¡La Física! Esa maravilla que está presente en todo lo que podemos ver y en aquello donde la vista no llega. La infinitud de las partículas elementales que forman todo cuanto existe en la Naturaleza, no siempre se dejan ver ni hacen posible que podamos observar las maravillas que pueden llevar a cabo,

Las sustancias formadas por una sola clase de átomos se llaman elementos químicos, y, si está conformada por distintos átomos, son compuestos. La palabra “átomo” procede del griego ατομος, que significa “indivisible” y el uso de la palabra “elemento” sugiere que se ha llegado a los ladrillos básicos con los que está formada la materia. De hecho, esta es la imagen que se tenía a mediados del siglo XIX cuando se acuñaron estos términos. Sin embargo, hoy sabemos que todo esto es falso, que los átomos se pueden dividir y que, de esta manera, los elementos han dejado de ser verdaderamente elementales. Los físicos continúan con esta nomenclatura aunque sea formalmente incorrecta, ya que, la costumbre, como dicen los juristas, no pocas veces rigen la jerga de las leyes.

A todo esto y hablando de los átomos, por fuerza, nos tenemos que acordar del electrón que da al átomo su forma esférica. Son partículas cargadas eléctricamente que se mueven alegremente alrededor del núcleo. El electrón es muy ligero: su masa es solamente 1/1.8836 de la del núcleo más ligero (el hidrógeno). La carga eléctrica del electrón es de signo opuesto a la del núcleo, de manera que los electrones están fuertemente atraídos hacia el núcleo y se repelen mutuamente. Si la carga eléctrica total de los electrones en un átomo iguala a la del núcleo, para lo que generalmente se necesitan varios electrones, se dice que el átomo está en equilibrio o que es eléctricamente neutro.

Claro que, no debemos olvidarnos de que, ¡Todo lo grande está hecho de cosas pequeñas! Una inmensa galaxia se conforma de un conjunto inmenso de átomos infinitesimales que juntos, hace ese gran todo.

La fuerza a la que obedecen los electrones, la denominada fuerza electrostática o de Coulomb, es matemáticamente bastante sencilla y, sin embargo, los electrones son los responsables de las importantes propiedades de los “enlaces químicos”. Esto se debe a que las leyes de movimiento de los electrones están regidas completamente por la “mecánica cuántica”, teoría que se completó a principios del siglo XX. Es una teoría paradójica y difícil de entender y explicar, pero al mismo tiempo es muy interesante, fantástica y revolucionaria. Cuando uno se introduce en las maravillas de la mecánica cuántica es como si hiciera un viaje a un universo que está situado fuera de este mundo nuestro, ya que, las cosas que allí se ven, desdicen todo lo que dicta nuestro sentido común de cómo tiene que ser el mundo que nos rodea.

La perfecta sincronía Está en la Naturaleza

No solamente los electrones, sino también los núcleos atómicos y los átomos en su conjunto obedecen y se rigen por la mecánica cuántica. La Física del siglo XX empezó exactamente en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck, escribió un artículo de ocho páginas y allí propuso una posible solución a un problema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta temperatura, y también la radiación infrarroja emitida, con menos intensidad, por los objetos más fríos.

Radiación electromagnética

Estaban bien aceptados entonces que esta radiación tenía un origen electromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regían estas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para el frío y el calor, la así llamada “termodinámica”, o al menos eso parecía. Pero si usamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidad de la radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nos dicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta más lejano, y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observa es que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longitud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para las longitudes mayores como para las longitudes menores. Esta longitud característica es inversamente proporcional a la temperatura absoluta del objeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de temperatura que empieza a 273 ºC bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objeto se pone al “rojo vivo”, el objeto está radiando en la zona de luz visible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podía ser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía de uno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la longitud de la onda y, por lo tanto, proporcional a la frecuencia de la radiación emitida. La sencilla fórmula es:

E = h x v

Donde E es la energía del paquete, v la frecuencia y h es una nueva constante fundamental de la naturaleza, la constante de Planck. Cuando Planck calculó la intensidad de la radiación térmica imponiendo esta nueva condición, el resultado coincidió perfectamente con las observaciones.

