Sobre la luz. Sobre la materia.

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Una de las noticias de la semana pasada fue que unos científicos del Imperial College de Londres han dado con una manera sencilla de convertir fotones en electrones y positrones. Esto ya se viene haciendo en los aceleradores de partículas, pero, además de lo complejo y breve, requiere de electrones que generen fotones de alta energía que finalmente generen electrones…

Ahora, simplemente, se hace chocar fotones y listo. En teoría, porque aún hay que construir el aparato que lo haga posible. Se lograría simular, así, el proceso por el que nuestro universo comenzó a generar los elementos básicos de la materia en sus primeros momentos.

El asunto está descrito por todas partes, así que quien no sepa de qué va esto hallará amparo en Google y tal. Encontrará todos los artículos al respecto si teclea lo siguiente: “convertir la luz en materia”. Y de esa frase, o contra esa frase, va este artículo. O sea, de cargar quijotescamente contra la gran masa divulgativa, de aquí y del extranjero…

Pues sí, qué pasa…

Los titulares esconden  una trampa mortal aceptada por esta nuestra existencialmente abúlica civilización, un ancla lingüística que nos impide adentrarnos con valentía en la realidad descrita por la física contemporánea, y que sólo sirve para divulgar un mundo falso y pasado de moda, un mundo utilitario que sólo parece molar si responde con basta “materialidad” a la pregunta: “¿y eso para qué sirve?”. Y, entonces, la divulgación científica se reduce al alardeo tecnológico.

Empecemos por el principio y acabemos por donde podamos…

Según una definición común, materia es todo aquello que tiene localización espacial, está sujeto a cambios en el tiempo y posee cierta cantidad de energía. Esto da lugar a debates corrientes en torno a la naturaleza del fotón, pues no tiene masa ni volumen ni, lo más “extraño” de todo, no está sometido al tiempo. Veamos…

Uno de los errores típicos es identificar materia y masa.  Aún hoy, es común seguir asociando la materia con todo aquello que tiene masa, de forma que fenómenos puramente energéticos, sin masa, como la luz, se consideran “inmateriales” y, frente al término “materia”, se opone el concepto “campo de energía”. Surge entonces el dilema ante la cuestión sobre cómo es posible que la materia emerja de la no materia.

Si planteamos el asunto de otro modo, entonces podemos decir que estamos ante la transformación de materia sin masa en materia con masa. En términos de la física de partículas, hay materia másica: los fermiones, como electrones, protones y neutrones que conforman el átomo; y materia no másica: los bosones, que son partículas de pura energía como las asociadas con las fuerzas conocidas en el universo, de las cuales el fotón es la partícula de la fuerza electromagnética.

La ausencia de masa otorga a los bosones cualidades muy “extrañas” desde el punto de vista que los humanos terrícolas tienen de la realidad. Y, claro, eso de concebirlos como materia se complica, porque la materia no puede hacer cosas raras… O algo así debe pasar por la mente de los comunes y aburridos intelectos de este mundo.

Siendo un adolescente, Einstein se preguntó cómo se vería un rayo luz si nos moviéramos a su misma velocidad y lo contemplásemos a nuestro lado. ¿Aparentaría estar quieto como lo está un coche que viaja paralelo al nuestro?  Pero, como él mismo se dio cuenta, esto jamás puede ocurrir pues, de lo contrario, el universo desaparecería para el observador…

Y eso porque, según las ecuaciones de Maxwell sobre las ondas electromagnéticas, o sea, sobre la luz, ésta siempre se mueve a la misma velocidad, o sea, a la “velocidad de la luz”; si un viajero pudiese viajar paralelo a un rayo de luz y éste se mostrara, desde su privilegiada perspectiva, “quieto”, la velocidad relativa de las ondas electromagnéticas sería cero, de forma que el electromagnetismo dejaría de actuar y la fuerza que mantiene unidos a los átomos se desvanecería. Tal cual.

Así que, para que el universo exista, la luz tiene que ser una constante, independientemente de la perspectiva del observador. Ya estemos quietos o ya viajemos en una nave cuasi-lumínica, un rayo de luz siempre se nos cruzará a la velocidad de la luz.

Pero hay algo más: la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador, independientemente de su movimiento en relación a un fotón, pero, ¿y para el fotón? ¿Cómo experimenta el universo un fotón que viaja a la velocidad de la luz?

Espacio y tiempo son dos aspectos inseparables desde que el matemático Hermann Minkowski, en su día profesor de Einstein en Zurich, habló en 1908 del espacio-tiempo como realidad unitaria, un concepto que sería acabado en la Teoría de la relatividad general: las unidades ganadas en el eje espacial son perdidas en el temporal; por eso, el clásico ejemplo del astronauta que viaja a velocidades relativistas nos demuestra que el tiempo dentro de la nave pasa más lento en comparación con el tiempo de un observador externo a la nave.

