En las ultimas paginas de la revista Investigación y Ciencia hay un apartado dedicado a comentar las ultimas novedades en libros de tema científico. Normalmente se comentan generalidades sobre el tema que trata el libro, apuntes sobre el autor o autores o fragmentos de él. En este caso los libros escogidos son Particle or Wave. The Evolution of the Concept ofMatter in Modern Physics de Charis Anastopoulos editado por Princeton University Press en 2008 y Fermilab. Physics, the Frontier, and Megascience de Lillian Hoddeson, Adrienne W. Kolb y Catherine Wstefall editado por The University of Chicago Press en 2008.
Y ha sido una sorpresa por mi parte el extenso artículo que le ha dedicado Luis Alonso al tema fundamental de los dos libros: la materia, haciendo un extenso y vertiginoso repaso desde la Grecia del siglo VII hasta el Fremilab y el CERN. Abrochaos los cinturones porque empieza el viaje al conocimiento de la materia.
Teoría y experimentación en torno al concepto clave de la física
por Luis Alonso
Entre los conceptos fundamentales del conocimiento humano sobresale preeminente el de materia. ¿A qué remite su significado? Con el tiempo se decantaron dos componentes últimos en liza, partícula y onda (Particle or Wave. The Evolution of the Concept ofMatter in Modern Physics). Importa tanto su desentrañamiento, que se han construido máquinas gigantescas para arrancarle ese misterio a la naturaleza (Fermilab. Physics, the Frontier, and Megascience).
La primera reflexión sobre la materia coincide con la aparición del pensamiento filosófico, en la Grecia del siglo VII. Tales de Mileto irrumpe en escena declarando que todas las cosas están hechas de agua. Leucipo y Demócrito hablan de una materia constituida por piezas discretas e indivisibles, átomos, que se mueven en el vacío y generan, en su desenvolvimiento, los objetos y fenómenos que percibimos y el alma que no percibimos. Empedocles lidera la teoría de los cuatro elementos básicos, puros, que no pueden resolverse en otros más simples, aunque sí dividirse de manera indefinida. Cada elemento se caracteriza por una cualidad distintiva; la tierra toma su nombre de la propiedad de solidez, el agua de la fluidez, el aire de su naturaleza gaseosa y el fuego de su relación con el calor.
El cuadro presocrático se completa con la aportación de Pitágoras, para quien la materia se estructura sobre la proporción, número y figura. A esta interpretación geométrica se suma Platón. Los bloques constitutivos de la materia, propone, son triángulos, que se combinan consigo mismos compartiendo algunas de sus aristas y generando poliedros regulares. Cada uno de esos poliedros corresponde a un elemento: tetraedro (fuego), octaedro (aire), cubo (tierra) e icosaedro (agua). Aristóteles percibe que todas las cosas del mundo se encuentran en flujo constante. A la manera de la arcilla, los cuerpos pueden ser modulados y recibir formas dispares; poseen en sí mismos una potencialidad intrínseca. Y, si no interviene ningún agente externo, el cuerpo se comportará de acuerdo con su composición, dirigido siempre hacia su “lugar natural”.
En el orto de la ciencia moderna, la reflexión astronómica de Copérnico, Kepler y Galileo motivó un replanteamiento general del concepto de naturaleza. Se tejen las grandes síntesis mecanicistas. Creía Descartes que su geometría analítica aportaba la clave para describir los movimientos de los cuerpos, en el bien entendido de que una cosa es material en tanto en cuanto es un cuerpo, es decir, ocupa un lugar en el espacio. No admitía la idea de espacio vacío. Materia es extensión. Leibniz asociaba el mundo natural a una máquina, cuyas partes, interconexas, operaban de acuerdo con unas reglas preestablecidas e inmutables.