      Los cuantos de energía están presentes por todas partes y en todos los objetos

El Efecto Foto-eléctrico

Dualidad onda partícula

Los paquetes de energía de Planck

Poco tiempo después, en 1905, Einstein formuló esta teoría de una forma mucho más tajante: el sugirió que los objetos calientes no son los únicos que emiten radiación en paquetes de energía, sino que toda la radiación consiste en múltiplos de los paquetes de energía de Planck. El príncipe francés Louis-Víctor de Broglie, dándole otra vuelta a la teoría, propuso que no sólo cualquier cosa que oscila tiene una energía, sino que cualquier cosa con energía se debe comportar como una “onda” que se extiende en una cierta región del espacio, y que la frecuencia, v, de la oscilación verifica la ecuación de Planck. Por lo tanto, los cuantos asociados con los rayos de luz deberían verse como una clase de partículas elementales: el fotón. Todas las demás clases de partículas llevan asociadas diferentes ondas oscilatorias de campos de fuerza.

El curioso comportamiento de los electrones en el interior del átomo, descubierto y explicado por el famoso físico danés Niels Bohr, se pudo atribuir a las ondas de De Broglie. Poco después, en 1926, Erwin Schrödinger descubrió como escribir la teoría ondulatoria de De Broglie con ecuaciones matemáticas exactas. La precisión con la cual se podían realizar cálculos era asombrosa, y pronto quedó claro que el comportamiento de todos los objetos pequeños estaban exactamente determinados por la recién descubiertas “ecuaciones de onda cuánticas”.

14 de diciembre de 1900: Max Planck publica un arículo de ocho páginas y quedó sembrada la semilla de lo que, más tarde, sería la Mecánica Cuántica.

https://youtu.be/bzFWEHaOj0Q

En 1905 y más tarde en 1915, Einstein publicó la Teoría de la Relatividad Especial y General, lo que dio un giro al entendimiento de la Física, y, en la segunda parte, nos trajo una nueva forma de ver  y entender el Universo.

Pocas dudas nos pueden caber a estas alturas de que la mecánica cuántica (de Planck) y, la Relatividad –tanto especial como general- (de Einstein), además de ser las dos teorías más importantes de la Física de nuestro tiempo, funcionan de tal forma que uno, cuando profundiza en sus predicciones y las compara con lo que ocurre en el Universo, no puede por menos que, asombrarse, al comprobar como unas mentes humanas han sido capaces de llegar a estos profundos pensamientos que nos acerca a la realidad de la Naturaleza.

No me parece completa la reseña anterior sin repasar un poco lo que concierne al llamado Modelo Estándar de la Física de partículas, que supone una gran herramienta de trabajo para los físicos.

Steven Weinberg y Abdus Salam

Precisamente, en los dos últimos comentarios del contertulio Sr. Fandila y otro mío, nos estábamos refiriendo a las teorías y, los dos coincidimos en que, a medida que se avanza y se descubren nuevos parámentros, tienen que ser refinadas para que reflejen de manera más real lo que quieren representar de los fenómenos que vemos en la Naturaleza.

“El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973^{[cita requerida]} basada en las ideas de la unificación y simetrías¹​ que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas (exceptuando la gravedad, cuya principal teoría, la relatividad general, no encaja con los modelos matemáticos del mundo cuántico). La palabra “modelo” en el nombre viene del período de los 70 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo.¹​ Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.”

Han pasado 50 años desde que Steven Weinberg y Abdus Salam publicaran aquel artículo en el que formalizaron el llamado Modelo Estándar de las Interacciones Fundamentales. Han sido 5 décadas de actividad científica muy intensa en las que se han realizado toda clase de experimentos para someter a esta teoría a las más complicadas pruebas que nos dijeran si realmente era un modelo que reflejaba la realidad que la naturaleza nos quiere transmitir.

El Modelo Estándar está construido de manera imperfecta, y aunque ha sido y será una herramienta de un enorme rendimiento para los físicos, hay que reconocer que estaba construido con 20 parámetros aleatorios (metidos con calzador) y, de los cuales solo uno de ellos (el Bosón de Higgs) ha sido hallado.

En el modelo estándar que nos habla de las familias de partículas subatómicas que conforman la materia y también de aquellas otras que son intermediarias en la transmisión de las fuerzas fundamentales. Las partículas están divididas en familias como los quarks, los leptones y los hadrones. En realidad, los hadrones que se dividen en bariones y mesones se consideran una clase de subpartículas al estar conformadas por tripletes de quarks los bariones, y, por quarks y anti-quarks los mesones.

