La antimateria es lo mismo que la materia ordinaria, excepto que tiene la carga eléctrica opuesta. Por ejemplo, un electrón, que tiene carga negativa, tiene un compañero de antimateria conocido como positrón. Un positrón es una partícula con la misma masa que un electrón pero con carga positiva.
Las partículas sin carga eléctrica, como los neutrones, son a menudo sus propios socios de antimateria. Pero los investigadores aún tienen que determinar si las misteriosas partículas diminutas conocidas como neutrinos, que también son neutrales, son sus propias antipartículas, informa Live Science.
Aunque pueda parecer algo de ciencia ficción, la antimateria es real. La antimateria se creó junto con la materia después del Big Bang. Pero la antimateria es rara en el universo actual, y los científicos no están seguros de por qué.
Una nave espacial de la NASA ha detectado un estallido de antimateria causado por una tormenta eléctrica en la atmósfera de la Tierra. NASA
Los seres humanos han creado partículas de antimateria mediante colisiones superrápidas en enormes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones, situado en las afueras de Ginebra y gestionado por el CERN (la Organización Europea para la Investigación Nuclear). Varios experimentos en el CERN están creando antihidrógeno, el gemelo antimateria del elemento hidrógeno. El elemento de antimateria más complejo obtenido hasta la fecha es el antihelio, un análogo del helio.
También existen antipartículas naturales que se producen esporádicamente en todo el Universo. Pero cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan mutuamente y producen energía, lo que significa que en un cosmos dominado por la materia como el nuestro, la antimateria no dura mucho tiempo.
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La antimateria también está en el centro del misterio de por qué existe el universo. En los primeros momentos después del Big Bang, sólo existía energía. A medida que el universo se enfrió y se expandió, se formaron partículas tanto de materia como de antimateria. Los científicos han medido las propiedades de partículas y antipartículas con una precisión extremadamente alta y han descubierto que ambas se comportan de la misma manera. Entonces, si la antimateria y la materia fueron creadas en cantidades iguales y se comportaron de la misma manera, toda la materia y la antimateria creadas al principio de los tiempos deberían haberse aniquilado al entrar en contacto, sin dejar nada atrás.
La materia empezó a prevalecer sobre la antimateria
Una teoría sugiere que al comienzo del universo se creó más materia que antimateria, de modo que incluso después de la aniquilación mutua, quedó suficiente materia para formar estrellas, galaxias y, finalmente, todo lo que hay en la Tierra. La diferencia sería muy pequeña. Menos de 1 entre mil millones de partículas ordinarias sobrevivirían al caos y formarían toda la materia que nos rodea hoy.
Si el neutrino (una partícula diminuta y fantasmal que apenas interactúa con otra materia) es en realidad su propia antipartícula, esa podría ser la clave para resolver este problema. En esta teoría, al principio de los tiempos, una pequeña fracción de neutrinos podría haber pasado de antimateria a materia, creando potencialmente un pequeño desequilibrio de materia al comienzo del universo. Se han realizado experimentos para intentar determinar si el neutrino es su propia antipartícula, pero hasta el momento no han sido concluyentes.
El físico británico Paul Dirac predijo la antimateria en 1928 mientras intentaba combinar la mecánica cuántica, que describe las partículas subatómicas, y la teoría de la relatividad de Einstein. Dirac buscaba una solución a la ecuación que describe el movimiento de un electrón que se mueve a una velocidad cercana a la velocidad de la luz. «Así como la ecuación x^2 = 4 puede tener dos soluciones posibles (x = 2 o x = menos −2), la ecuación de Dirac puede tener dos soluciones: una para un electrón con energía positiva y otra para un electrón con energía negativa», según el CERN.
Al principio, Dirac dudó en compartir sus descubrimientos. Pero finalmente los aceptó y dijo que cada partícula del universo debe tener una partícula espejo que se comportara de la misma manera pero tuviera la carga opuesta.
Los positrones fueron descubiertos unos años más tarde por el físico Carl Anderson del Instituto Tecnológico de California, que estudiaba los rayos cósmicos de alta energía que vienen del espacio y golpean la atmósfera de la Tierra, creando una corriente de otras partículas. En su detector, Anderson observó un rastro de algo con la misma masa que un electrón, pero con carga positiva. El editor de la revista Physical Review sugirió llamar a la partícula positrón, según el Instituto Americano de Física.
Por su trabajo en este descubrimiento, Dirac y Anderson recibieron el Premio Nobel de Física: Dirac en 1933 y Anderson en 1936.
