Antimateria vs. materia ordinaria

Fotograma de la película Ángeles y Demonios.

¿Sabes qué es la antimateria?

Lo pregunto porque la única referencia que tienen muchos vino de la mano de Dan Brown y su novela, llevada al cine, “Ángeles y Demonios”, donde la trama de intriga y suspense gira alrededor de la búsqueda del contenedor de una “rara sustancia”, producida en el CERN, cuyo potencial aniquilador podría dejar a la altura de una fábrica de petardos al mismísimo Proyecto Manhattan (creado para desarrollar la bomba atómica); o, peor aún, quizá haya quien la palabra “antimateria” únicamente le traiga recuerdos de la serie de películas de Star Trek.

Bueno… pues, por si no lo sabes, vaya por delante que eso es ciencia ficción. Y es que, cuando hablamos de la física del nivel subatómico, no somos pocos los que dejamos correr la imaginación, eso sí, unos con más acierto que otros.

 

¡Ah vale, ese no es tu caso! Tú te consideras bien informado sobre este asunto. Entonces, déjame que te recuerde dónde puede haber algún “cabo suelto” en la teoría actual. Permite también que te muestre una nueva forma de verlo. Luego sacas tus propias conclusiones.

 

Imagen del CERN

Sea como sea, ¿qué te parece si empezamos repasando un poco de la historia del descubrimiento de la antimateria?

Imagen de Armando Martínez Téllez

1928: Paul Dirac (ingeniero, matemático y físico) formula la que se ha calificado como una de las expresiones matemáticas más bellas de la física, una ecuación que incorpora la relatividad especial de Einstein a la ecuación de la función de onda de Schrödinger,  que describe de forma precisa el movimiento del electrón y explica la estructura fina de las líneas espectrales de los átomos, pero que también trajo consigo una gran sorpresa y más de un quebradero de cabeza para su creador, porque esta ecuación matricial, en lugar de una solución, arroja cuatro: dos con energías positivas y dos con energías negativas.

En esos tiempos ya se sabía que las partículas subatómicas poseen una propiedad intrínseca llamada espín que, en el caso del electrón, cambia continuamente de signo y que se relaciona con su momento angular (el giro a derecha o izquierda en función del momento lineal que lleve en cada instante, del sentido en el que se mueva). Dos de las soluciones de la ecuación de Dirac podrían servir para describir los dos estados posibles del electrón según su espín,  pero ¿qué pasa con las otras dos? y… ¿qué diablos es la energía negativa?

 

Cambio de espín en el electrón

 

Paul Dirac

Dirac, cuya  imaginación estaba a la altura del mejor creador de ciencia ficción, propuso algo que a sus colegas les pareció delirante, una hipótesis que postulaba que el vacío debía estar lleno de infinitas partículas, con carga eléctrica y energía infinitamente negativas, que no podíamos ver ni sentir hasta que alguna de ellas alcanzaba un estado de energía positiva, en ese caso sería un electrón observable que habría dejado un hueco libre en ese océano de partículas infinito. Los huecos debían poseer necesariamente carga eléctrica y energía positivas y se comportarían como las “antipartículas” de los electrones que también podría ser observadas. A esto se le llamó “el mar de Dirac”.

Lo primero que se le pasó por la cabeza fue que debía tratarse del protón, la única partícula conocida por entonces con carga positiva, sin embargo, eso planteaba serios problemas debido a que éste no muestra cambios en el espín y a la gran diferencia de masa entre protones y electrones. Más tarde, modificó su teoría para postular que la antipartícula del electrón debía tener la misma masa  y carga opuesta que éste, la llamó “antielectrón”.

 

Carl Anderson

1932: Carl David Anderson observó un rastro en una cámara de niebla, dedicada al estudio de los rayos cósmicos, a la que se había aplicado un campo magnético vertical. Ese rastro era igual al que se podría esperar de un electrón, pero se curvaba en sentido inverso; se había descubierto el “positrón“.

Descubrimiento del positrón

 

Este hallazgo confirmaba la hipótesis de Dirac sobre la “antimateria”, lo hizo merecedor del premio Nobel en 1933 y lo encumbró como leyenda de la física cuántica.

