Hola Elementales!
Vamos a empezar la primera de una serie de entradas donde vamos a explicar el "estado del arte" en el conocimiento sobre los ladrillos más pequeños que se han descubierto y las fuerzas que los interrelacionan. En definitiva se trata de la pregunta más antigua del hombre ¿de qué estamos hechos nosotros y todo lo que nos rodea? ¿cómo funciona todo esto?. Es una pregunta ambiciosa, así que iremos pasito a pasito, y sobre todo disfrutando del paseo. ¿Os apetece acompañarnos?.
No sé vosotros, pero el nivel de conocimiento en la enseñanza secundaria e incluso en la Universidad, salvo alguna carrera como Física o Ingenieria Industrial rama de energía-nuclear, nos decía que el mundo estaba hecho de átomos. La tabla periódica tenía ciento y pico elementos (no estaba claro el pico, a veces se hablaba de 105, 107, a veces de 109 elementos, ahora ya hemos creado hasta el elemento 112).
Según el modelo atómico descubierto por Ernest Rutherford, los átomos son como un pequeño sistema solar, donde casi toda la masa del mismo se encuentra ubicada en un pequeñísimo "núcleo" y alrededor hay una especie de nube o pelusa, compuesta de electrones que orbitan alrededor (como si fueran los planetas).
El tamaño del núcleo es unas 100.000 veces más pequeño que el del atomo. Así, la materia y todo lo que vemos está básicamente "hueco". Aquí nuestra intuición nos falla: al tocar una pared o coger una bola de hierro nos parecen muy sólidas, pero en verdad deberíamos poder atravesarlas sin problemas, si no fuera porque los electrones de mis dedos repelen con mucha fuerza a los electrones de lo que toco (como la pared) y me dan esa falsa impresión de espacio lleno de cuerpos rígidos en el que nos deselvolvemos.
El electrón es la primera partícula elemental que se descubrió, y hasta ahora y hasta donde hemos descubierto sigue siendo elemental, no está constituida por nada más pequeño o sencillo.
El núcleo era un pequeño misterio. Al principio se pensó que estaba constituido por protones y electrones ¿cómo si no se conseguía que los protones no se repelieran?.
Finalmente Rutherford postuló que estaba constituido por protones y otras partículas que pesarían como los protones, pero sin carga: los neutrones. Éstos últimos también tardaron en descubrirse. Al final James Chadwick un ayudante de Rutherford lo descubrió en 1932.
Así teníamos un modelo sencillo y muy elegante. Todo estaba constituido por tres partículas: protones, neutrones y electrones, y la fuerza electromagnética la trasportaba el fotón: una partícula sin masa. Un modelo casi tan bonito como el aristotélico: 4 elementos para describirlo todo.
La cosa no podía durar: no se explicaba ni siquiera efectos que ya se conocían muy bien entonces. Si el núcleo estaba constituido por protones con carga positiva igual a la del electrón y neutrones, ¿qué mantenía entonces unido al núcleo? porque la fuerza de repulsión que ejercen las cargas de los protones, dada su masa, es enorme a una distancia como a la que se encuentran si los acercas hasta tocarse tal y como están en el núcleo, muy apiñados.
Otra de las cosas que no tenían explicación era ésta: de acuerdo con las ecuaciones de Maxell (que tan bien habían funcionado unificado la electricidad, el magnetismo y la luz, prediciendo la existencia de ondas electromagnéticas y descubriendo de paso que la luz era un caso particular de ellas) los electrones, al girar entorno al núcleo, deberían radiar energía en forma de dichas ondas. Lo que produciría que al final deberían ir perdiendo energía y terminarían "cayendo al nucleo". ¿Entonces, por qué no se caían al nucleo? ¿por que no se desintegraba el núcleo? Podíamos describir empíricamente al átomo pero no sabíamos cómo funcionaba.
En las primeras décadas del siglo XX se descubrieron las leyes que regían este microcosmos: la mecánica cuántica. Tal vez el mayor avance fue considerar las partículas como ondas empaquetadas. La famosa dualidad "onda-corpúsculo". Los seres que habitan este mundo subatómico a veces se comportan como una partículas, y pueden por ejemplo chocar, y a veces se comportan como ondas, y pueden por ejemplo producir interferencias o difracciones. Nuestro sentido común fallaba aquí, acostumbrado nuestro mundo macrospópico. Realmente no son ni lo uno ni lo otro, si no algo intermedio... ya dedicaremos una entrada a la mecánica cuántica.
La ecuación de Schrodingër (autentica obra cumbre de la mecánica cuántica) describía al electrón con una "función de onda" y explicaba muy bien todas las leyes conocidas de la química. Volveremos sobre esto....
Sin embargo aún había lagunas: Pauli mejoró la ecuación para tener en cuenta algunos de los efectos de su propio campo magnetico.
