¿Por qué no se nos enseña sobre el cuarto, quinto y sexto estado de la materia?

Decir que hay tres o (incluso seis estados de la materia) es como decir que los organismos son masculinos o femeninos o que tenemos cinco sentidos. Son categorías útiles para muchos propósitos, pero no tienen nada de fundamental. A pesar de lo que algunos han dicho, estas categorizaciones simples fallan incluso en la vida cotidiana. Así como los animales cotidianos como los caracoles y las babosas no pueden clasificarse como machos o hembras (esta imagen lo dice todo: hermafrodita) y su sentido de equilibrio / aceleración (o temperatura o hambre) no encaja en el paradigma de los cinco sentidos, existen muchos estados de la materia que no encajan bien en las categorías de sólidos, líquidos o gases.

En mi escuela secundaria, se enseñaban “tres estados de la materia” como un hecho de la naturaleza. ¡Claramente, esto se hizo por simplicidad ya que podría pasar toda una vida estudiando todos estos diferentes estados de la materia (y las personas lo hacen)! Sin embargo, desearía que hubieran sido menos doctrinales y dije “vamos a estudiar estos tres estados porque describen bien muchas sustancias en su vida cotidiana, pero hay muchos otros estados”. En mi opinión, es una tontería intentar enumera los estados de la materia porque hay muchas maneras diferentes en que la materia puede organizarse y muchos tipos diferentes de ordenamiento que pueden surgir.

Primero, no hay un tipo de sólido. Hay muchas estructuras cristalinas diferentes que tienen propiedades diferentes. Un ejemplo cotidiano de esto es la forma de grafito de carbono (mina de lápiz) y la forma de diamante de carbono, que tienen estructuras a nanoescala muy diferentes (alótropos de carbono) y diferencias muy obvias. Ciertas formas sólidas pueden tener diferentes propiedades en diferentes direcciones, por ejemplo, el grafito se desliza muy fácilmente en el plano de las hojas, pero no en la dirección perpendicular a las hojas. El hierro también adopta comúnmente diferentes estructuras dependiendo de cómo se haya procesado, lo cual es importante para la fabricación de acero (acero). Si el agua se congela muy rápidamente, forma hielo amorfo denso y tiene más de diez formas cristalinas diferentes bajo diferentes temperaturas y presiones. Los sólidos moleculares como el azúcar y el hielo tienen estructuras bastante diferentes a nanoescala que los sólidos iónicos como la sal o los sólidos covalentes como el cuarzo o el diamante, lo que da como resultado diferentes propiedades macroscópicas. La sal en una sartén y el azúcar en una sartén pueden parecer similares, pero el azúcar se comportará de manera diferente cuando enciendas el fuego (las moléculas de sacarosa comienzan a descomponerse químicamente antes de que se derrita; no puedes producir sacarosa líquida, ver Caramelización).

Los cristales líquidos (cristal líquido) tienen un orden similar al líquido en algunas direcciones y un orden sólido en otras. Probablemente esté leyendo este texto en una pantalla de cristal líquido. Las bicapas lipídicas, que son componentes principales de las membranas celulares, pueden mostrar el orden de los cristales líquidos.

Los imanes de refrigerador bajos pueden considerarse un estado distinto de la materia, ya que exhiben un orden magnético: ferromagnetismo. Claro que puede decir que son sólidos, pero yo diría que el ordenamiento magnético es un ordenamiento espacial importante y relacionado con él. El ferromagnetismo desaparece cuando el estado magnético alcanza su temperatura de “fusión” (temperatura de Curie), análoga a la fusión del hielo.

Los fluidos supercríticos, que son fluidos a temperaturas y presiones más allá de las cuales no hay fases distintas de gas o líquido, no son tan exóticos. Ocurren en respiraderos hidrotermales en el fondo del océano, en algunos procesos de limpieza en seco y en muchos procesos industriales.

En la misma línea, diferentes estructuras electrónicas (metal, semimetal, semiconductor, aislante) pueden considerarse diferentes estados de la materia (estructura de banda electrónica). Los conductores bidimensionales, como el grafeno, tienen un comportamiento electrónico muy diferente al de los conductores normales.

Luego, por supuesto, hay condensados ​​de Bose-Einstein, superconductores, superfluidos, plasma de quark-gluón y material de estrellas de neutrones. Algunos de estos ahora se pueden hacer de cosas que puede comprar en línea por menos de $ 100 (superconductor), mientras que otros requieren un laboratorio muy sofisticado (condensado de Bose-Einstein), mientras que otros son probablemente imposibles de hacer en la Tierra (material de estrella de neutrones).

