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Alejandro Regueira y Jairo Sanz Colegio Internacional J.H. Newman

15/11/2012 1ยบ Bachillerato

MATERIA Y ANTIMATERIA, MATERIA Y ENERGรA OSCURA


ÍNDICE DE CONTENIDOS

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"Es difícil resistir la impresión de que la presente estructura del Universo, aparentemente muy sensible a las menores alteraciones en los números, ha sido más bien cuidadosamente planeada... La aparente milagrosa concurrencia de estos valores numéricos debe permanecer como la evidencia más persuasiva del diseño cósmico.'' Paul Davis, físico

"La astronomía nos conduce a un evento único, a un Universo que fue creado de la nada, que tiene el mismísimo y delicado balance necesario para proveer las condiciones exactas que se requieren para permitir la vida, y que tiene un plan fundamental (que podría denominarse sobrenatural)'' Premio Nóbel Arno Penzias

''El Universo sería muy poca cosa si pudiéramos comprenderlo'' Jairo Sanz y Alejandro Regueira

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Introducción ¿Nos hemos parado a pensar alguna vez sobre la inmensidad del Universo?. No somos más que pequeñas motas de polvo en un mundo de gigantes. Hay tantas cosas que nos quedan por saber y tantas cosas por descubrir que no podemos parar de preguntarnos. Uno de los objetivos de este trabajo es precisamente el de expandir nuestros horizontes de conocimiento, saber un poquito más del complejo Universo en el que nos ha tocado vivir. Aunque no conocemos todas las respuestas, el primer paso es formularse hipótesis y en este trabajo hablaremos de algunas que podrían cambiar completamente la visión que tenemos del Universo y dar respuesta a muchas de nuestras preguntas. Como dijo Neill Armstrong: ''Esto es un pequeño paso para el hombre pero un gran paso para la humanidad''.

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1. Materia y antimateria 1. 1. ¿Qué es la materia? Como todos sabemos, la materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos detectables por medios físicos. La materia está formada por átomos, que a su vez se componen de protones (de carga positiva), neutrones (de carga neutra) y electrones (de carga negativa). Los protones y neutrones a su vez están constituidos por quarks. Cabe decir que para llegar al conocimiento de estos datos fueron necesarios siglos de investigación. John Dalton, en 1808, fue el primer hombre que planteó que la materia podría estar formada por pequeñas partículas invisibles al ojo humano. Desarrolló un modelo de la materia formado por esferas rígidas individuales. Dalton llamó a estas esferas ''átomos''. Durante casi un siglo no se puso en duda su teoría. Sin embargo Thomson, en 1897, basándose en los experimentos que hizo con rayos y la relación entre materia y electricidad llegó a la conclusión de que el modelo atómico de Dalton estaba incompleto. Thomson descubrió que alrededor de dichas esferas existían unas pequeñas partículas de carga negativa a las que llamó electrones. De esta forma, para que el átomo fuera estable, debía estar cargado positivamente. Más tarde, entre 1903 y 1911, Ernest Rutherford inició una serie de experimentos de los que surgió el concepto de núcleo atómico. Bombardeó una lámina de oro con partículas Alfa esperando que la atravesaran. No obstante un pequeño porcentaje de partículas se vio reflejado, por lo que Rutherford supuso que toda la carga positiva del átomo estaba concentrada en una región más densa a la que llamó núcleo. Por último, Böhr formuló en 1913 una hipótesis sobre la estructura atómica en la que estableció tres postulados. Dijo que los electrones giran alrededor del núcleo atómico en órbitas estables y definidas sin emitir energía alguna y que cuando un átomo sufre una interacción, uno de sus electrones puede pasar a otra órbita estable o ser arrancado del átomo. Finalmente en 1932, J. Chadwick demostró científicamente las intuiciones de Rutherford: la existencia de partículas sin carga dentro del núcleo atómico. De esta forma se llegó a la concepción de átomo que tenemos hoy en día. Toda la materia está formada por átomos que a su están formados por un núcleo que está constituido por dos tipos de partículas, protones con carga positiva (representado con un + en la imagen) y neutrones sin carga. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones (1836 veces más pequeños que los protones, representados con un - en la imagen) con carga negativa. Un igual número de protones y electrones en el átomo hacen que la materia tenga una carga neutra, y por lo tanto sea estable. Cuando un átomo pierde o gana un electrón de su última capa, se forma lo que conocemos como ''ión''. Dependiendo de si su carga resultante es positiva o negativa se forman cationes o aniones respectivamente. 5