Newton culmina la revolución científica al unir las “cosas de los cielos y las cosas de la tierra”. Todas se encontraban sometidas a las mismas leyes, expresadas en un lenguaje matemático. La mecánica newtoniana, que mantiene la vieja teoría atómica de partículas que se mueven en el vacío, introduce el carácter absoluto e inmutable del espacio y el tiempo. Su tesis central, recogida en los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, defiende que los cuerpos interaccionan entre sí al producir un cambio directo en sus aceleraciones. Y desgrana principios asociados. De acuerdo con su segunda ley del movimiento, la aceleración de la partícula es proporcional a la fuerza externa. La fuerza se ejerce desde un cuerpo físico sobre otro y se establecen pares de acción y reacción; tal es el contenido de la tercera ley. En ausencia de fuerzas, un cuerpo continúa en su estado natural de movimiento, un movimiento cuya velocidad es constante en una dirección determinada, propone la primera ley.
De las transformaciones de la materia se ocupaba la química. Georg Stahl avanzó la doctrina del flogisto, para explicar la combustión. Los materiales ricos en flogisto arden. En ese proceso, el flogisto escapa al medio y deja tras de sí un montón informe de cenizas. La teoría del flogisto prendió. No comenzó a abandonarse hasta que los químicos se percataron de que los fenómenos de combustión guardaban relación con la presencia de cierto gas. Priestley aisló ese gas, el oxígeno. El golpe definitivo contra la teoría del flogisto se lo debemos a Lavoisier y su famoso experimento: al quemar una sustancia metálica, las cenizas resultantes pesan más que la sustancia original (se suponía que el flogisto abandonaba los metales durante la combustión y, por consiguiente, las cenizas pesarían menos que el metal original).
¿Podían explicarse los fenómenos químicos mediante los conceptos físicos de la mecánica? Dalton se empeñó en unificar los conceptos de la mecánica newtoniana y los nuevos descubrimientos de la química. Mayer y Prescott Joule convergieron en defender la interrelación entre calor (esencial en química) y fuerza mecánica. Helmholtz dio un paso más y propuso que todas las fuerzas eran manifestaciones de una sola magnitud física. La elaboración de la teoría cinética condujo a la conclusión de que los fenómenos térmicos podían reducirse, casi por entero, a la mecánica newtoniana, cuando esas leyes se aplican al nivel de movimiento molecular. La teoría que explicita esa reducción era la mecánica estadística, desarrollada por Boltzmann y Gibbs.
Desde que Oersted observó que la brújula respondía a la presencia de un cable cargado y, sobre todo, desde los trabajos de Faraday, en física moderna nada es inteligible sino es a través de la luz del electromagnetismo. En “On Faradays Lines of Forcé”, Maxwell aportaba un lenguaje matemático para las líneas de fuerza eléctricas y magnéticas. En el desarrollo de las ideas de Maxwell desempeñó un papel determinante el concepto de energía, recién introducido en el estudio de los fenómenos térmicos. ¿Qué función cumplía la energía en los fenómenos eléctricos y magnéticos? En múltiples experimentos se había demostrado la transformación de calor y energía mecánica en energía eléctrica y magnética. ¿Dónde quedaba almacenada esa energía? Maxwell no dudó: en el campo. Encontró leyes del movimiento para los campos y advirtió de la profunda imbricación de los campos eléctricos y magnéticos. Las ecuaciones de Maxwell predicen que los campos eléctricos y magnéticos se propagan por el espacio en forma de ondas. Hertz detectó ondas electromagnéticas de muy baja frecuencia y verificó que sus propiedades eran parecidas a las de la luz.
El principio de energía junto con las teorías del electromagnetismo y la mecánica estadística parecían haber dado cumplimiento a los sueños de una ciencia matemática que describiera todos los aspectos del mundo físico. Sólo quedaban flecos de relevancia menor, opinaba William Thomson. Pero nada más lejos de la verdad. El mundo estaba en puertas de dos grandes revoluciones: la relatividad y la mecánica cuántica.