Los aceleradores de partículas se han encargado de demostrar que esto es una realidad: al mantener partículas elementales a velocidad relativista, su tiempo de vida se alarga.

El fotón es el caso extremo, el límite de nuestra realidad espacio-temporal: no está sujeto al tiempo, pero sí al espacio; la luz usa todo su cociente espacio-temporal en el eje “espacio”, de modo que, a la velocidad de la luz, el valor para el eje “tiempo” es cero, no existe.

Esto quiere decir que cualquier recorrido que un fotón hace en el espacio, desde su perspectiva, es instantáneo, pues para el fotón no existe el tiempo. Desde su perspectiva, la “velocidad de la luz” no existe; no hay movimiento alguno, pues no hay tiempo que permita el movimiento: el fotón está en todas partes en el mismo instante.

Por lo tanto, los fotones también son materia, pues forman parte de nuestra realidad espacio-temporal, sólo que todo su valor se vuelca sobre el eje de “espacio” y adquiere valor cero en el de “tiempo”.

La masa hace imposible alcanzar la velocidad de la luz: según se aplica energía a la materia másica para acelerarla, la masa aumenta; cuanta más masa, más energía hay que destinar para acelerar y, para alcanzar la velocidad de la luz, la cantidad necesaria es infinita.

Ahora bien, hay una cuestión a debate: debido a la estrecha relación entre ambas, ¿son masa y energía la misma propiedad expresada desde diferentes perspectivas?

Si afirmáramos que son la misma propiedad, entonces la noción común de materia es insuficiente y engañosa, el mero resultado de una filosofía estancada en las dualidades aparentemente ficticias de lo cartesiano, según nos hace ver la física de vanguardia.

Así pareció entenderlo Einstein cuando  escribió, en un artículo de 1938, que la diferencia entre campo de energía y materia es ficticia; esto significa que ni materia ni campo son el constituyente último de la realidad, pues ambas son manifestaciones de un mismo fenómeno que se nos aparece bajo dos formas diferentes pero que no puede ser ninguna de ellas, y cuya unidad trasciende la supuesta dualidad masa-energía.

Uno de los padres de la mecánica cuántica, Edward Eddington, entendía que masa y energía eran dos maneras diferentes de referirse a una misma cosa, de la misma forma que el paralaje y la distancia a una estrella son dos maneras diferentes de referirse a su localización en el espacio. Entonces, la distinción entre masa y energía es artificial; las consideramos diferentes porque empleamos dos unidades de medida distintas para referirnos a la misma cualidad.

Para el filósofo Roberto Torreti, el hecho de que un proceso físico que implica la emisión de energía lleve aparejada, inevitablemente, la pérdida de masa, es una prueba de que son la misma cualidad; si las vemos diferentes, es por nuestra manera de concebir el espacio y el tiempo.

La identificación de masa y energía con una misma propiedad tiene importantes consecuencias para nuestra manera de entender la naturaleza de la materia. Max Born escribió que los principales avances en el campo de la Física consisten en descubrir que lo que se consideraba una propiedad de un objeto es, en realidad, el resultado de una proyección; como las sombras de un círculo puesto delante de una bombilla, que adquieren innumerables formas según la superficie sobre la que se proyectan y la manera en que incide la luz sobre el círculo.

En el choque entre un electrón y positrón, éstos se desintegran y generan dos fotones. El proceso puede ser visto como dos partículas que pierden toda su masa y la transforman en pura energía. Y lo mismo vale para el proceso inverso, el de dos fotones “transformados” en electrón y positrón.

Si masa y energía fuesen lo mismo, estaríamos ante la misma partícula que ha cambiado su disposición, o su “perspectiva”, en el espacio-tiempo: de moverse por el espacio y el tiempo de una determinada manera, a carecer de tiempo y ocupar el espacio; y viceversa.

Aunque ya no deberíamos hablar de partículas, sino de algo que se manifiesta, como las dos sombras proyectadas en diferentes superficies, como partícula y como radiación; algo con una cualidad que se manifiesta como masa y como energía.

Algo que existe jugando con el espacio-tiempo al antojo de las circunstancias: en un extremo, el espacio sin tiempo, el fotón. ¿Y en el otro? ¿Qué habita el tiempo sin espacio? ¿Acaso los pensamientos no serán sino “materia” en el tiempo absoluto…?

Junto a Gregory Breit, John Wheeler fue quien, en 1934, describió el proceso por el cual transformar fotones en electrones y positrones; ese que ahora dicen puede  ser llevado a la práctica. Nada mejor, pues, que acabar con una reflexión suya sobre la realidad:

Behind it all is surely an idea so simple, so beautiful, so compelling that when in a decade, century or millenium, we grasp it, we will say to each other, how could it have been otherwise? How could we have been blind for so long?

(“Law without Law”)

Pues eso.

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