La gran Ilusión ENSAYO: LA GRAN ILUSIÓN II. LOS CUARKS Introducción En este ensayo pretendo hacer caer en la cuenta que detrás de las cosas que parecen comunes a nuestros ojos, existen intrincados procesos así como cantidades extraordinarias de suerte, pues al leer el excelente libro La Gran Ilusión, te das cuenta de que no siempre lo más grande es lo más complejo y que lo que requiere más trabajo en el universo es la formación de apenas unos cuantos compuestos orgánicos, necesarios enormemente para la vida y aún más para la vida inteligente, en resumen, nos enfrento a que somos un simple producto del azar, pero sin dejar de reparar en que si comprendemos de dónde venimos, podremos saber a dónde nos dirigimos, y si ese destino nos desfavorece, qué es lo que podemos hacer al respecto. Además de esto, me gustaría exhortar a la gente para que tomemos iniciativa sobre los asuntos referentes a las nuevas investigaciones, mostrar un poco de iniciativa no nos puede hacer daño, sobre todo en México, uno de los países -aceptémoslo- más atrasado en materia de educación. Bien, en el ensayo resumo y explico, apoyándome en otras publicaciones, cómo fue que se llegó a la conclusión de que el átomo de Demócrito no es en realidad la partícula elemental, sino que es un conjunto de varias partículas más pequeñas, tanto, que si pudiéramos verlas a simple vista, los objetos pequeños tendrían varias veces el tamaño de la distancia de la tierra a la luna; y que éstas tampoco son siquiera elementales, sino unas formadas por otras igual de pequeñas en comparación, los quarks. Más recientemente se han creado teorías que desbancan al quark como partícula elemental, pero no las abordo en su totalidad, sino que las menciono superficialmente, pues ayudan a dar una mejor concepción de lo que el autor denomina -me imagino- cariñosamente, zoológico cuántico. La búsqueda de lo invisible Desde tiempos antiguos la búsqueda de lo elemental ha inquietado a las personas, la primera teoría creada –documentada- para el efecto de calmar esa inquietud fue la de Demócrito y Epicuro, quienes llamaron esta partícula invisible, indivisible y eterna, Átomo, del griego -adivinaron- indivisible, éstas partículas, según los filósofos griegos deberían tener propiedades diferentes, así como las sustancias que los átomos de diferente naturaleza constituyen, así, los átomos del agua eran lisos y redondos y los de la tierra, rugosos, además de los átomos, sólo existía el vacío, y en conjunto, todos los átomos y todo el vacío formarían el universo entero, pero éstas aseveraciones, por más que se parezcan a lo que se sabe hoy en día, eran sólo teorías, por lo que en su tiempo, no se creyeron y la búsqueda se detuvo por todo el lapso en el que las ideas aristotélicas acerca de la conformación de la materia prosperaron, ese lapso ocupa desde el final de la edad antigua a toda la edad media -la era obscura-.
Ya a mediados del siglo XVIII, los científicos no se preguntaban si la concepción griega -aristotélica- estaba equivocada, sino que las personas que se movían en los círculos ilustrados las daban por equivocadas y las desechaban de inmediato, esto llevó a los primeros experimentos serios para comprobar la existencia de átomo, ésta comprobación estuvo a cargo de John Dalton, que se apoyó en las observaciones de Lavoisier, plasmadas en su Traité élémentaire de la Chimie y a la Ley de proporciones múltiples, establecida por Joseph Proust, otro gran químico francés. Dalton observó que la ley de Proust se explicaba más fácilmente si cada elemento estaba formado por partículas indivisibles. Debido al parecido de su teoría con la de Demócrito, postulada más de dos mil años atrás, llamó a la partícula átomo, aunque las dos teorías parecen ser iguales, debemos recordar que una estaba basada en la experimentación. De este modo, Dalton logró reunir ideas muy antiguas con otras apenas concebidas, ambas correctas pero ahora apoyadas en el fuerte pilar que es la experimentación para la sociedad científica de la época. El científico sueco Berzelius demostró con algunos miles de experimentos que la ley de Proust funcionaba, con lo cual también la teoría atómica de dalton, es por esto que las ideas del científico inglés fueron tomadas y aplicadas en la comunidad de los