Los Cuantos

Pero antes de zambullirnos en los cuantos, considero importante recordar algunos aspectos sobre el átomo. Éste consiste en una especie de nube de electrones que rodea a una muy pequeñita esfera casi quieta y de muy alta densidad que llamamos núcleo. Sabemos además, como ya lo hemos mencionado, que este núcleo atómico se compone de protones y neutrones, los que a su vez están compuestos de quarks, las partículas más pequeñas del universo. Al electrón lo conocemos hace algo más de cien años, y después de estudiarlo minuciosamente los físicos estamos convencidos de que es una partícula indivisible. Todo esto que llamamos átomo se arma, entonces, a partir de electrones y quarks que se adhieren al núcleo a través de una especie de ligamento que en castellano deberían llamarse «ligamones o gomones» pero popularmente son más conocidos por su nombre en inglés como «gluons», y quienes unen núcleos y electrones son los quizás más familiares fotones.

Aunque aquí no hablaremos con más detalle sobre la estructura del átomo propiamente tal, si nos queda por consignar un aspecto sobre las propiedades que éste comporta. En efecto, no podríamos entender la inmensa variedad de cosas que somos capaces de percibir si ignoramos absolutamente el interior del átomo. El átomo, como la célula y la familia son «unidades compuestas», útiles conceptualmente para describir algunas propiedades de la materia, los organismos vivos y la sociedad, pero ineficaces para entender una multitud de fenómenos que sólo se explican teniendo presente su constitución interna.

Después del breve recordatorio sobre la estructura del átomo, ahora vayamos al asunto que queremos tratar aquí, que son los cuantos. No es una herejía decir que los cuantos son uno de los productos de la desagregación dentro del reino de la física del siglo XIX. En efecto, el físico alemán Max Planck en su intentos de calcular el equilibrio de energía entre vibraciones y su radiación de entrada y salida, halló que necesitaba suponer la existencia de cuantos, o ciertas pequeñas divisiones de energía, ante que una gama continua de posibles energías. Definió un cuanto de energía como la frecuencia de la oscilación multiplicada por un número diminuto que no tardó en ser conocida como la constante de Planck.

Veamos si podemos explicar esto de los cuantos en términos sencillos. Partamos de la premisa que los electrones son ondas, al encerrarlos en una caja deberían tener modos especiales de vibración, como cuerdas y tambores, algún modo fundamental y sus armónicos. Lo interesante es que hay frecuencias privilegiadas que ocurren, como en el piano, mientras el resto de las frecuencias queda proscrito. La vibración puede darse en alguno de esos modos, o en una mezcla de ellos, tal como en la cuerda vibrante; pero no puede darse en frecuencias intermedias. También, así como la cuerda afinada en el la central del piano no puede dar tonos de frecuencia menor que 440 vibraciones por segundo, el electrón no podría «vibrar» con frecuencias menores que una cierta fundamental característica de la caja en que se encuentra.

En consecuencia, consideremos primero que la «caja» en que se encuentra el electrón es la atracción misma del núcleo; no tiene paredes, pero sí es capaz de atrapar al electrón en un pequeño volumen, como una cajita esférica. Segundo, según De Broglie la energía de los electrones, al igual que los fotones de Einstein, es proporcional a la frecuencia de los modos de vibración: a doble de frecuencia, doble de energía.

Para ser estables, los electrones en el átomo sólo pueden tener entonces ciertas energías, que corresponden al modo fundamental y los armónicos de una onda atrapada por el núcleo. El modo fundamental es el de más baja energía; y a más alta frecuencia, mayor energía. El electrón no puede tener una energía por debajo de la del modo fundamental, así que una vez allí no puede perder más y precipitarse al núcleo. Si, estando en este estado, de pronto llega un fotón, el electrón puede absorberlo aumentando su energía y pasando a un estado excitado, como un pájaro que salta de una rama de un árbol a otra más alta.

También como un pájaro baja saltando a una rama más baja, el electrón puede despedir un fotón y caer en un estado de menor energía. Estos brincos son siempre entre estados de energías fijas, y por tanto la luz emitida corresponde a frecuencias también bien definidas. Así, como átomos de distinta especie tienen diferente número de electrones, hay algunos que absorben o emiten luz roja y no azul, y hay otros que lo hacen con luz azul y son en cambio insensibles a la luz roja. Esta variedad es en último término la que da la gama de colores en todo lo que vemos.