1. 2. ¿Qué es la antimateria? Mucha genta ha oído hablar de la antimateria pero pocos conocen verdaderamente lo que es. ¿Qué es realmente la antimateria?, ¿existe en realidad?, ¿hay masas de antimateria en el Universo?, ¿qué uso se le puede dar a la antimateria?. Intentaremos responder a estas y a muchas más preguntas en este trabajo. Como bien se ha comentado anteriormente, la materia normal como la conocemos está compuesta de átomos. Las distintas organizaciones de los átomos forman todos los tipos de moléculas, que a su vez forman la materia. Estos átomos están compuestos de protones, electrones y neutrones. La antimateria es el equivalente a la materia con cargas opuestas, es decir, en un átomo de antimateria podemos encontrar electrones positivos llamados ''antielectrones'' o ''positrones'', y protones negativos llamados ''antiprotones''.

Estructura atómica de la materia y antimateria

1. 3. Su descubrimiento, una mirada al pasado El desarrollo de las matemáticas a comienzos del siglo XX tuvo mucha influencia en el descubrimiento de la antimateria. En el año 1928 Paul Dirac (1902 - 1984), un joven físico inglés, formuló una ecuación matemática basándose en los postulados de Einstein y Niels Böhr. Explorando sistemáticamente las consecuencias de su ecuación, llegó a la conclusión de que la existencia ya comprobada del electrón implicaba la existencia de un hermano gemelo de carga positiva (antielectrón o positrón). De su ecuación se deducía también que el encuentro de un electrón con un antielectrón hacía que ambas partículas se aniquilaran mutuamente y se transformaran en energía en forma de luz. 6


1. 4. Teorías de la antimateria Cuando la antimateria entra en contacto con la materia se produce un efecto de aniquilación, o lo que es lo mismo, la transformación de los átomos materiales y antimateriales en energía. Entonces, ¿por qué en el Universo no podemos encontrar antimateria? Pues bien, hay varias teorías acerca de esto: •

La primera (y más aceptada) teoría dice que en el origen del Universo se creó una mayor cantidad de materia que de antimateria (aproximadamente se cree que por cada 1000 átomos de antimateria se generaron 1001 de materia). Esto provocó que la antimateria fuera totalmente destruida tras una aniquilación con las partículas de materia. Los restos de materia que quedaron son los que constituyen actualmente el Universo. Sin embargo, todavía nos siguen llegando emisiones electromagnéticas de aquella ''épica batalla'', aunque es muy difícil su estudio ya que se producen materia y antimateria producen ondas similares.

La segunda teoría dice que existen grandes cantidades de materia y antimateria en lugares opuestos del Universo. Sin embargo, en los lugares en los que materia y antimateria se encuentran, se producen grandes fenómenos de aniquilación, a consecuencia de los cuales se crean los llamados rayos Gamma.

Proceso de aniquilación entre materia y antimateria

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1. 5. Aplicaciones de la antimateria Dicho esto, cabría preguntarse: ¿Qué usos podríamos hacer de la antimateria? •

En primer lugar se podría utilizar como combustible ya que, divido a su potencia, con solo 250 gramos de antimateria se podría llegar a Marte en 1 hora y a la Luna en 8 minutos

Otra aplicación consistiría en la producción de energía. Esto se debe a que es la fuente de energía más poderosa conocida ya que la libera con una eficacia del 100%. Cabe resaltar que la eficacia de la energía producida en la fisión nuclear es tan solo del 1.5%. Además no se generaría ni contaminación ni radiación. Para que os hagáis una idea, con una sola gota se podría proporcionar la electricidad suficiente para cubrir las necesidades de la ciudad de Nueva York durante 24 horas.