químicos, pero no llegaban a convencer a los físicos. Luego se descubrió que los átomos emiten luz a frecuencias determinadas, cuando el espectroscopio -aparato inventado por los científicos Bunsen y Kirchhoff- demostró esto último, empezó la época en que los científicos trataban de encontrar nuevos elementos comparando sus “espectros” o conjunto de frecuencias de luz características de cada átomo. Esto fue considerado la primera espectroscopía. En la época posterior a la unificación de teorías sobre la importancia del átomo, el físico alemán Wilhelm Konrad Röntgen o conocido en otros países -aquícomo Roentgen descubrió que de un tubo de Crookes salía una radiación muy penetrante y por demás misteriosa, que después establece, es una radiación electromagnética producida al chocar los electrones contra la pantalla del tubo. Otro científico, J. J. Thomson, encuentra que la luz verde del tubo de crookes son partículas con carga negativa, con este dato, como se ve más adelante, se puede calcular su masa, que ahora sabemos corresponde a la fracción 1/1837 de la masa del átomo más ligero, el del hidrógeno. Con este suceso se descubre el electrón, y, además de abrir el camino a la física moderna, se insinúa que el átomo de los químicos no es indivisible; Thomson se imagina a los electrones dispersos en una masa de carga positiva, como pasas en un pudín. Otro científico neozelandés, Ernst Rutherford, discípulo de Thomson, descubre unos nuevos tipos de radiaciones misteriosas provenientes de los entonces desconocidos elementos radiactivos, estudiados también por los esposos Curie; las radiaciones fueron clasificadas por Thomson en α, β , γ . La primera eran partículas de carga positiva con masa de valor parecido a la del átomo del Helio, los rayos β son los electrones encontrados por Thomson en sus experimentos y la radiación γ es de la misma naturaleza que los rayos X o la luz, electromagnética, sólo que con energía y penetración mayores.
Rutherford ideó que de la misma forma en que Bunsen y Kirchoff usaron la luz para realizar sus experimentos, se podía estudiar a los átomos con las partículas α, cuando puso manos a la obra, no se podía creer lo que encontró, la mayoría de las partículas pasaban sin modificar su trayectoria y, más sorprendentemente aún, algunas regresaban por donde habían venido, chocaban con algo muy masivo, que Rutherford imaginó en el centro del átomo, por lo que propuso una nueva forma de ver al átomo, como un mini sistema solar, en el que los electrones giraban alrededor de un núcleo masivo como si fueran los planetas y el núcleo, el sol; éste los atraía por medio de la fuerza eléctrica de Coulomb. Ésta representación, sin embargo, no explicaba por qué los átomos tenían espectros y por qué diferían de átomos de un elemento a otro. En 1900, el científico alemán Max Planck, propuso una solución para un problema teórico no resuelto en esa época, la catástrofe ultravioleta, o enigma del cuerpo negro, en el cual, de una cavidad en la que se hallaba una fuente de ondas electromagnéticas, salía un haz de éstas, las cuales, según la teoría, deberían tener más energía si su frecuencia era mayor, lo cual no concordaba con lo observado en experimentos, por lo cual estableció que la luz, y con ella todas las ondas electromagnéticas, deberían viajar en paquetes que él llamó cuantos, cinco años después, Einstein reforzaba su teoría ampliándola y llamando a esos paquetes definidos, fotones, partículas cuya energía es proporcional a la frecuencia de onda electromagnética, entonces Planck estableció un valor para ajustar los datos, la llamada constante de Planck, que toma el ínfimo valor de 6.63 x 10-34 Joule-segundos. La fórmula establecida por él se puede utilizar para variados cálculos, desde la ya citada frecuencia de onda hasta el radio de los átomos y la pequeñez de la constante nos puede explicar por qué los principios de mecánica clásica y las leyes de Newton bastan para explicar el movimiento de los cuerpos grandes. En 1913 Niels Bohr aprovechó el surgimiento de esa teoría para idear una forma en que se acomodaban los electrones en las órbitas, bien, la energía en cualquiera de sus formas hace que los electrones salten o se muevan de las órbitas más próximas al núcleo hacia las más externas, los