Paul Dirac dió un espectacular avance: Revisó las ecuaciones de la física cuantica para hacerlas compatibles con la Relatividad Especial, para tener en cuenta los efectos relativistas cuando el electrón se acelera hasta velocidades próximas a la de la luz (cosa que ocurre muy fácilmente si observais su masa tan pequeña ... con unos pocos voltios...). Consiguiendo algo que entonces parecía imposible: la ecuación de Schrodinger no era simetrica con respecto al tiempo y a las tres coordenadas espaciales, condición exigida por la Relatividad (a parte de que no eran lineales, había terminos de segundo orden...). Dirac concibió una nueva ecuación genial, consiguió el Eureka!
La ecuación de Dirac es una de las más "bellas" de la física, es una de esas obras de las que se enamora su creador-descubridor. La pongo aquí para que veáis que no es tan compleja como podía esperarse, al revés parece sencilla y elegante (teniendo en cuenta que resume y unifica a la vez mecánica cuántica y relativista).
Lo más sorprendente es que se obtenían dos soluciones: una la que estaba buscando, la del electrón, y otra totalmente inesperada y aparentemente sin sentido físico, ya que tenía energía negativa! Dirac se dió cuenta enseguida de que ésto suponía que el espacio ya no estaría vacío, si no lleno de algo así como un mar de burbujas de energía negativa. Y si otra partícula energética (un fotón por ejemplo) chocara con una de estas burbujas, crearía un "hueco" en este mar que se comprotaría tal y como si fuera un electrón con carga positiva: un "positrón". Es curioso que desde el punto de vista de la simetría un positrón es algo así como un electrón que retrocede en el tiempo....
En menos de dos años se encontró al positrón y se acababa de descubrir la "antimateria". Dirac recibió por ello el premio nóvel de física en 1933 (compartiéndolo con Schrodinger).
Todos los verdaderos avances en física son así: no sólo se explica bien todos los datos, experimentos y efectos conocidos, si no que además permiten predecir e idear nuevos efectos y experimentos no observados o sospechados hasta la fecha.
En este caso, lo que no esperaba Dirac era las propiedades de la antimateria. Aparentemente es igual que la materia ordinaria pero con la carga eléctrica opuesta. Pero como es de energía negativa si se encuentra una antipartícula con su partícula ordinaria, se aniquilarán mutua e instantáneamente en un estallido de pura energía, (todo se convertirá en fotones gamma por ejemplo).
Es el mecanismo más eficiente posible para convertir materia en energía: el 100%. Según la formula E=mc2 onde c es la velocidad de la luz 300.000 km/s y m la masa. Una cantidad insignificante de materia se puede convertir en una cantidad gigantesca de energía: 1g de materia almacena mil millones de Julios de energía... (en la serie de ficción Star Treck, la nave funcionaba con un motor de antimateria...)
Es una pena que no haya antimateria en el Universo, hasta donde hemos podido comprobar. Sólo hay pequeñas cantidades procedentes de reacciones nucleares, como por ejemplo en la modalidad de desintegración Beta donde se emite un positrón y un neutrino (proton -> neutron + positron +neutrino)... Pero no hay antiátomos en la naturaleza. Hemos creado antiátomos en el laboratorio pero en cantidades ínfimas: entorno a cientos de ellos. Para hacer un gramo se necesitan del orden de 10 elevado a 24 átomos. Así, un gramo de antimateria sería más peligroso que todas las bombas atómicas del planeta. Desde un punto de vista positivo la antimateria sería tremendamente útil para resolver el problema energético. Hay novelas de ciencia ficción donde un meteorito de antimateria cae a la Tierra, o lo capturan, y de este modo se arregla el problema energético de la Tierra para siempre: energía gratis e ilimitada para todos...
Aún faltaban por resolver los infinitos que surgían por alguna parte y perfilar bien los efectos magnéticos del electrón: éste se comporta como un pequeño imán. Calcular el valor de su campo desafiaba la ecuación de Dirac, ya que se influye a sí mismo, se autoinduce.
Julian Swinger y Richard Feynman arreglaron las ecuaciones para coincidir con los experimentos hasta con 20 decimales! No hay teoría mejor comprobada. Debería estar en el libro Guiness de los Records. El proceso es la famosa renormalización y a la teoría resultante se la llamó "Electro dimámica cuántica" (QED en inglés). Es probablemente la mayor contribución al conocimiento humano desde los tiempos de Galileo y Newton. Es la culminación de un proceso, todo un edificio de conocimiento que empezó con los alquimistas, Dalton, Amper, Coulomb, Maxell, Heisemberg, Schrodinger,... Y funciona tan bién que explica totalmente nuestro mundo macroscópico: las reglas químicas y las de la biología quedaban explicadas totalmente de un modo fundamental.
