Masa y Materia

El principio del universo conocido, este en el que vivimos nosotros y que la ciencia puede explicar casi en su totalidad, fue una gran explosión llamada big-bang, en la que se alcanzaron unas temperaturas enormes que enseguida empezaron a bajar a gran velocidad. Ni las temperaturas alcanzadas ni la rapidez de su descenso caben en las categorías de nuestra percepción: la temperatura bajó desde cien millones de billones de billones de grados hasta mil billones de grados en tan solo una décima de milésima de millonésima de segundo. En ese tiempo tan pequeño ocurrieron muchas cosas.

Agrupadas en su origen en una sola y separadas después aparecen las cuatro fuerzas destinadas a configurar el universo: La fuerza de la gravedad, que da lugar a la atracción de los cuerpos; la fuerza electromagnética, que rige el electromagnetismo, la fuerza fuerte, gracias a la cual existen los núcleos de los átomos; y la fuerza débil, de la que depende la radioactividad. También aparece el campo de Higgs, que es un campo sumamente interactivo que ocupaba entonces y ocupa ahora todo el universo conocido; y aparecen igualmente las partículas elementales, de las que nos interesan en este momento los electrones y los quarks.

Todo esto se conoce porque responde a un modelo desarrollado por la física teórica, de cuya veracidad nadie duda en estos momentos, denominado Modelo Estandar. Pero había un pequeño problema. En este modelo había un término que en el instante inicial tenía que ser igual a cero, pues de no ser así se rompía la simetría de las ecuaciones.  Como en este término la masa aparecía como factor multiplicador, si la masa era cero todo casaba perfectamente, por lo que se concluyó que en el instante inicial del universo no había masa. Pero si las partículas aparecieron sin masa, ¿cómo surgió la masa? Enseguida se elaboró una teoría que explicaba la aparición de la masa por la interacción de las partículas con un campo del que entonces no se no se tenía evidencia. Cuando en el año 2012 se descubrió la existencia del bosón de Higgs, esta teoría que explicaba la aparición de la masa quedó confirmada.

La masa de los electrones y los quarks surge por la interacción de estas partículas con el campo de Higgs. Tanto los electrones como los quarks tienen un atributo cuántico, basado en su spin, que consiste en que pueden presentarse bajo dos apariencias distintas que se denominan izquierda y derecha, como si hubiera electrones y quarks diestros y zurdos, lo mismo que nos ocurre a nosotros cuando vemos la imagen de otra persona en directo o en un espejo, donde los lados derecho e izquierdo intercambian sus posiciones. Cuando una de estas partículas, electrones y quarks, se encuentra con un cuanto del campo de higgs, si está en posición zurda salta a la diestra y viceversa, por lo cual se moverá saltando permanentemente de un estado a otro como si avanzara en zig-zag, por lo que su velocidad de avance será entonces más pequeña que la velocidad de la luz, que sería su velocidad de avance si lo hiciera en línea recta. A partir de ese momento los electrones y los quarks responden a todas las ecuaciones del Modelo Estadar como partículas con masa, en virtud de la cual no pueden alcanzar la velocidad de la luz. Aunque el proceso sea el mismo, la masa de los quarks es mayor que la de los electrones porque el salto de un estado a otro es más rápido y en consecuencia la frecuencia del zig-zag es mayor y la velocidad de avance más pequeña..

Explicada así la aparición de la masa, puede que deje satisfechos a los físicos y al Modelo Estandar, pero a los demás nos deja un poco perplejos, porque nuestro concepto de masa lo tenemos asociado a algo que pesa al ponerlo en una báscula y no a algo que pierde su capacidad de moverse a la velocidad de la luz.

Estamos todavía dentro de ese período de tiempo que para nosotros es imperceptible. Sin embargo, al final de ese período y gracias a esa masa, se han podido formar los primeros núcleos de hidrógeno. Y ya nada cambiará hasta que pasen 380.000 años, cuando la temperatura haya bajado tanto que podrán aparecer los primeros átomos de hidrógeno y seguidamente otros átomos más pesados, y es entonces cuando se pone en marcha el proceso de creación de la materia.

Sin entrar en detalles cuánticos la formación intuitiva de un átomo es bastante simple. Debido a la gravedad y a las cargas eléctricas de las partículas, los electrones se sitúan orbitando alrededor de los núcleos como si se tratara de un sistema solar, quedando así atrapados por algunas de las fuerzas que ya hemos mencionado. Luego sucede que, si se juntan dos o más átomos, los electrones no solo se encuentran atrapados por sus respectivos núcleos, sino que además sienten la atracción de los núcleos de los átomos vecinos, quedando así enlazados unos con otros por esos electrones compartidos. Cuando se juntan así varios átomos, en determinadas circunstancias forman lo que se llama una molécula, que, ahora sí, satisface el concepto que nosotros tenemos de materia, pues una molécula de cualquier cosa, agua o hierro, tiene ya todas las propiedades de esa cosa.

Resumimos por lo tanto diciendo que el universo nació sin masa; que en un tiempo infinitesimal apareció la masa como concepto físico; y que después de 380.000 años empezó a aparecer la materia en el sentido que nosotros la conocemos. 

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