 

Pocos dudaban ya que también debía existir la antipartícula con carga negativa del protón, como igualmente había pronosticado Dirac. Y, con el tiempo, a cada partícula descubierta se le asignaba su antipartícula, hubiera confirmación empírica o no de ello, resultaba obvio que antes o después terminaría por observarse. Por otro lado, la idea del mar de Dirac, aunque no tuvo mucho recorrido, fue el germen de ideas más recientes como: la fluctuación cuántica del vacío, la energía del punto cero o la espuma cuántica; donde partículas virtuales de alta energía se crean y se aniquilan continuamente violando el principio físico de la conservación de la energía, pero… ¡ojo, sólo durante un cortísimo espacio de tiempo!

 

Imagen de Derek B. Leinveber

 

Pero no todo iba a ser tan bonito, porque entre una partícula y su antipartícula deberían poder observarse ciertas simetrías, que están bien definidas en cualquier teoría cuántica de campos que sea compatible con la relatividad especial (invariante Lorentz), como son: la carga eléctrica (C), la paridad (P, que sería equivalente a observar la imagen en un espejo) y el tiempo (T). Se llama simetría CPT cuando se tienen en cuenta las tres.

Y, cuando le hacemos la “prueba del algodón” al electrón vs. el positrón, encontramos el siguiente resultado:

Vemos que la simetría de la carga resulta obvia y que la simetría temporal, considerando que también ésta se puede entender como un cambio de sentido en la dirección del momento lineal, un cambio en el espín, no tendría por qué ser contradictoria con la teoría. Sin embargo, cuando llegamos a la comprobación experimental de simetría de paridad, nos damos cuenta de que el electrón y el positrón tienen el mismo momento magnético, es decir, giran en el mismo sentido. Esto es contrario a lo que sería de esperar de una partícula de materia ordinaria respecto a su antipartícula.

 

La pregunta que debemos hacernos ahora es: ¿entonces… el positrón no es la antipartícula del electrón?

 

Richard Feynman

Una posible respuesta a este asunto que, a la vez, parecía resolver la cuestión sobre la energía negativa, fue propuesta por otro gran físico, Richard Feynman, uno de los creadores de la electrodinámica cuántica que tampoco andaba falto de imaginación.  Para él, todo ésto podría explicarse si consideramos la posibilidad de que electrones y positrones pudieran moverse hacia atrás en el tiempo. Esto viola el principio de causalidad, pero serviría para explicar por qué tienen el mismo momento magnético.

Por tanto, la respuesta oficial a este asunto es que el positrón  es la antipartícula del electrón, pero estamos ante una “violación de la simetría”. Otra de las muchas rarezas del mundo cuántico.

Como vemos, todo muy profesional, pero, en mi opinión, parece evidente que el hecho de que la teoría cuántica en vigor no disponga de un auténtico modelo físico, que sirva para visualizar las partículas y sus interacciones, está siendo un pesado handicap. Y, llegados a este punto, yo me pregunto:

¿Qué necesidad tiene la naturaleza de violar sus propios principios y leyes físicas o de recurrir a partículas virtuales? ¿Es que no somos capaces de proponer hipótesis más sencillas y menos contraintuitivas?

Robert A. Millikan

¡Por supuesto que somos capaces! ─Seguro que te has dado cuenta… la segunda, era una pregunta retórica─ De hecho, Anderson (descubridor del positrón y premio Novel en 1936) y también Millikan (físico experimental ganador del premio Nobel en 1923, por sus trabajos para determinar el valor de la carga del electrón y por hacer la comprobación empírica de la descripción teórica de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico) tenían una idea bien distinta sobre la procedencia de esas partículas con carga positiva. Según ellos, algunos fotones cósmicos de alta energía pueden alcanzar el núcleo de los átomos de la atmósfera terrestre arrancando los positrones que estaban allí localizados previamente. Pero a esta idea apenas se prestó atención.

No obstante, esa hipótesis está totalmente en sintonía con mi “teoría de ruedas” que, al contrario que la teoría cuántica, sí dispone de un autentico modelo físico para describir el mundo subatómico y con el cual podemos deducir que un protón puede descomponerse en un positrón y un neutrino, por tanto, en todo átomo neutro existen tantos electrones como positrones o neutrinos, los tres son leptones y los tres son las “ruedas” que forman toda la materia ordinaria.

 

Simulación de una lluvia de rayos cósmicos sobre la atmósfera de Chicago. Imagen de Dinoj en Wikipedia

Por supuesto, en esta entrada del blog no puedo resumir mi libro pero, comentando la cosmovisión que sirve de preámbulo al resto de la teoría, puedes empezar a hacerte una idea de cómo se resuelve esta cuestión. ¿Vamos allá?

