Evolución de la composición de la materia

Evolución de la composición de la materia

Desde la antigüedad  la humanidad ha sentido curiosidad  sobre la composición  de la materia   y la constitución de los cuerpos que nos rodean  durante los años  400 y 600  a.c los griegos  discutieron  acerca  de la naturaleza  de la materia  y llegaron a realizar varios descubrimientos importantes Desde comienzos del siglo XX se sabe que toda la materia está formado por átomos. Todo lo que hay en el Universo: las galaxias, las nebulosas, las estrellas, el Sol, los planetas, la Tierra, las montañas, los árboles, el mar, las nubes, la atmósfera y nosotros mismos, todo está formado por átomos.

En esos años se descubrió que los átomos se componen de un núcleo muy pequeño con carga eléctrica positiva, en donde está concentrada casi toda la masa, y de una nube de electrones con carga eléctrica negativa.

Entre los años 1950's y 1980's el esfuerzo y la tesón de muchos científicos llevó a la conclusión de que todos los átomos se componen de solamente 4 partículas: electrones, quarks up, quarks down y neutrinos.

Estas cuatro partículas elementales, constituyen la familia del electrón, las cuales interactúan entre sí a través de otros cuatro elementos llamados interacciones básicas. La historia del descubrimiento de que casi todo lo que vemos a nuestro alrededor en la Tierra, y más allá, está compuesto por estas pequeñas partículas es la historia más apasionante de la ciencia.

Nebulosa M78

Nebulosa M78 en la constelación de Orión. Imagen obtenida por Ignacio de la Cueva Torregrosa, astrofotógrafo aficionado de Ibiza.

El término "partículas", es una forma de hablar, y sirve para hacer más fácil la comprensión. Pero no hay que imaginarlas como pequeñas esferas. En realidad, no sabemos qué son. La materia real es algo muy distinto a lo que vemos.

Es muy importante saber que estas partículas elementales están unidas y que se combinan e interactúan entre sí a causa de unas fuerzas. Se han encontrado cuatro tipos de fuerzas, las cuales en realidad son otros tipos especiales de partículas.

Hace 400 años, en Occidente empezó la gran aventura de intentar conocer científicamente el universo. Durante 300 años se consiguió hacer un mapa bastante exacto de lo que hay en el cielo y de las leyes que rigen el movimiento de los astros.

Pero en los últimos 100 años, la historia se ha hecho verdaderamente apasionante, porque se ha descubierto que todo, absolutamente todo lo que existe en la tierra y en los cielos está formado por los mismos elementos básicos. Estos elementos básicos son 4 partículas elementales. Casi toda la materia está formada por una familia de cuatro partículas que se combinan e interactúan a causa de otras que originan lo que llamamos fuerzas.

A finales del siglo XX, se encontró la existencia de otras dos familias de partículas: la familia del múon y la familia del tauón. Ambas familias se producen en los laboratorios, pero se supone que, en el origen del universo, coexistían con la familia del electrón.

Cada una de estas dos familias se componen también de cuatro partículas elementales.

Hay pruebas bastante concluyentes, de que no es posible de que haya una cuarta familia.

Africa

Transcurrieron casi 100 años, desde el descubrimiento del electrón (1897) hasta el descubrimiento del quark top (1995), para que el mundo científico tuviera una clasificación bastante satisfactoria de las partículas elementales que componen la materia. En esta clasificación se consideran 3 familias de partículas. Hay pruebas convincentes de que no existe una cuarta familia.

La primera familia está formada por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos electrónicos. Toda la materia del universo: estrellas, Sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del electrón).

Los elementos de la segunda familia tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del muón. El muón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 200 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: muones, quarks strange, quarks charm y neutrinos muónicos. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del muón).

Los elementos de la tercera familia también tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del tauón . El tauón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 3.500 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: tauones, quarks top, quarks bottom y neutrinos tauónicos. (Pulse encima del nombre, para leer más acerca del tauón)

Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa en las correspondientes familias. Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina leptones (en griego, leptón significa ligero).

El 5 de octubre de 1906, el científico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906) se ahorcó en una habitación en un hotel del pueblo llamado Duino, cerca de Trieste. Este acontecimiento trágico no habría tenido tanta trascendencia si no fuera por el hecho de que Boltzmann decidió quitarse la vida impulsado por la depresión profunda que sufrió al ver rechazada con desprecio, por la comunidad científica de entonces, su tesis sobre la realidad del átomo y por afirmar que toda la materia está compuesta por los mismos pequeños bloques.