En realidad, hay más de siete estados de la materia y, de hecho, enumerarlos comienza a convertirse en un debate sobre dónde trazar las líneas entre los estados. El modelo de siete estados que algunas personas defienden deja de lado, por ejemplo, el estado fluido supercrítico que surge cuando tanto la temperatura como la presión son lo suficientemente altas; En estas condiciones, el fluido actúa como líquido en algunos aspectos y como gas en otros.

Sin embargo, aparte de los cuatro estados que las personas encuentran en su vida diaria (sólido, líquido, gaseoso y plasma), la mayoría de estos otros estados ocurren en condiciones exóticas que rara vez se obtienen en lugares donde los humanos pueden estar. El modelo propuesto de siete estados que se está investigando aquí agrega como su cuarto, quinto y sexto estados los exóticos condensados ​​de Bose-Einstein, condensados ​​fermiónicos y plasmas de quark-gluón. Pero, hasta donde sabemos, los condensados ​​de Bose-Einstein solo pueden persistir en condiciones muy exigentes de baja temperatura y baja presión, ya que el exceso de energía térmica tenderá a expulsar a los miembros del condensado. Los condensados ​​fermiónicos son aún más técnicos a este respecto. Y los plasmas de quark-gluon pueden no existir realmente, y si lo hacen solo existirán muy brevemente en colisiones de energía extremadamente alta, y posiblemente durante el nacimiento del universo, un evento que ninguno de nosotros experimentará personalmente.

Honestamente, no sé por qué estos tres estados bastante exóticos merecen ser agregados a la lista canónica, pero los estados de fluidos superfluidos y supercríticos mucho menos exóticos no, dado que estos dos son mucho más fáciles de obtener en el laboratorio.

La misma razón por la que aún enseñamos la ecuación de gravedad de Newton en la clase de física.

Los científicos saben que el concepto de gravedad de Newton está mal desde hace bastante tiempo. Por ejemplo, no puede explicar la órbita de Mercurio alrededor del sol; solo Theroy of Space-Time de Einstein predice correctamente su órbita.

Sin embargo, el uso de las ecuaciones de Einstein es extremadamente difícil y, en general, para los casos que la gran mayoría de las personas necesitará y, en la mayoría de los casos, cerca de la superficie de la tierra, las ecuaciones de Newton (mucho más fáciles) son lo suficientemente buenas …

Solo aprendemos acerca de 3 (a veces 4) fases de la materia en la escuela porque la gran mayoría de las personas solo (sabiendo) tendrán que lidiar con eso.

Aprenderás sobre ellos. Es solo cuestión de cuándo / si llegas a ese punto. Tu estado importa.

Hay más de 20 estados de la materia. La mayoría solo observará 3. Dejé plasma (el cuarto) porque incluso eso no hace el corte en algunos casos.

No puedes enseñar todo de una vez. Tiene que comenzar de a poco y ser gradual. Es por eso que muchas cosas que aprende en las primeras clases de ciencias son aproximaciones. Muy buenas aproximaciones, debería decir. Nos dan un excelente punto de partida.

¿Recuerdas la fórmula para calcular el pH? ¿El logaritmo negativo a la base diez de la concentración de iones hidronio medida en moles por litro? Sí, eso es una aproximación. En realidad es la actividad de los iones hidronio. Es por eso que el pH no tiene unidades.

¿Recuerdas el Principio de Bernoulli, suponiendo que los fluidos son incompresibles? Pero son compresibles.

Ley del gas ideal? Ningún gas real es ideal. Pero la ley de los gases ideales es útil, no obstante.

¿Física newtoniana vs física cuántica? Las leyes newtonianas todavía funcionan y son muy útiles. (Leer: principio de correspondencia)

Ni siquiera se puede decir que algo está en reposo absoluto porque si un objeto está en reposo absoluto, el Principio de incertidumbre de Heisenberg predice algo muy peculiar. Realmente no se aplica a objetos macroscópicos en la vida diaria.

Por eso los otros estados de la materia no aparecen temprano. Para comprenderlos realmente, necesita más conocimientos básicos. Una vez que adquiera ese conocimiento, aprenderá sobre ellos.

Simplemente porque no son muy comunes en la vida de la mayoría de las personas.

Si está tomando cursos de física general o educación general universitaria, solo se enseñarán los tres estados básicos de la materia, ya que para la mayoría de nosotros, el 99.9999% de las cosas que nos rodean estarán en esos tres estados.

Estamos tan acostumbrados a los sólidos, líquidos y gases que la mayoría de las escuelas solo mencionan brevemente o ignoran por completo el plasma. Por supuesto, también hay condensado de Bose-Einstein y otros, pero estos no aparecen comúnmente en la naturaleza y solo ocurren en situaciones extremas, por lo que tendría sentido no enseñarlos y confundir aún más a los estudiantes. En mi experiencia, la mayoría de los maestros confunden el plasma con el gas (ejemplo: el sol está hecho de plasma, pero por lo general se enseña que está hecho de gas).

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