saca de su llamado “Estado Basal”, luego, al regresar éstos a sus órbitas “normales”, liberan energía, que siempre es electromagnética, y si esa radiación está en la longitud de onda entre 400 y 700 nm - 1 x 10-9 metros- podemos observar la luz característica de cada átomo en el espectroscopio. Con esta propuesta, Bohr logró predecir los valores de frecuencia del átomo de Hidrógeno, pero no de los átomos más complejos que éste. La frecuencia de onda se encontraba por medio de la constante de Planck, con la fórmula E= hv, donde v es la frecuencia de la luz observada. Antes se había observado que las ondas electromagnéticas a veces se comportaba como partículas de materia y cuando alguien se dio cuenta, pensó que también se podía hacer que la materia se comportara como una onda, a esta teoría se le conoce como dualidad partícula-onda, propuesta en 1924 por el francés Louis de Broglie en su tesis doctoral, y explicaba de igual forma que Bohr el fenómeno de los espectros, los electrones deberían acomodarse en
frecuencias de onda definidas cuando se comportaban como ondas, así la teoría se ajustaba a los conocimientos de la época; la dualidad partícula-onda no fue muy apoyada en su época –se vio comprobada en numerosas ocasiones después-, por que los principios para definir partícula y onda eran muy diferentes. Entonces un físico alemán, Heisenberg, dio a conocer al mundo el principio de incertidumbre, según el cual la posición y la velocidad de una partícula no pueden medirse al mismo tiempo, por que si queremos medir la posición de la partícula, su velocidad se vuelve indefinido y viceversa. Cuando el principio de incertidumbre es cero, se puede despreciar y los cuerpos se comportan de acuerdo a la física clásica, pero cuando una partícula tiene una masa cercana a la del electrón -9x 10 -28 gramos- el principio de Heisenberg se aplica y trayectorias desaparecen, como en los electrones-onda de Broglie. Como un árbitro, otro científico aportó una nueva teoría para encontrar la unión entre Broglie y Heisenberg, Max Born estableció que la onda que acompaña a una partícula da la probabilidad de encontrarla, por lo que si la partícula se encontraba en un espacio donde la frecuencia de onda era distinta de cero, la partícula podría ser hallada, pero nunca se tendría completa certeza de ello, es por esto último que el principio de Heisenberg se llama de incertidumbre, pues acabó con el determinismo clásico característico de otras épocas. Se llamó así a la rama de la física que reunía los conocimientos apenas adquiridos por los investigadores sobre la conformación de la materia a nivel subatómico, apropiadamente, porque la teoría cuántica –de Planck- toma parte importante en los experimentos requeridos por ella, tanto como para decirnos por qué leyes antiguas bastan para describir el movimiento de los cuerpos grandes, como para entender las regularidades aparentemente divinas de los elementos, estudiadas por Dimitry Mendeleiev, Emilio Durkheim y . Lo primero se dedujo de que si la ecuación de Schrödinger era correcta y por lo tanto el valor del radio de Bohr, que es el del radio del átomo más simple conocido, el hidrógeno; los efectos que se producen a los pequeñísimos tamaños atómicos1 no serían notados a la escala en que estamos acostumbrados a percibir las cosas, por lo tanto, las leyes que rigen ambas escalas pueden ser muy diferentes y nosotros no llegaríamos a notarlo, a menos que observemos con atención, cosa que hacían muy bien las personas dedicadas a estudiar la materia en el siglo XX, aunque les costara mucho trabajo. Con la ecuación de Schrödinger podemos obtener los valores de la energía de un electrón dentro del átomo, que, coincidiendo con las anteriores investigaciones de Bohr, toma valores fijos –discretos-, estos valores estaban, como dirían los investigadores contemporáneos de Schrödinger, cuantizados. También se descubrió con la ecuación Schrödinger que la forma de la órbita del electrón determinaba su energía, así como la velocidad de la partícula. Estos valores, eran por supuesto, fijos, lo que determinaba la forma de las cosas, al menos a su escala. Era la primera ecuación que tomaba en cuenta la forma de 1
El radio de Bohr tiene el valor de 5 X 10-9 cm; o sea 0.0000000005 metros.