Además de las partículas mencionadas, en el Modelo Estándar están incluidas tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza: Fuerza Nuclear Fuerte, Fuerza Nuclear Débil y, Electromagnetismo. La cuarta fuerza que es la Gravedad se resiste a reunirse en el modelo con las otras tres, y, precisamente por eso, los físicos están tratando de construir el modelo de la Gravedad Cuántica que por fin, reúna a todas las fuerzas.

Parece (aunque esto será objeto de un artículo a parte) que en la teoría de cuerdas (pendiente de ser verificada) puede subyacer esa teoría cuántica de la gravedad.

La teoría estándar constituye un logro científico de inmensa importancia. A partir de simples postulados de simetría, es posible deducir las propiedades dinámicas de las interacciones electrodébil y fuerte, es decir, el lagrangiano completo que rige las fuerzas entre los constituyentes básicos de la materia, prediciendo así el comportamiento del mundo microscópico, de forma muy precisa y en perfecto acuerdo con las observaciones experimentales.

Más aún, la consistencia matemática de la teoría hizo necesario introducir un nuevo campo de fuerza escalar, el campo de Higgs, del que no teníamos ninguna evidencia empírica hasta que los experimentos realizados en el acelerador de partículas LHC, encontraron el Bosón de Higgs y se consiguió añadir uno de los veinte parámetros aleatorios que tenía el modelo para convertirlo en un parámetro real y muy positivo, de tal manera que 50 años más tarde, lo que era una hipótesis teórica se ha convertido en una realidad tangible.

Desde la perspectiva actual, la Teoría Estándar se obtiene fácilmente a partir de un mínimo número de ingredientes: la existencia de constituyentes elementales de la materia con espín ½, quarks y leptones, y las propiedades de simetría de los campos cuánticos que los describen.

La derivación matemática de su estructura parece tan simple y elegante que se podría llegar a pensar que es el resultado de una idea brillante (¿por qué no se nos había ocurrido antes?). Nada más lejos de la realidad. El desarrollo histórico de la teoría se produjo mediante una concatenación de pequeños pasos, no siempre en la buena dirección, en los que poco a poco se fueron superando grandes dificultades técnicas y conceptuales.

El modelo que formularon Weinberg y Salam en 1967-1968 estaba basado en los desarrollos anteriores realizados por muchos otros científicos. Además, era un modelo solo de leptones y por lo tanto, tal como ahora sabemos, matemáticamente inconsistente debido a anomalías cuánticas. Harían falta todavía algunos años de profunda investigación y nuevas ideas para hacer posible la incorporación de los quarks, dando lugar al modelo definitivo. La celebración de este cincuentenario es una buena oportunidad para analizar retrospectivamente la evolución conceptual que ha permitido alcanzar este gran éxito científico.

Para terminar este trabajo, me retrotraigo a ese “puntito” infinitesimal que es el Núcleo Atómico

Rutherford con su experimento, descubrió que en el átomo existía un pequeño núcleo  cargado positivamente, rodeado de electrones cargados negativamente. Los experimentos sobre la dispersión de partículas pusieron de manifiesto que el núcleo tiene dimensiones del orden de 10^-14 m. Dado que el diámetro de un átomo es del orden de 10^-10 m, el núcleo ocupa solo una fracción muy pequeña del volumen de un átomo. Sin embargo, el núcleo contiene casi toda la masa del átomo, como también demostraron esos experimentos.

         Pero profundicemos un poco más

El núcleo atómico está constituido de los llamados Nucleones (es decir: Protones y Neutrones, partículas no elementales de la familia de los Hadrones en su rama Bariónica). Pero resulta que los nucleones están conformados, al mismo tiempo, por tripletes de partículas elementales de la familia Quarks, un protón tiene en sus entrañas a dos Quarks Up y un Quark Down, mientras que el Neutrón, tiene en su interior a dos Quarks Down y un Quarks Up.

 Estos Quarks están allí confinados mediante la fuerza nuclear fuerte (la más potente de las cuatro fuerzas fundamentales), que es la única fuerza que crece con la distancia. Pues bien, la fuerza es transmitida e intermediada por otra familia de partícula que se llaman Bosones, y, aquí aparecen los Gluones que retienen a los Quarks confinados en el interior de los nucleones, y, cuando los Quarks tratan de separarse… ¡La fuerza nuclear aumenta y lo impide! Es lo que se conoce como libertad Asintótica de los Quarks.

Es difícil imaginar como en un espacio tan diminuto como lo es el núcleo atómico, puedan existir tantas cosas y ocurran tantos sucesos, realmente la Naturaleza es Asombrosa.

Emilio Silvera Vázquez

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