La última aplicación estaría destinada al mundo armamentístico. La potencia originada en la aniquilación de materia-antimateria podría ser utilizada como el mayor explosivo de la historia. Un gramo de antimateria con un gramo de materia produciría tanta energía como para lanzar un millón de toneladas de materiales a 20 km de altura, o lo que es lo mismo, el equivalente a la bomba de Hiroshima. (¡Solo un gramo!)

1. 6. Limitaciones de la antimateria A pesar de todo lo que conocemos a cerca de la antimateria, nos queda aún muy lejana. Por el momento, no existe antimateria relativamente disponible. De hecho, hasta ahora, en el proceso de obtención de un átomo de antimateria se debería gastar previamente 100 millones de veces más de energía. Además, la eficacia de almacenamiento de antiprotones en la actualidad es muy baja. Por poner un ejemplo, si se usara toda la capacidad mundial y recursos totales disponibles solamente se podría mantener encendida una bombilla de 100 Vatios durante 6 minutos..

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1. 7. Reflexión personal En mi opinión, la antimateria podría resultar muy beneficiosa en muchos ámbitos de la realidad. Sin embargo, en caso de poder generar antimateria, todavía no estamos preparados para ello. El famoso físico alemán Albert Einstein dijo una vez: ''No sé con qué armas se luchara en la tercera Guerra Mundial, pero sí sé con cuáles lo harán en la cuarta Guerra Mundial: Palos y mazas''. Creo que el ser humano no debería tener en su mano un poder tan devastador. A pesar de tener tantas ventajas, podría ser utilizado indebidamente para causar el mal. El nuestro es un mundo de gigantes nucleares e infantes éticos. Sabemos más de la guerra que de la paz, de matar que de vivir. Debemos hacer un uso humano de la ciencia, cosa de la que dudo el hombre de hoy en día sea capaz.

2. Materia oscura 2. 1. ¿Qué es la materia oscura? Se denomina materia oscura a la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya existencia es deducible a partir de los efectos gravitacionales que causan la materia visible (estrellas, galaxias, etc.). Según los estudios actuales, la materia oscura constituye alrededor del 25% de la masa del Universo observable.

Representación de materia oscura

2. 2. Su descubrimiento Si estamos hablando de una materia que no podemos ver, ¿cómo sabemos que en el Universo existe materia oscura? 9


La primera persona en proporcionar pruebas y deducir la existencia del fenómeno que se ha llamado materia oscura fue el astrofísico suizo Fritz Zwicky, del Instituto Tecnológico de California, en 1933. Observó que las velocidades de las galaxias en los cúmulos eran anormales. Según las leyes de la mecánica de Newton, la gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo resultaba ser muy baja para tal velocidad orbital, por lo que se necesitaba muchas más gravedad. Esto es conocido como el "problema de la materia desaparecida". Propuso que debía haber una "masa no visible", que proporcionara suficiente masa y por lo tanto suficiente gravedad constituyendo todo el cúmulo. Posteriores estudios como los de Vera Rubin vinieron a corroborar la teoría de Zwicky. En la práctica, la materia oscura fue detectada por lentes gravitacionales en Agosto de 2006. Una lente gravitacional, también llamada gravitatoria, se forma cuando la luz procedente de objetos distantes y brillantes se curva alrededor de un objeto masivo situado entre el objeto emisor y el receptor.

Esquema de la trayectoria de la luz en una lente gravitatoria

2. 3. Explicaciones alternativas Para explicar los fenómenos anormales de los distintos aspectos del Universo, como las galaxias, existen diversas teorías aparte de la materia oscura, aunque esta última sea la más aceptada. Existen dos grandes alternativas: •

Modificaciones de la gravedad: Una explicación alternativa a las cuestiones planteadas por la materia oscura es de la teoría es la de la gravedad modificada (MOG) propuesta por John Moffat, basada en la teoría gravitacional no simétrica. Esta supondría que las inconsistencias observadas son debidas a una incompleta comprensión de la gravedad. Puede que a grandes distancias las fuerzas gravitacionales sean más fuertes de lo que nos indicaría la mecánica newtoniana. 10


Sin embargo esta hipótesis sigue teniendo muchas lagunas, por lo que no cuenta con muchos apoyos.