La teoría de la relatividad nació del electromagnetismo. Creíase que los campos electromagnéticos se propagaban por el éter, medio cuya distribución en el espacio debía ser homogénea porque las ecuaciones de Maxwell no se referían a ningún punto o dirección privilegiada. Einstein muestra en 1905 que la luz se mueve a la misma velocidad en todas las direcciones, cualquiera que sea el movimiento de la Tierra; resultan irrelevantes el éter y las ideas de espacio y tiempo absolutos. En su nueva teoría, las longitudes y los intervalos de tiempo medidos eran relativos con respecto al marco de referencia inercial empleado en la medición. Si el espacio y el tiempo no eran absolutos por sí mismos, se convertían en absolutos cuando se unían y formaban el espaciotiempo. La teoría especial de la relatividad constituía una reformulación de la teoría de Newton, no una revolución. Pero en la relatividad general, donde se incluyen también los fenómenos gravitatorios, el espaciotiempo pierde su carácter absoluto.
De los aledaños de la mecánica estadística y del electromagnetismo procedía el instrumento letal contra la mecánica newtoniana, la radiación de cuerpo negro. El cuerpo negro constituía un sistema ideal para el estudio de la relación entre fenómenos electromagnéticos y fenómenos térmicos. Los resultados de la medición de la radiación de cuerpo negro trajeron una sorpresa inesperada. Planck postuló que un cuerpo negro no emite radiación continua, sino en paquetes discretos. Existe un valor mínimo de energía, un quantum. No todos los quanta son iguales. Divergen en razón de la frecuencia de onda correspondiente. Con mayor exactitud, la energía de un cuanto es proporcional a la frecuencia de onda.
Einstein admitió la acción de los cuantos de luz y los llamó fotones. Otra partícula, el electrón, constituía un objeto intrigante. Su método de generación, así como el efecto fotoeléctrico, lo situaba en la composición del átomo. Si el electrón forma parte de la constitución interna del átomo, otras partículas con carga opuesta deberán estar presentes también, de suerte que la carga total sea cero. Rutherford demostró la existencia de una región donde se alojaba buena parte de la masa del átomo, el núcleo, que, además, tenía que portar carga positiva para que repeliera con violencia las partículas alfa.
A la teoría cuántica de Planck y al modelo atómico de Rutherford, Bohr agregó la información recabada de la espectroscopia, el estudio de la radiación electromagnética emitida por los cuerpos. De acuerdo con la hipótesis de los cuantos, la frecuencia de una onda electromagnética corresponde a la energía transportada por cada fotón. Bohr estudió el átomo de hidrógeno, que cuenta con sólo un electrón y ratificó el modelo atómico de Rutherford, dio explicación a las observaciones espectroscópicas y convirtió en centro de atención de la física la naturaleza del mundo cuántico.
De inmediato la física se esforzó por extender las aportaciones de Planck, Einstein y Bohr a otros sistemas físicos más complejos. La identificación del espín de la partícula y la existencia de la estadística cuántica revelaron propiedades cruciales. El éxito del modelo cuántico de Rutherford-Bohr del átomo posibilitó una explicación de las propiedades químicas de los átomos en términos de órbitas cuánticas de los electrones. El número de electrones en un átomo se identificó con el número atómico, que determinaba las propiedades químicas de los elementos de acuerdo con la tabla periódica de Mendeleiev. Se dio otro paso importante en la teoría cuántica cuando se zanjó el problema de la dualidad onda-partícula con el famoso experimento de la doble rendija.
En 1925 Heisenberg postuló que debíamos formular la física en términos de cantidades que remitan a magnitudes físicas observables. Pero, ¿qué observamos en física atómica? Nuestra única información procede de la radiación electromagnética, a saber, los fotones que son emitidos por los átomos. En el modelo de Bohr damos por supuesto que los fotones surgen en las transiciones de electrones entre dos órbitas permitidas. Toda la información que obtenemos de tales sistemas se refiere a dichas transiciones, a esos saltos cuánticos. Puesto que cada órbita puede caracterizarse por un entero, una transición se caracterizará por un par de tales enteros. Si tomamos en consideración las transiciones que corresponden a todos los pares posibles de enteros, formamos una matriz. Born y Jordan pusieron las ideas de Heisenberg sobre una firme base matemática. La nueva mecánica se denominó mecánica de matrices.
