Materia - Explicación y definición de materia

¿Qué es la materia?

La materia se define como cualquier tipo de entidad que podemos encontrar en el universo que tiene masa y ocupa un espacio. Esta clásica definición de materia ha evolucionado conforme el paso del tiempo y los avances científicos desarrollados en el área de la física cuántica y en la teoría de la relatividad, así pues podemos definir desde un punto de vista de la física moderna a la materia como cualquier tipo de entidad másica que a nivel macroscópico ocupa y curva una región del tejido espacio-tiempo y a que a nivel microscópico puede comportarse como una onda, más adelante explicaremos a detalle cada uno de estos conceptos implicados en la definición.

Podemos afirmar que estamos rodeados de materia, nosotros mismos somos materia, la pantalla con la que estás viendo este artículo, el agua que bebemos, el aire que respiramos, el sol que nos ilumina... nuestro mundo está lleno de ella pero si nos adentramos en su estructura fundamental a escala microscópica nos daremos cuenta que el mundo material está prácticamente vacio en su interior y si miramos la inmensidad del universo entenderemos que la materia que podemos identificar solo ocupa un 4% de su volumen.

Hoy en día sabemos que la materia está compuesta por átomos, que a su vez está compuestos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo diminuto, para que nos hagamos una idea el volumen que ocupa los electrones y el núcleo en un átomo corresponde al 0,00001%, es decir el átomo está casi vacio, ¿entonces qué es lo que hace que el acero sea duro y compacto? la respuesta reside en los uniones que se originan en el interior de los átomos así como los enlaces con otros átomos.

Gracias a los enlaces químicos y las interacciones atómicas la materia adquiere "consistencia", los enlaces químicos mantienen unido al mundo, sin ellos solo habría átomos sueltos y no existiría ninguna de las sustancias que forman nuestro universo incluidos nosotros mismos. Estas uniones son las responsables de los diferentes estados en la que la materia se puede presentar:

• Sólido - Los átomos que lo componen se encuentran fuertemente entrelazados en formas predefinidas restringiendo el movimiento de las partículas en un movimiento vibratorio u oscilatorio.

• Liquido - Las fuerzas de unión de los líquidos son menores a las fuerzas que mantienen unidos los átomos de los sólidos, permitiendo un movimiento libre de las partículas dentro del volumen que ocupa el líquido.

• Gaseoso - El movimiento de los átomos es libre dado a que las fuerzas que producen las uniones entre los átomos son muy débiles.

• Plasma - En este estado los átomos y moléculas se encuentran fraccionados en iones, electrones, fragmentos moleculares cargados eléctricamente pero que en su conjunto resulta un estado neutro.

Descubrimientos recientes demuestran la existencia de un quinto estado de la materia conocido como CBE (Condensado Bose-Einstein) en honor a los científicos que predijeron su posible existencia, en dicho estado los átomos son enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto haciendo que los movimientos atómicos sean nulos y los materiales adquieran propiedades increíbles propias de la física cuántica en donde los átomos se transforman en ondas que se superponen unas con otras dejando de existir átomos individuales para transformarse en un único superátomo. En 1995 los físicos Eric Cornell y Carl Wiemman sintetizaron en el laboratorio el primer condensado CBE otorgándoles el premio nobel de física en el año 2001.

Materia oscura, energía oscura y antimateria

Gracias a los estudios de la física a principios del siglo XX así como los avances científicos en el campo de la astronomía y la cosmología actualmente conocemos que no solo existe materia en el universo sino que existe también la materia oscura, la antimateria y la energía oscura. Dentro del universo observable la materia ocupa solo un 4% mientras que la materia oscura ocupa un 23% y la energía oscura el 73% restante.

La materia oscura corresponde a la cantidad de materia que sabemos que existe en el universo pero no podemos identificarla a través de las técnicas de identificación actuales, sabemos que existe dado a que al poseer masa genera efectos gravitacionales visibles por los telescopios y sondas espaciales, pero no podemos identificarlo dado a que no podemos captar su radiación electromagnética pudiendo ser porque su composición interna no posea ningún tipo de carga eléctrica.

Por otro lado gracias a los descubrimientos de astrónomo Edwin Hubble actualmente sabemos que el universo está en continua expansión, en este aspecto la energía oscura corresponde a un tipo de hipotética materia presente en el universo que no podemos observarla ni medirla pero sabemos que existe dado a que es la precursora de la fuerza repulsiva que hace al universo expandirse más y más rápido con el paso del tiempo.

Del 4% restante de materia que existe el 3,6% corresponde a gas intergaláctico mientras que solo un 0,4% corresponde a la materia que se encuentra en las estrellas, planetas, cometas y demás cuerpos celestes.

Sabemos que la materia está compuesta de átomos que a su vez están compuestos de partículas como los electrones, los protones y los neutrones, el físico Paul Dirac en 1928 predijo la existencia de antipartículas y por ende la existencia de antimateria formada por antielectrones (positrones) y antiprotones. En el año 1932 se identificó el positrón validando la teoría de las antipartículas y la posible existencia de la antimateria, posteriormente en el año 1995 el laboratorio Europeo Cern consiguió crear 9 átomos de antihidrógeno.

Cuando la materia entra en contacto con la antimateria ambas se aniquilan convirtiéndose en energía en un proceso cuya eficiencia es del 100%, dicha propiedad puede ser utilizada por los seres humanos para producir energía eficiente y limpia, con solo 100 gramos de antimateria podríamos abastecer todo el consumo mundial de electricidad demanda durante 1 año, por otro lado el uso de las antipartículas como los positrones se utiliza actualmente para fines médicos como la identificación de tumores mediante la tomografía siendo posible su uso para combatir a las células cancerígenas.

Propiedades intrínsecas de la materia

Atendiendo a la anterior definición de materia sabemos que posee masa, energía y ocupa un volumen, es decir la materia lleva consigo estas 3 propiedades intrínsecas.

• Masa - Para que exista materia es necesario que tenga masa y que podamos medirla, la masa define la cantidad de materia que posee una entidad, hoy en día sabemos que a nivel microscópico la masa de cualquier partícula viene definida por el grado de interacción que tiene con el campo de Higgs y a nivel macroscópico conocemos los efectos gravitacionales que ejercen las masas.

• Energía - La materia tiene energía correspondiente al movimiento de las partículas subatómicas así como la energía almacenada en los enlaces que se dan en la partículas subatómicas y entre los propios átomos, dicha energía puede ser liberada y detectada por el espectro electromagnético, por otro lado gracias a Einstein y a su famosa ecuación E=mc² sabemos que la energía se puede transformar en materia y viceversa ayudando a explicar el nacimiento del universo tras una enorme explosión de energía.

• Espacio - La materia ocupa un volumen y por ende espacio, desde el punto de vista de la teoría de la relatividad afirmamos que cualquier cuerpo másico produce una curvatura en el tejido espacio-tiempo siendo responsable directo las fuerzas gravitacionales, introduciendo por tanto la propiedad del tiempo dentro del concepto de la materia.

Por último a nivel microscópico el comportamiento de la materia entra en el mundo de la mecánica cuántica en donde el experimento de la doble rendija nos demostró su dualidad en la que la materia como un electrón se comporta tanto como una onda como una partícula siendo energía y materia al mismo tiempo.