Todas las cosas son…¡átomos!

El mismo acto de explorar modifica la perspectiva del que explora; Ulises, Piteas, Marco Polo y Colón, habían cambiado cuando volvieron a su hogar después de explorar “nuevos mundos”. Lo mismo ha sucedido con la investigación científica de los extremos en las escalas, desde la inmensa y grandiosa extensión de los espacios cosmológicos hasta el minúsculo mundo enloquecido de las partículas subatómicas. Estos viajes nos han cambiado y, han desafiado muchas de las concepciones científicas y filosóficas que conformaban nuestra manera de ver el mundo que nos rodea.

La exploración del ámbito de las Galaxias extendió el alcance de la visión humana en un factor de 10²⁶ veces mayor que la escala humana, y produjo la revolución que identificamos con la relatividad, la cual reveló que la concepción newtoniana del mundo sólo era un parroquialismo en un Universo más vasto donde el espacio es curvo y el tiempo se hace flexible, dónde la materia es energía congelada y, donde el tiempo está unido irremisiblemente al espacio.

La exploración del dominio subatómico nos llevó lejos en el ámbito de lo muy pequeño, a unos 10^-15 de la escala humana, y también significó una revolución. Esta fue la Física Cuántica que surgió a partir de la semilla que sembró Max Planck, en 1900, cuando comprendió que sólo podía explicar lo que se llamaba curva del cuerpo negro –el espectro de energía que genera un objeto de radiación perfecta- si abandonaba el supuesto clásico de que la emisión de energía es continua, y lo reemplazó por la hipótesis sin precedentes de que la energía se emite en unidades discretas que Planck llamó cuantos, derivada de la palabra grecolatina similar, y los definió en términos del cuanto de acción, simbolizado por la letra h.

Planck no era ningún revolucionario –a la edad de 40 años era un viejo, juzgado por los patrones de la ciencia matemática y, además, un pilar de la elevada cultura alemana del siglo XIX-, pero se percató fácilmente de que el principio cuántico echaría abajo buena parte de la física clásica a la que se había dedicado durante muchos años su carrera. “Cuanto mayores sean sus dificultades –escribió-…tanto más importante será finalmente para la ampliación y profundización de nuestro conocimiento en la física.” Sus palabras fueron proféticas: cambiando y desarrollándose constantemente, modificando su coloración de manera tan impredecible como una reflexión en una burbuja de jabón, la física cuántica pronto se expandió prácticamente a todo el ámbito de la física, y el cuanto de acción de Planc, h, llegó a ser considerado una constante de la Naturaleza tan fundamental como la velocidad de la luz, c, de Einstein.

Dado que la frecuencia , la longitud de onda,  lambda , y la velocidad de la luz  cumplen , la relación de Planck se puede expresar como:

siguen otras muchas ecuaciones que desarrollan la idea principal.

Partiendo de la idea de Planck, vinieron muchos físicos que la desarrollaron, como es el caso de Schrödinger con su función de Onda, o, de Heisemberg con el Principio de Incertidumbre. El mismo Einstein, inspirado en el trabajo de Planck, en 1905 llevó la idea de Planck mucho más allá y publicó su trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico que, más tarde, le daría el Nobel de 1.923.

El principio cuántico era muy extraño y, a medida que fue evolucionando los físicos pudieron comprobar que era cada vez más extraño y, los resultados que obtenían de la investigación y las pruebas en laboratorio, acompañadas de la parte teórica, cada día les revelaba un nuevo Universo que nada tenía en común con la realidad del día a día en el mundo macroscópico de las cosas.

Nunca podremos saber, al mismo tiempo, dónde está una partícula y hacia donde se dirige. En mismo acto de la observación, puede variar el rumbo original y enviarla por otro camino impredecible. El mundo cuántico ¡es tan extraño! que se aleja de nuestro mundo cotidiano.

La ruptura decisiva con la física clásica se produjo en 1927, cuando el joven físico alemán Werner Heisenberg llegó al Principio de Indeterminación. Heisenberg descubrió que se puede conocer, o bien la posición exacta de una partícula determinada, o bien su trayectoria exacta, pero no ambas. Por ejemplo:

Estas imágenes de la cámara de niebla dejan ver las trayectorias de las partículas y los físicos las fijan mediante imágenes y signos numéricos que les dice lo que ahí está pasando.