El físico teórico británico Paul Dirac fue una de las figuras más importantes en los inicios de la física cuántica. Compartió el Premio Nobel de Física con Erwin Schrödinger en 1933. Pero fue en 1927 cuando esta mente tranquila pero brillante comenzó su búsqueda de las “matemáticas bellas” y formuló lo que se convirtió en uno de sus mayores logros: la ecuación de Dirac.
En este extracto del capítulo sobre la antimateria de su libro The One Thing You Need to Know, el autor Marcus Chown explica cómo los métodos y gestos inusuales de Dirac nos ayudaron a comprender la física fundamental que da forma al mundo que nos rodea.
La naturaleza ha decidido duplicar el número de sus componentes básicos. Sorprendentemente, por cada partícula subatómica existe una «antipartícula» con propiedades opuestas, como la carga eléctrica. Hasta 1927 nadie tenía la menor sospecha de que existiera un mundo de «antimateria». Pero ese año, el físico británico Paul Dirac escribió una ecuación que describía un electrón que se movía cerca de la velocidad de la luz y notó que contenía algo extraño.
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Dirac fue uno de los pioneros de la teoría cuántica, una descripción revolucionaria del mundo submicroscópico de los átomos y sus componentes, escribe Marcus Chown en su libro Lo único que necesitas saber. La teoría reconcilió dos características aparentemente contradictorias del mundo reveladas por experimentos realizados en el primer cuarto del siglo XX: la capacidad de los átomos y sus similares de comportarse como partículas localizadas y como ondas en propagación. En 1926, el físico austríaco Erwin Schrödinger formuló esto en la ecuación de Schrödinger, que describe ondas de probabilidad cuántica que se propagan a través del espacio.
Pablo Dirac. Imágenes Getty
El problema con la ecuación de Schrödinger es que no incorpora la otra revolución de la física del siglo XX. En su teoría de la relatividad especial de 1905, Einstein demostró que suceden cosas extrañas en el espacio y el tiempo cuando un cuerpo con masa se aproxima a la velocidad de la luz. Aunque la ecuación de Schrödinger funciona bien para describir un electrón en un átomo pequeño, donde la fuerza eléctrica de sólo unos pocos protones en el núcleo hace que orbite a una velocidad mucho más lenta que la velocidad de la luz, en átomos más pesados, donde el núcleo tiene muchos protones y el electrón orbita a una velocidad cercana al límite de velocidad de escape, la ecuación no funciona. Lo que se necesitaba era una ecuación que fuera compatible con la relatividad especial (relativista) y eso fue exactamente lo que Dirac se propuso encontrar.
Dirac era un hombre extraño que hoy probablemente sería diagnosticado con autismo. Alto, desgarbado y con forma de bastón, tenía la costumbre de trabajar duro toda la semana y los domingos dar largos paseos por el campo alrededor de Cambridge, donde trepaba a los árboles altos, vestido con traje y corbata. Literalmente estúpido, era el Sr. Spock de la física. Cuando, durante una de sus conferencias, un estudiante levantó la mano y dijo: «Profesor Dirac, no entiendo la ecuación en el pizarrón», respondió: «Es un comentario, no una pregunta», y continuó su conferencia.
La aproximación de Dirac a la física no era menos extraña que su carácter. Mientras otros físicos buscaban análogos cotidianos de los fenómenos que querían describir y luego trataban de encapsularlos en una ecuación matemática, Dirac tuvo el coraje de simplemente sentarse con un lápiz y un papel y adivinar la forma de la ecuación. «Me gusta jugar con ecuaciones, buscando bellas relaciones matemáticas que quizá no tengan ningún significado físico», dijo Dirac. «A veces lo han hecho.»
Fue en su búsqueda de “matemáticas hermosas” en sus espartanas habitaciones del St. John’s College a finales de noviembre de 1927 que Dirac literalmente sacó de la nada lo que se conocería como la ecuación de Dirac. Hoy en día, es una de las dos ecuaciones inscritas en las baldosas del suelo de la Abadía de Westminster en Londres. Otra es la ecuación de Stephen Hawking para la temperatura de un agujero negro. “De todas las ecuaciones de la física, quizá la más mágica sea la ecuación de Dirac”, afirma el físico estadounidense Frank Wilczek (en It Must Be Beautiful: Great Equations Of Modern Science, de Graham Farmell (Granta, 2003)). «Es la invención más libre, la menos condicionada por la experimentación y la que tiene las consecuencias más extrañas y sorprendentes.»