Boltzmann había llegado a esta conclusión al estudiar el comportamiento de los gases. Su teoría era que éstos consisten en partículas que entrechocan entre sí en un movimiento caótico y que la energía de este movimiento es el calor.

Boltzmann

Ludwig Boltzmann

En la década de 1850, en barcos, fábricas y trenes se usaban potentes motores de vapor. Eran una necesidad urgente en el comienzo de la revolución industrial.

Desde el punto de vista comercial, político y militar era esencial comprender y predecir el comportamiento del vapor de agua a altas temperaturas y a máxima presión.

Boltzmann se había especializado en mecánica estadística y fue el autor de la llamada constante de Boltzmann, la cual es un concepto fundamental de la termodinámica.

Ludwig Boltzmann y muchos científicos imaginaron que si el vapor se componía de millones de diminutas esferas rígidas, era posible desarrollar algunas ecuaciones matemáticas que fueron capaces de predecir el comportamiento del vapor.

Boltzmann y sus colegas atomistas se vieron envueltos en una agria polémica con quienes negaban la existencia de átomos.

Estos últimos arguían que los invisibles átomos en los que se basaban los cálculos eran sólo una convención matemática, pero no objetos reales. Dijeron que era presuntuoso y blasfemo reducir el milagro de la creación a una serie de colisiones entre esferas diminutas inanimadas.

El ser humano siempre se ha preocupado por la composición de la materia y por eso, a lo largo de la historia ha habido varias teorías sobre la constitución de ésta, desde que Demócrito llamó átomo a una supuesta partícula indivisible que formaba la materia, hasta la teoría actual, la Teoría Atómica de Dalton.

         Como ya he dicho antes, el primero en aventurarse en estas teorías fue Demócrito (460 a.C. - 370 a.C), de la antigua Grecia, que llamó átomo a la partícula que supuestamente era la más pequeña que formaba la materia y que era indivisible (Átomo en griego significa indivisible). También afirmaba que estos átomos eran indestructibles y que, entre uno y otro, solo había vacío. Su teoría también hablaba de la forma de los átomos, y sostenía que un átomo era diferente de otro de otra sustancia y, por ello, existían diferentes sustancias. Desde mi punto de vista, esto supuso un gran atrevimiento contra las leyes del momento ya que, aunque en la antigua Grecia se avanzó mucho en todas las ciencias, era un paso demasiado grande hacia el avance y, probablemente, no mucha gente siguió esa teoría en aquel momento.

         Aristóteles (384 a.C. - 322 a.C.), por su parte, rechazó la idea de Demócrito y apoyó una teoría ya enunciada antes, en la que la materia estaba formada por 3 elementos, Agua, Tierra y Fuego, a los que Aristóteles añadió el Éter (el espacio entre los elementos). Esta teoría pienso que fue mucho mas extendida, pues explica la materia de una manera muy sencilla y práctica, que todo el mundo puede observar a simple vista, aunque supone una gran regresión en esta ciencia.

         Lavoisier (1743 - 1794) no enunció ninguna teoría sobre la constitución de la materia, pero si formuló la Ley de la conservación de la materia, que dice que en las reacciones químicas, la masa permanece constante, ley que probablemente ayudó a Dalton con sus experimentos. Ésta ley ayudó a Dalton a poder medir la masa de los átomos de cada elemento al crear compuestos entre ellos.

         La teoría de Dalton (1766 - 1844) dio un salto enorme en esta cuestión ya que, aunque tenía algunos fallos, como que el átomo era indivisible, dijo que cada elemento tenía un átomo correspondiente, igual al resto de átomos del mismo elemento. Además consiguió medir indirectamente la masa de los átomos, ya que comprobó que el átomo de hidrógeno es el de menor masa y creo el UMA (Unidad de Masa Atómica) para medirlos, atribuyendo la masa de 1 UMA al átomo de hidrógeno. Ésta teoría, que es un avance de la teoría de Demócrito y que es bastante acertada, es bastante completa, pero a mi parecer, creo que llega algo tarde, ya que pasaron más de 2000 años entre la teoría de Demócrito y la de Dalton y la base de ambas es la misma.

   La teoría de Dalton es la base de la actual, donde se ha descubierto que él átomo puede ser dividido en distintas partículas subatómicas, pero el modelo actual tampoco es perfecto y durante los próximos años, se seguirán descubriendo nuevas cosas y enunciando nuevas teorías.