Al principio, hemos esbozado la teoría del átomo con el ánimo de despertar curiosidad en el lector. Técnicamente, se la llama mecánica cuántica porque convierte en «cuantos» fijos las energías posibles del electrón en el átomo, así como otras magnitudes incluido el espín. Uno se pregunta a quiénes se les ocurrió estas ideas teóricas tan extrañas. Bueno, salió de las cabezas de sesudos como Bohr, De Broglie, Heisenberg, Pauli, Dirac y otros, quienes entre los años 1920 y 1930 la fueron estructurando; o mejor dicho, descubierta, más bien, pues cada problema que surgía y se resolvía en esos años le iba dando forma, como un escultor va extrayendo de la piedra el cuerpo de su modelo. Einstein queda fuera de la lista de sus creadores a pesar que su fotón jugó un papel conceptual esencial. La teoría que de allí salió no le gustó sin embargo, por su carácter irremediablemente probabilístico.

El sentido común induce a esperar que a tal causa corresponda tal efecto, precisamente y no sólo probablemente. Einstein intuía que debía haber una forma de construir una teoría del átomo que fuese determinista. Esta razonable expectativa aún no se materializa. Pero así como Newton debió esperar cerca de doscientos años para que su corpúsculo de luz fuera reconocido, quizás Einstein deba todavía esperar todavía unas décadas para que su esperanza sea satisfecha…

En otro comentario anterior  pasé a describir el concepto moderno de campo basándome en campos «clásicos», no me metí en el papel que desempeñan en ellos los conceptos cuánticos. Pero, ¿qué tienen que ver tales campos con las partículas cuánticas (quarks, electrones y otras ), de las que se compone en realidad el mundo? Los físicos dieron con la respuesta a esta pregunta cuando aplicaron los principios de la teoría cuántica al concepto clásico de campo. Comprobaron entonces que todo campo, si se «cuantifica» (si se le aplican las condiciones de la teoría cuántica) describe una partícula cuántica asociada. El cuanto asociado con el campo electromagnético clásico de Maxwell era el fotón, partícula de luz; el cuanto asociado con el campo clásico de Dirac era el electrón. Así se superó el desagradable dualismo de partículas y campos. Las partículas cuánticas se clasifican por la masa, el espín y la carga, exactamente igual que sus correspondientes campos.

La teoría cuántica aportó también una interpretación del campo clásico: la intensidad de un campo en cierto punto del espacio era igual a la probabilidad de hallar en este punto su partícula cuántica correspondiente. Los campos eran ondas probabilísticas de sus partículas cuánticas. Si el campo era intenso en cierto punto, era, en consecuencia, más probable que estuviera allí su partícula cuántica. Esta «interpretación estadística» de la teoría cuántica implica una indeterminación básica en las leyes de la física, porque la distribución de fenómenos cuánticos está absolutamente determinada por las ecuaciones de la teoría cuántica; pero los fenómenos individuales no. Por ejemplo, la teoría no especifica en qué punto de una pantalla dará un fotón concreto que pase a través de un agujero; sólo puede especificarse con exactitud la distribución de varios de tales impactos.

Al aplicar con éxito la teoría cuántica a la teoría de campo, se resolvieron los principales problemas que tenían planteados los físicos en las primeras décadas del siglo XX. Cayó en sus manos un instrumento matemático poderoso, una serie de conceptos trascendentales que abrieron una perspectiva imprevista de la realidad. Y surgió una estructuración nueva del mundo.

Según la nueva concepción, el mundo es un vasto espacio de campos interactuantes que se manifiestan como partículas cuánticas que se desplazan de un lado a otro e interactúan entre sí. La experiencia ha demostrado que esta descripción matemática abstracta puede explicar correctamente el mundo material microscópico tal como se observa en el laboratorio. La teoría del campo cuántico relativista constituye la culminación de décadas de trabajo científico, quizá de siglos, y, hasta el momento, ha mostrado una notable capacidad de supervivencia. Aunque sus principios básicos se han puesto a prueba, no han fallado nunca.

Las leyes básicas de la teoría del campo cuántico relativista siguieron incólumes durante los años de 1930. Desde entonces, se han desarrollado y ampliado y se han aplicado al mundo real de las partículas cuánticas. Mencionaré algunos de los avances más notables que nos servirán de orientación cuando pasemos a describir el origen del universo.

Texto extraído desde Astrocosmo

[?]