A pesar de eso la quimica no está agotada, aún queda mucho que descubrir: todos los días se descubren nuevos materiales que nos hacen la vida más sencilla y cómoda, por no hablar de la biología. Sin embargo el problema fundamental está resuelto. Un día hablaremos de cómo a partir de reglas muy sencillas como las del electromagnetismo, surge algo tan complejo como un ser vivo, por ejemplo un árbol... esta complejidad emergente no es a priori predecible, actualmente no podríamos viendo la ecuación de Coulomb.
Poco después en 1934, precisamente se cumplen ahora 75 años, el físico japonés Hideki Yukawa tuvo una idea genial: se dió cuenta de que la masa de una partícula se podía asociar con el radio de acción de una fuerza que intermediara.
Por ejemplo el fotón no tiene masa y por eso el radio de acción de las fuerzas electro-magnéticas es ilimitado: disminuye con el cuadrado de la distancia, pero nunca se anula.
Si la gravedad la intermedia una partícula, el "gravitón", no debe tener masa porque su radio de acción es infinito.
En cambio la fuerza nuclear, pese a ser millones de veces más fuerte que la electromagnética, sólo actúa a distancias menores incluso que el tamaño del átomo, a distancias parecidas a la del propio protón. Podemos imaginarla como unos pequeños ganchos, fortísimos.
Así, postuló una supuesta partícula que podría explicar la fuerza que cohesiona al núcleo: se la llamó inicialmente Yukón en su honor, pero como hay un provincia de Canadá que se llama igual, al final le llamaron Pión.
El pión sería una partícula muy pesada (para la época), como una septima parte que un protón y unas doscientas veces más pesada que el electrón. El intercambio de partículas virtuales mantendría unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo. Interactuarían de foma similar a como lo hacen los fotones con los electrones en la electrodinámica cuántica.
En la imagen, un protón está unido a un neutrón intercambiando un pión (el conjunto sería un deuterón, el nucleo del isotopo pesado de hidrógeno el deuterio).
Al contrario de lo que sucedió con el positrón, se tardó bastante tiempo pero al final se encontraron los famosos piones, casi dos décadas después, en al desintegración en la alta atmósfera de protones por el choque de rayos cósmicos (partículas muy rápidas que proceden en su mayoría del viento Solar o del espacio profundo, y están constituidos principalmente por protones).
Un equipo de investigadores a finales de los años 40 subieron a una estación en Chile a 5.000 metros de altura y descubrieron dos partículas nuevas: primero el Muón. Ese primo gordo y pesado del electrón tan fundamental como él, no forma parte de la materia ordinaria, es inestable y se desintegra enseguida. Al tener una masa similar a la de la partícula predicha por Yukawa se pensó que era ésta. Fue una falsa alarma.
Un equipo de físicos italianos demostró no podía ser ya que no interactuaba con el nucleo.
Lo anecdótico fue que nuestro pión, que sí se encontró finalmente, se desintegraba rápidamente precisamente en los muones encontrados.
Yukawa recibió merecidamente el premio Nóbel de Física en 1949.
Había 3 tipos de piones: pi-, piº y pi+ de masa muy parecidas pero ligeramente distintas. La explicación no era compleja: si interactuaban dos protones o dos neutrones entre sí, intercambian un pión neutro. Si interactúa un protón con un neutrón: un pión positivo y así...
NOTA: Aunque al preguntar a los físcos de partículas para qué sirven o que aplicación pueden tener todas las nuevas partículas que se están descubriendo, la respuesta suele ser: "para nada en absoluto". Lo cierto es que los positrones ya se utilizan en medicina en la Tomografía de Positrones (mucho mejor que las resonancias y las radiografías). Y por fín ya hay al menos una apliación para los piones y los muones: Como muchos de ellos llegan a la superficie de la Tierra e incluso penetran bien dentro bajo tierra, se han utilizado en arqueología para conseguir imágenes y descubrir cámaras secretas en complejos de ruinas en Templos y Pirámides Mayas, etc.. poniendo detectores de ellos subterráneos.
Resumiendo: por los años 50 teníamos ya descubiertas 7 partículas: protones, neutrones, electrones, neutrinos (solo postulados pero ampliamente aceptada su existencia), muones, piones y fotones, el positrón (y supuestamente las todas las otras antipartículas respectivas). No era un modelo tan bonito como el de antes pero aún era aceptable.
Todo esto cambió con el descubrimiento de las partículas "extrañas" también en los rayos cósmicos y a continuación sucedió una explosión demográfica de partículas "elementales"... con la puesta en marcha de los primeros aceleradores de partículas: y esta vez nadie las había "pedido". Nadie había pronosticado su existencia (al igual que sucedió en el caso del muón).
(continuara...)
Un saludo Elementales
Francisco Menchen
PD Hoy sabemos que los piones son una partícula compuesta por dos quarks: un quark y un antiquark (un mesón, el más ligero de todos ellos).
Si tengo 3 piedras, tengo 3 posibilidades: un monton de tres, dos montones de dos y una o tres montones de una única piedra cada uno.