Dirac descubrió que era imposible describir las propiedades de un electrón relativista, como su energía, con un simple número, por lo que tuvo que utilizar una tabla de números de dos por dos conocida como matriz. Esta «dualidad» explica la característica misteriosa del electrón. Los experimentos demostraron que la partícula se comportaba como si estuviera girando en una de dos direcciones: en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario. Sin embargo, si el electrón efectivamente giraba, su comportamiento sólo podría entenderse si giraba más rápido que la luz, lo que Einstein creía que era imposible. Los físicos se vieron obligados a concluir que el “espín” del electrón era algo completamente nuevo. Era una propiedad cuántica intrínseca que no tenía análogo en el mundo cotidiano. Y allí estaba, vio Dirac, simplemente saltando sin invitación de la fórmula que había escrito. «Mi ecuación proporcionó exactamente las propiedades necesarias para el electrón», dijo Dirac. «Fue un beneficio realmente inesperado para mí, totalmente inesperado». Según el físico estadounidense John Hasbrouck Van Vleck, la explicación de Dirac del espín del electrón puede compararse con «un mago que extrae conejos de un sombrero de seda».
El giro fue extraño. Pero otro aspecto que surgió de la ecuación de Dirac fue aún más extraño. Cuando Dirac escribió su ecuación, notó que su mecanismo estaba extrañamente duplicado. Parecía describir no sólo un electrón cargado negativamente, sino también una partícula con la misma masa que el electrón pero con carga positiva. En aquella época sólo se conocían tres partículas subatómicas: el protón en el núcleo del átomo; un electrón que gira alrededor del núcleo; y un fotón, una partícula de luz. No parecía haber necesidad de otro. Incluso grandes físicos de la época, como Werner Heisenberg y Wolfgang Pauli, creían que la ecuación de Dirac debía ser errónea. Sin embargo, Dirac tenía razón y ellos estaban equivocados, como demostró posteriormente un experimento realizado a 8.000 kilómetros de Cambridge.
En 1932, Carl Anderson, un físico estadounidense del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, intentaba comprender los rayos cósmicos, partículas de energía extremadamente alta provenientes del espacio. Esperaba que chocaran contra los átomos de la atmósfera, expulsando sus electrones. Si pudiera simplemente medir la energía de esos electrones expulsados, razonó, tendría control sobre la energía de los rayos cósmicos. Para ello, utilizó un campo magnético extremadamente fuerte para desviar los electrones, concluyendo que si tuvieran alta energía y por tanto se movieran rápidamente, pasarían poco tiempo cerca de su campo magnético y serían desviados menos bruscamente que si tuvieran baja energía y pasaran más tiempo allí.
Anderson hizo visibles sus electrones utilizando una «cámara Wilson». Dentro del dispositivo, se formaron pequeños rastros de gotas de agua a lo largo de las pistas de los electrones, y él pudo fotografiar estos rastros. El 2 de agosto de 1932, Anderson reveló una placa fotográfica y se sorprendió al ver una partícula con la masa de un electrón que era desviada del electrón por un campo magnético. No sabía nada de la predicción de Dirac. Sin embargo, se topó con el electrón cargado positivamente de Dirac, una partícula a la que inmediatamente llamó «positrón».
Dado que la combinación de materia y antimateria produce energía, los ingenieros han sugerido que las naves espaciales impulsadas por antimateria podrían ser una forma eficaz de explorar el universo.
La NASA ha estado explorando la posibilidad de utilizar vehículos de antimateria para viajar a Marte, pero la idea tiene algunos inconvenientes. En primer lugar, es muy caro.
Motor de antimateria. smotrim.ru
«Una estimación aproximada del costo de producir los 10 miligramos de positrones necesarios para una misión humana a Marte es de unos 250 millones de dólares utilizando tecnología actualmente en desarrollo», dijo Gerald Smith de Positronics Research LLC en Santa Fe, Nuevo México, en un artículo de 2006 para la NASA. El costo puede parecer alto, pero enviar cualquier cosa a órbita todavía cuesta alrededor de 10.000 dólares por libra, por lo que lanzar una gran nave espacial junto con su tripulación humana también sería costoso.
Más recientemente, los investigadores de la NASA consideraron utilizar la energía generada por las colisiones de materia y antimateria para enviar una sonda al cercano sistema estelar Alfa Centauri. La energía de las colisiones permitiría a la nave acelerar hasta el 10% de la velocidad de la luz, y luego desacelerar lo suficiente para explorar Alfa Centauri, quizás durante décadas.
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