Schródinger, en línea con De Broglie, especuló si las partículas se comportaban como ondas. Formuló una ecuación, que describía su movimiento. Esa gavilla de aportaciones supuso la creación del marco de una nueva física, uno de cuyos principales retos lo tenía en el tratamiento mecánico cuántico del campo electromagnético. Dirac añadió que los estados de energía positiva correspondían sólo a las partículas físicas, las únicas que observamos y con las que interacciona-mos. Los estados de energía negativa no se manifiestan a sí mismos en la realidad, sino que forman una suerte de fondo o mar donde se originarían las partículas. Tal hipótesis suponía una distinción tajante entre los estados de energía positiva y los estados de energía negativa; los primeros se encuentran en su mayoría desocupados y corresponden a las partículas que observamos; los segundos están siempre ocupados y son inaccesibles a la observación. Apoyaba la distinción entre partículas y antipartículas en una noción interna del tiempo.
Para someter a contrastación empírica ideas tan novedosas se requerían herramientas no menos ambiciosas que sacaran a la luz los componentes últimos de la materia. La máquina prodigiosa se llamó ciclotrón, inventado en 1929 por Ernest Lawrence. En ese primer acelerador de partículas, los iones ligeros positivos rotaban en espiral hacia fuera en un campo magnético constante, aumentando gradualmente su radio por la acción de un campo eléctrico alternante y de frecuencia constante. En sus sucesores, los sincrotrones, inventados por Veksler en 1944 y por McMillan en 1945, se mantenía constante el radio circular de las partículas. Tras el sincrotrón, importante fue el principio de gradiente alternante, desarrollado en 1952 por Courant, Livingston y Snyder. En 1959 entró en funcionamiento el sincrotrón de protones del CERN en Ginebra y, en 1960, el sincrotrón de gradiente alternante del Laboratorio Nacional Brook-haven en Long Island.
Con la creación del Fermilab se buscaba superar de lejos la barrera de energía situada entonces en los 33 GeV del Brookhaven; en 28 GeV se situaba la frontera del CERN. Establecido en 1967 bajo el amparo de la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos, Robert R. Wilson fue su primer director-fundador. Toda la vida profesional de Wilson estuvo ligada al ciclotrón, que conoció en Berkeley en su juventud y al que consagró la tesis doctoral. Le sirvió para participar en la demostración, por Fermi y Anderson, de la primera reacción en cadena.
En su arranque, las infraestructuras experimentales del Fermilab se repartieron en cuatro áreas experimentales básicas: el área blanco interna (sección recta CZero del anillo principal), más tres áreas externas alimentadas por líneas de haz (el área de neutrinos, el área de mesones y el área de protones). Cada una realizaba experimentos específicos: dispersión protón-protón, búsqueda de quarks y monopolos, mediciones de secciones eficaces, dispersión elástica e inelástica, interacciones entre neutrinos, rayos cósmicos, etcétera. Fue en el área de protones donde se descubrió el quark belleza, uno de los seis del modelo estándar.
A Wilson le sucedió Leon Max Leder-man, quien puso en marcha el segundo anillo y abrió el dominio de energía a los billones de electronvolt (TeV). Bajo la dirección de Lederman, el Fermilab entró en la era de la megaciencia, con programas de investigación a largo plazo. Se construyeron dos detectores para analizar las colisiones. El nombre de Lederman va asociado al descubrimiento del mesón K neutro y a la existencia de dos tipos diferentes de neutrinos, relacionado uno con el muon y otro con el electrón.
Articulo publicado en Investigación y Ciencia nº 390