Si observamos un protón que atraviesa una cámara de niebla, registrando su trayectoria podemos conocer la dirección en la que se mueve, pero en el proceso de abrirse camino por el vapor de agua de la cámara el protón disminuirá su velocidad, restándonos información sobre dónde estaba en un momento determinado. Alternativamente, podemos irradiar el fotón –tomar una instantánea de él, por decirlo así- y de este modo determinar la situación exacta en un instante determinado, pero la luz o cualquier otra radiación que usemos para tomar la fotografía apartará al fotón de su recorrido fijado, impidiéndonos el conocimiento de dónde habría estado si no hubiésemos actuado sobre él. Por consiguiente, estamos limitados en nuestro conocimiento del mundo subatómico. Sólo podemos tener respuestas parciales, cuya naturaleza está determinada en cierta medida por las cuestiones que optamos por indagar y cómo y qué medios empleamos para ello. Cuando Heisenberg calculó la cantidad mínima ineludible de incertidumbre que limita nuestra comprensión de los sucesos de pequeña escala, halló que está definida nada menos que por h, el cuanto de acción de Planck.

La indeterminación cuántica no depende del aparato experimental empleado para investigar el mundo subatómico, Se trata, en la medida de nuestro conocimiento, de una limitación absoluta, que los más destacados sabios de una Civilización extraterrestre avanzada compartirían con los más humildes físicos de la Tierra. En la física atómica clásica se suponía que se podía, en principio, medir las situaciones y trayectorias precisas de miles de millones de partículas – digamos, protones- y a partir de los datos resultantes hacer predicciones exactas de dónde estarían los protones en determinado tiempo futuro. Heisenberg demostró que tal supuesto era falso, que nunca podemos saberlo todo sobre la conducta de siquiera una sola partícula, mucho menos de una gran cantidad de ellas, y, por lo tanto, nunca podemos hacer predicciones sobre el futuro que sean completamente exactas en todos los detalles. Esto marcó un cambio fundamental en la visión del mundo de la física. Revelaba que no sólo la materia y la energía sino también los conocimientos están cuantizados.

Cuanto más minuciosamente examinaban los físicos el mundo subatómico, tanto mayor parecía la indeterminación. Cuando un fotón choca con un átomo, haciendo saltar un electrón a una órbita más elevada, el electrón se mueve de la órbita inferior a la superior instantáneamente, sin tener que atravesar el espacio intermedio. ¿Por dónde realizó el viaje el electrón? Ese famoso “salto cuántico” trae de cabeza a más de un físico tratando de desvelar el misterio que, de ser al fin descubierto, podría suponer otro enorme avance para la humanidad.

                   Reacciones de la cadena protón-protón

De la misma manera, como hemos podido leer muchas veces, es en virtud de la indeterminación cuántica como los protones pueden saltar la barrera de Coulomb, permitiendo que la fusión nuclear se produzca a una tasa suficiente para que las estrellas sigan brillando.

Está claro que, la mecánica cuántica choca, con las percepciones de nuestras imágenes mentales que provienen de nuestras percepciones visuales del mundo que nos rodea. Pero el mundo tal como lo perciben nuestros ojos aparece como una ilusión cuando lo examinamos a escala microscópica. Un lingote de oro, por ejemplo, aunque nos parece sólido, en realidad está lleno de espacios vacíos. El núcleo de cada uno de los átomos es tan pequeño que si un átomo fuese agrandado mil billones de veces, hasta que su capa electrónica externa fuese tan grande como Madrid, su núcleo aún tendría el tamaño de un coche mediano aparcado en la puerta de mi Oficina en la calle Palos de la Frontera, nº 21 Bajo, de Huelva.

La revolución cuántica ha sido penosa, pero tenemos que agradecerle que nos haya librado de varias de las ilusiones que afectaban a la visión clásica del mundo y que, en realidad, nos tenía inmersos en un mundo de irrealidades.

Una de estas ilusiones es aquella ilusión de que el hombre es un ser aparte, el supuesto de que está separado por la Naturaleza y que los actos de observación por ende, pueden efectuarse con completa objetividad. Claro que, hoy sabemos que ni somos observadores pasivos detrás de un cristal en un laboratorio, ni que estamos en un nivel diferente de todo lo demás. Nosotros y la Naturaleza somos una misma cosa, ya que, de la Naturaleza venimos y a ella, algún día, tendremos que volver.

La Física cuántica nos obliga a tomar en serio lo que antes era una consideración puramente filosófica: que no vemos las cosas en sí mismas, sino sólo aspectos de las cosas.

¡Nos queda tanto por aprender!

emilio silvera

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