las cosas, y todo esto, gracias a la función de onda –solución de la ecuación de Schrödinger-. Esta teoría otorgaba resultados satisfactorios para el comportamiento del átomo de hidrógeno, hasta que se enfrentó con un nuevo hecho experimental, cuando se hizo pasar un haz de átomos de hidrógeno por en medio de un imán asimétrico de diseño especial, el haz se dividía en dos, lo cual revelaba que el átomo de hidrógeno, que era neutro eléctricamente, tenía propiedades magnéticas que Schrödinger no había previsto, entonces se propuso que el átomo de hidrógeno sería como un cuerpo cargado en rotación y se le asoció un momento magnético, a esta propiedad se le llamó espín, que para concordar con los valores debería estar también, cuantizado. El espín es una propiedad siempre presente a escala subatómica, importantísima para revelar el comportamiento del átomo y por tanto de su conformación. Otro descubrimiento teórico de esta época se refiere al principio de Pauli, el cual establece que si una partícula está en cierto estado cuántico, otra partícula igual no puede ocupar ese espacio. Este principio lo dedujo a partir de que si se seguía la teoría más aceptada hasta el momento, entre más electrones tuviera un átomo, más pequeño sería, y de que si los electrones se comportaban de modo que entre más de ellos hubiera, más grande sería el átomo, entonces los electrones tendían a separarse, ¿por qué?, pues porque no todos los electrones caben en la misma órbita alrededor del núcleo, ése aporte a la ciencia nunca ha sido violado, de modo que se confiaba ciegamente en él. Henri Becquerel y sus rayos hacen una nueva aparición el la conformación del átomo, pues sus rayos α , que eran de la masa del núcleo del helio, parecían tener carga positiva y cuando Rutherford pensó que formaban el núcleo, la teoría se enfrentó con el problema de que si las partículas a eran del mismo carácter antisocial que los electrones, obedecerían el principio de Pauli y tenderían a separarse, formando átomos inestables, como no sucedía en la realidad. A las partículas alpha se le denominó protones y, como ya dijimos, se comportan de manera parecida a los electrones, a ésta clase de partículas que no pueden estar muy juntas sin repelerse se les conoce de fermiones y, además de tener carga eléctrica, también comparten la característica de tener un espín semientero. A las partículas con espín entero se les denominó bosones y existe la peculiaridad de que si dos fermiones suman sus espines, forman un bosón. Otro problema se presentaba luego de que los científicos descubrieran de qu{e están hechos los átomos, pues no se sabía qué fuerza podía mantener unidos protones y neutrones dentro del núcleo, bien a esta fuerza se le llamó interacción débil, y es muy poderosa, pero a distancias muy cortas, al menos lo suficiente como para i 14/mayo/08
Observaciones finales Es mi deber, de acuerdo a lo que he observado y constatado, comunicar a la sociedad estudiantil, que Guanajuato, sino es que México, está atrasado al menos 20 años, esto en materia de, bueno, temas relacionados con la materia, debido a que encontré que tristemente, la única referencia a los quarks, las partículas realmente elementales, es un libro publicado en 1987 por la SEP, el Fondo de Cultura Económica y el Consejo Nal. de Ciencia y Tecnología, del Dr. Jorge Flores Valdés, un investigador que impulsó una de las primeras iniciativas de llevar el conocimiento científico a las personas que no tenían acceso a -en esa época- costosísimos equipos para hacer experimentos y así ayudar al enriquecimiento del compendio de conocimientos concebidos en suelo mexicano. La misión de este distinguido personaje, que ya había escrito otro libro, éste sobre el monopolo -no monopolio- magnético, propiedad descrita por la teoría, pero que no pudo ser probada; me parece un muy buen ejemplo de la dedicación que caracteriza a las personas que tienen pasiones altruistas, y que por eso y muchas cualidades que se notan en sus escritos, todos deberían leer su obra. La gran ilusión es una forma muy interesante de mirar a la física cuántica, esto es, desde el punto de vista de las investigaciones hechas en fechas inmediatamente anteriores a la realización de los libros, es al fin y al cabo, un investigador mexicano el que lo escribió, no deberíamos confundirnos mucho al leer sus textos, claro, no sin un poco de conocimiento previo y la suficiente curiosidad por ámbitos científicos, cuya acción ahora se ha visto rezagada y/o obstruida por los diferentes medios de comunicación. El libro nos habla de una forma amena y coherente del trayecto que recorrieron los científicos de la veinteava centuria y anterior para encontrar la verdadera partícula elemental, esa que no se pueda dividir y que constituya todo lo que podemos observar en escala macroscópica, nos ayuda también con las fórmulas que se crearon para ajustar las observaciones experimentales con la teoría clásica y nos sorprende cuando nos dice cómo las teorías clásicas tuvieron que ser cambiadas para embonar con los resultados experimentales. A grandes rasgos el libro es una buena opción para el lector curioso y hambriento de nuevos conocimientos, como algunos de ustedes, y un servidor, pueden comprender.
