no habían descubierto el antiprotón.... Sin embargo, .
Hoy en día tenemos una profusión de partículas. La mayoría de las partículas son tan poco abundantes como su antipartícula. Así que ahora tenemos unas cuantas convenciones para diferenciar $\m$ de $\a$ --estas convenciones preservan el hecho de que los protones, neutrones y electrones son $\m$ y, por lo tanto, nuestro universo está hecho casi totalmente de materia. Cuando los físicos se preguntan "por qué nuestro universo está hecho de materia ¿a dónde fue la antimateria?", en realidad están preguntando "¿a dónde fueron los positrones, los antiprotones y los antineutrones?"; existen leyes de conservación que hacen que una partícula sea simétrica con su antipartícula.
Originalmente, la respuesta era sencilla: cuando el único caso de antimateria era el positrón, parecía bastante simple: la antimateria tiene carga opuesta y hace "aniquilación de pares". Pero esto no explica la antimateria para bosones como los protones o los neutrones. Tampoco explica cómo algunas partículas pueden ser sus propias antipartículas.
Pero gracias a la aplicación de la teoría de grupos a la física, tenemos una forma que caracteriza correctamente todas las antipartículas del modelo estándar: si la partícula se representa por un vector base en una representación lineal, la antipartícula se representa por el vector base correspondiente en la representación dual.
Puede ser dolorosamente abstracto y poco intuitivo, pero funciona. Sin excepción.
Vamos a por las pruebas del mundo real, y no hay nada como cámara de burbujas imágenes (excepto si se trata de emulsiones) que demuestra la existencia de antipartículas.
La conservación de los números cuánticos y de la energía requiere la existencia de antimateria en estos eventos que se muestran en los enlaces, como el modelo matemático más económico. Cuando un antiprotón en el haz, (o de una antilamda en el interesante evento del segundo enlace) choca con un protón hay una energía extra a la procedente del haz, liberada por la interacción y vista y medida en las imágenes, del orden de dos masas de protones . La hipótesis más económica es que el antiprotón se ha aniquilado en un protón según las reglas de la relatividad especial, y los productos finales se crean desde cero en cuanto a los números cuánticos , ya que todos están a cero.
Pares de postirones de electrones producidos a partir de rayos gamma muestran el efecto contrario, de cómo al conservar los números cuánticos y la energía se crean partículas opuestas.
Tengamos cuidado de decir que tanto las partículas como las antipartículas están hechas de materia/antimateria que reacciona a la gravedad de la misma manera, es decir, tanto los protones como los antiprotones son atraídos por la gravedad. Esta característica no se invierte.
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