 

 

Imaginemos un Cosmos cíclico, con dinámicas semejantes a la de las galaxias espirales, pero muy a lo bestia; imaginemos un inmenso agujero negro en el centro de un disco de acreación de dimensiones colosales; imaginemos la fuerza gravitatoria capaz de absorber incluso el propio espacio-tiempo, el campo de Higgs, el éter…, como quieras llamarlo; imaginemos cómo todo se retuerce, se descompone en sus partes más pequeñas y se va concentrando en una de las “super-singularidades” (por simetría, existe una singularidad dirigida hacia el norte y otra hacia el sur), donde las velocidades alcanzadas son relativistas y, sin duda, capaces de igualar a la velocidad de luz; imaginemos el tremendo campo magnético generado por semejante monstruo.

 

ESQUEMA DE FLUJOS
Dinámica rotacional convectiva del Cosmos
ESQUEMA DEL CAMPO MAGNÉTICO
Campo magnético cosmológico

Ahora, para un poco, si no te vas a marear, y piensa en lo que ya he comentado en otras ocasiones sobre la masa relativista aparente (la clave para entender esta teoría), esto es: en relatividad especial, si te mueves a la misma velocidad, en la misma dirección y en el mismo sentido que el “campo H” (espacio-tiempo, éter…), tu dimensión paralela al movimiento (la dimensión característica) se reducirá y también lo hará tu masa “relativa” aparente (la masa característica), todo lo contrario de lo que te ocurre si quieres moverte en un espacio en relativo reposo, en ese caso tu masa “inercial” aparente se verá incrementada.

Volvamos a la super-singularidad. Llega un momento en el que una parte de la materia allí acumulada se mueve a la velocidad de la luz, su dimensión característica es cero, su masa aparente es cero y no se produce ninguna interacción entre las partículas, incluida la gravedad. Esa “falta de gravedad” es la responsable de la expansión brusca de toda esa porción de materia del Cosmos que contiene un universo entero. Será uno de los muchos universos que sucesivamente vayan siendo expulsados, porque en el Cosmos hay mucha más materia que sigue realizando ese ciclo y que inexorablemente llevará a los universos a fundirse con otros en el super-disco de acreación cósmica. Pero, no te confundas, esta idea de multiverso no tiene nada que ver con las hipótesis sobre múltiples realidades paralelas. Estoy hablando de convección, de dinámica de sistemas materiales a escala cósmica, nada más y nada menos.

Pero, claro, esto no lo podremos ver con ningún telescopio por potente que sea, necesariamente debemos deducirlo matemáticamente, porque estamos limitados por lo que se conoce como “horizonte del universo observable”, el límite impuesto por la velocidad de la luz hace que allá dónde miremos sólo se nos muestre el pasado hasta el instante en que se produjo la radiación de fondo de microondas. No obstante, esta cosmovisión es totalmente consistente con las teorías de la relatividad especial y general. Probablemente podamos abordar su descripción matemática con soluciones como la del agujero negro de tipo Kerr-Newman, eso sí, habría que complementarlas con dinámicas que permitan la continuidad desde las dos singularidades hacia sendos agujeros blancos, que servirían para liberar las tremendas masas-energías allí acumulas; sería semejante a la solución estática de Schwarzschild pero con dinámicas rotacionales que generan tremendos campos magnéticos; por tanto, no resulta imperativo buscar “nueva física” a escala cosmológica, sólo es necesario ampliar las formulaciones matemáticas existentes para que podamos observar el Cosmos con una mayor altura de miras.

 

 

Y te preguntarás: ¿para qué me estará contando esto, si estábamos hablando de materia ordinaria y antimateria?

Pues, resulta que un Cosmos, cuyas dinámicas sigan este modelo, resuelve muchas de las cuestiones que actualmente nos planteamos, como por ejemplo: ¿qué hubo antes del big ban?, ¿qué es la energía oscura?, ¿de dónde venimos?, ¿cómo ha evolucionado la materia?, ¿cuál es el origen del fondo de microondas?, ¿qué es la materia oscura?, ¿hacia donde vamos? y, también, la incógnita que en este momento estamos intentando despejar, ¿donde podemos encontrar antimateria, si nuestro universo parece compuesto sólo de materia ordinaria?. Si me das un poco más de tu tiempo, lo termino de explicar.