Explicaciones de mecánica cuántica: En esta clase de teorías se trata de conciliar la gravedad con la mecánica cuántica y se obtienen correcciones a la interacción gravitacional convencional.

No obstante parece ser que la teoría que de la materia oscura es la más aceptada a pesar de que aún estamos lejos de desentrañar los misterios que encierra.

3. Energía oscura 3. 1. ¿Qué es la energía oscura? La energía oscura es el nombre que se ha dado a una fuerza inexplicada que está separando las galaxias a un ritmo acelerado y en contra de la fuerza gravitatoria (fuerza gravitacional repulsiva). La energía oscura es una especie de anti-gravedad. La gravedad actúa para unir las cosas a nivel local, mientras que la energía oscura las separa en un ámbito global. Sin embargo, su existencia no está todavía probada, pero es la mejor teoría para explicar la expansión acelerada del Universo.

Expansión del Universo por la acción de la energía oscura

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Según los estudios, la energía oscura representa el 70% de la masa del Universo. Como ya se ha dicho anteriormente la materia oscura sería el 25%, mientras que la materia normal no pasaría del 5%.

3. 2. Su descubrimiento A mediados de los 90 los astrónomos midieron la velocidad de expansión del Universo. Puesto que la gravedad atrae a todo aquello que tenga una masa, muchos expertos esperaban hallar que la gravedad había ralentizado la velocidad de expansión del Universo, o que ésta permaneciera constante. Sin embargo y para sorpresa de todos, el resultado de las investigaciones fue que la gravedad estaba viéndose superada por otra fuerza y, por lo tanto, la expansión estaba acelerándose. Esta energía oscura o desconocida fue descubierta por dos equipos de astrónomos que trabajaban en Australia y EEUU. El Universo después del Big Bang comenzó a expandirse, pero la velocidad de dicha expansión se debería estar frenando levemente por la gravedad de la materia que contiene el Universo. En cambio lo que se descubrió es que la expansión en vez de frenarse se estaba acelerando. Los astrónomos explicaron este fenómeno diciendo que existe una fuerza contraria a la gravedad que hace que las galaxias se alejen más rápidamente de lo que deberían. Esta es la fuerza conocida como la energía oscura.

4. Conclusión final En conclusión, parece que nos encontramos ante descubrimientos que podrían cambiar la visión que tenemos del Universo. Sin embargo todos estos conocimientos se acercan más a la ficción que a la realidad. Primero se aprende a andar y después se aprende a correr. Nos queda un largo camino por recorrer antes de alcanzar las respuestas a todas las preguntas que el hombre tiene acerca del Universo. Esto no es más que el principio y aún quedan muchos años de investigación y duro trabajo para sacar a la luz los misterios que entraña el Universo.

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5. Bibliografía Libros: •

SAGAN, C. Cosmos. Editorial Planeta. 1ª ed. 365pp

LIDMAN, S - LUND, A. Gran Enciclopedia Visual 2000. Editorial Océano. 1ª ed. 16 tomos

WEINBERG, S. Los tres primeros minutos del Universo. Editorial Alianza. 1ª ed. 160pp

Páginas web:

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ONGAY, J - ARENAL, T. <http://revista.dominicas.org/antimateria.htm> La antimateria. [Con acceso el 2 del 11 de 2012] •

http://www.espacioprofundo.com.ar/verarticulo/La_Energia_Oscura.html La energía oscura [Con acceso el 10 del 11 del 2012] •

TORRES ARZAYÚS,S. < http://astroverada.com/_/Main/T_darkmatter.html> La materia oscura del Universo [Con acceso el 10 del 11 del 2012] •

<http://www.youtube.com/watch?v=xpSaH-qSQYw&hl=es> Materia Antimateria, video explicativo. [Con acceso el 3 del 11 de 2012]

<http://www.youtube.com/watch?v=5wDjCyekvvk> El Universo: materia oscura y energía oscura, vídeo explicativo. [Con acceso el 10 del 11 de 2012]

< http://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura> Materia Oscura [Con acceso el 10 del 11 de 2012]

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