 

Esquema cosmológico general

Nuestro universo estaría evolucionando en el semiespacio cosmológico que queda al sur magnético del super-disco de acreación, su momento lineal es tendente a alejarse de la super-singularidad sur en lo que conocemos como recorrido temporal positivo (es puro formalismo), aquí todo tiende a girar en el mismo sentido, las galaxias, los planetas… los electrones y los positrones, y, por lo general, los electrones (con carga negativa) forman parte de la corteza de los átomos, en cuyo núcleo se concentran las cargas positivas.

Un universo situado en el semiespacio norte del Cosmos, también tiende a alejarse de su super-singularidad pero con momento lineal opuesto al nuestro, por tanto, su recorrido temporal es negativo (no confundir con los viajes al pasado), allí todo tiende a girar en sentido contrario, el momento magnético de “antielectrones” y “antipositrones” es el opuesto al que tienen electrones y positrones en nuestro universo, y, en general, los antielectrones (con carga positiva) forman parte de la corteza de los “antiátomos”, en cuyo núcleo se concentran las cargas negativas. Y es que, el Cosmos de la teoría de ruedas posee simetría CPT, sin violaciones, lo que implica necesariamente que debemos considerar al positrón como materia ordinaria.

 

Es posible que también te preguntes: ¿qué pasa con el resto de partículas como el antiprotón o el antineutrón; y con los átomos exóticos como el antihidrógeno, que hemos podido manipular gracias a los avances tecnológicos?

Pues que tampoco ninguno de ellos sería antimateria. El momento magnético medido es siempre el mismo en las partículas y en su supuestas antipartículas. La última prueba de esto es reciente, en el CERN pudieron medir el momento magnético de supuesto antiprotón y resultó tener el mismo signo e igual magnitud que el del protón, con una muy buena aproximación, es decir, también en estos casos se advierte la “violación de simetría CP” pero, claro, según ellos, eso podría servir para explicar por qué nuestro universo parece estar compuesto sólo de materia ordinaria.. Aquí os dejo el enlace a la publicación.

 

 

¿Quiere eso decir que la ecuación de Dirac es incorrecta?

En absoluto, sus cuatro soluciones siguen siendo válidas en cada uno de los dos semiespacios cosmológicos; lo que ocurre es que el asunto de la “energía negativa” tiene confundidos a los físicos, ninguno te sabrá decir de qué se trata. Para ellos es sólo un signo menos en una ecuación matemática, porque, recuerda… no disponen de un auténtico modelo físico.

Eso sí, este tipo de misterios es lo que les incentiva a seguir adelante, sin complejos, como en el caso de Javier Santaolalla. Aquí tienes un simpático vídeo suyo.

 

 

Pero eso no pasa con la teoría de ruedas, sus modelos se pueden visualizar fácilmente. El concepto de energía negativa está implícito en las hipótesis que expongo en ella y resulta muy sencillo de comprender. Sin embargo, todavía no voy a explicar en que consiste. Quizá espere hasta comprobar si alguien es capaz de entenderlo por sí mismo, después de leer mi libro. Tan sólo diré, por ahora, que se trata de la misma energía negativa que apareció en los cálculos del doctor Alcubierre cuando imaginó la métrica necesaria para deformar el espacio-tiempo con el fin de probar que es posible desplazarse a velocidades relativistas sin sufrir incremento de masa (más bien todo lo contrario). De hay que el asunto de la masa aparente de los leptones (neutrinos, electrones, positrones, etc.) también tenga desconcertados a los físicos, pero eso ya lo he explicado en otra entrada de mi blog. Te dejo el enlace.

 

El motor Warp de M. Alcubierre precisa de “energía negativa” para funcionar. Imagen de la NASA

Y, por supuesto, ahora te estás preguntando: ¿cómo es posible que la ecuación de Dirac ofrezca predicciones tan precisas del movimiento de electrones individuales si, como se afirma en esta teoría de ruedas, hasta ahora no se ha calculado correctamente la masa en reposo de los leptones (incluido el electrón)?

Jejeje… Bueno, seguramente esta cuestión, y alguna otra que he planteado, ni se te hayan pasado por la cabeza, pero es que, así he conseguido introducir las explicaciones necesarias y, si me he alargado un poco, puedo decir que la culpa ha sido tuya… ¡por preguntar!  😉  Sin embargo, no voy a tentar más a la suerte y esta última pregunta la dejaré en el aire, para comentarla en alguna futura entrada de este blog.

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