A partir del mundo Clásico

La Ciencia comenzó en la Grecia antigua clásica, y ahí es donde podemos comenzar a seguir de la pista que nos conduce hasta nuestras ideas actuales sobre la energía de la vida. Los griegos fueron unos pensadores asombrosamente creativos. Realmente es casi imposible describir claramente lo que los griegos pensaban sobre cualquier tema, porque siempre pensaban de manera muy diferente sobre cualquier tema, y sobre las mismas cosas, siendo la mayoría de estas maneras contradictorias entre si. La diversidad de ideas enriquecía los pensamientos que, en realidad, aunque por separado, todos trataban de llegar a la realidad de las cosas.

Desde luego, los griegos se equivocaron estrepitosamente en relacion a muchas cosas. Y esto es en si mismo importante, porque durante casi dos mil años después de la caída de Atenas, los herederos intelectuales de Grecia en el mundo romano y el islámico, así como en la Europa Medieval y en la del Renacimiento, creyeron que todo lo que habían pensado los griegos era una verdad incuestionable. Las ideas de los sabios de Grecia sobre Filosofía, Ciencia y Medicina fueron asumidas con la misma admiración  e igual reverencia que las de Moisés, Jesús y Mahoma sobre religión y ética.

Actualmente sabemos que muchas de las “verdades” descubiertas por los griegos son “falsas”, pero la forma de sus ideas, el tipo de preguntas a las que respondían, y el modo en que procedieron para responderlas, han tenido una influencia fundamental en el desarrollo del conocimiento y los conceptos modernos. Si no fuera por el número relativamente pequeño de pensadores de la Grecia Antigua y Clásica, la Ciencia, la Filosofía, y la cultura occidental. Tal como la conocemos ahora, no habría existido.

Empédocles (c.490 c.435 a. C.) fue uno de los mayores y mas completos sabios de todos los tiempos, un ejemplo de la enorme diversidad y creatividad de los pensadores de la Grecia Antigua. Nacido en una familia aristocrática de la ciudad-estado de Agrigento, Sicilia, colaboro en un golpe contra la oligarquía que gobernaba la ciudad y le ofrecieron la corona. Tras rehusar, estableció una Democracia y se convirtió el mismo en político. Sin embargo, en su tiempo libro, consiguió llegar a ser también uno de los mayores poetas, científico, filósofos, y médicos de la época. Como si esto no fuera suficiente, después del destierro y el exilio de su ciudad, se convirtió en profeta. La leyenda cuenta cosas increíbles de Empédocles que hoy dia, serian difíciles de admitir como ciertas.

Empédocles desarrollo la teoría de los cuatro elementos. Que ha sido calificada, por su popularidad y larga vigencia, como la teoría científica de más éxito que se ha formulado jamás, aunque, por supuesto, no era correcta pero, sin embargo, denotaba una intuición de lo que podría ser la realidad de la materia. El, hace más de 2000 años, ya nos hablaba de elementos al igual que Demócrito lo hizo de átomos.

La Teoría de Empédocles afirmaba que todo lo que existe en el Universo era una combinación de solo cuatro elementos (el refundió ideas anteriores de otros personajes que, como Tales decía que, el Universo estaba hecho básicamente de agua. Aniximandro nos decía que todo estaba conformado por una sustancia desconocida, Anaximandro decía que era el aire el material principal y Heraclito se refería al fuego como el elemento que todo lo transformaba. Empédocles planteo que no existía en absoluto una sustancia fundamental única, sino cuatro elementos (o “raíces”, como el los llamo): tierra, fuego, aire y agua que, mezclados en la debida proporción, conformaban todas las cosas del mundo. El hecho de tener cuatro elementos en lugar de uno era una ventaja, ya que resultaba obvio para cualquiera que el mundo estaba compuesto por una increíble diversidad de cosas. Y era difícil explicar dicha diversidad si todo estaba hecho de la misma sustancia única. También era difícil explicar como podía cambiar, si todo era, en esencia, lo mismo. Empédocles planteo que cada tipo diferente de cosas tenia proporciones diferentes de los cuatro elementos, y además que cualquier cambio se debía al intercambio de algunos de sus elementos constituyentes. Por ejemplo, dijo que los huesos estaban compuestos de fuego, agua y tierra en la proporción 2:1:1 y la carne estaba compuesta de todos los elementos en proporciones iguales.

Hoy sabemos que, todo aquello era una especie de premención de lo que después seria, y, desde luego, no tenemos mas remedio que admirar el pensamiento de aquellos hombres sabios que, como Tales supo darse cuenta de la importancia que tenia el agua para la vida, de Demócrito que abr del átomo 2.000 años antes de que lo descubriera Rutherfortd y otros, y de los demás pensadores que de una u otra manera, nos dejaron el camino abierto para llegar a la meta del saber.

Sin embargo, la visión que Empédocles tenia del mundo difiere radicalmente de la visión moderna en mucho aspectos: el considero también estas dos fuerzas, el amor y el odio, en un sentido religioso, como una lucha entre el bien y el mal (identificando cada uno de los cuatro elementos con un dios diferente). Sin embargo, la religión es algo que, al tratarse de fe, tomo un camino divergente con el de la Ciencia que solo se puede asentar en la certeza. Y, desde luego, fue el sabio de Gracia Tales de Mileto el que, un dia, dejo de lado la mitología para emplear la lógica en sus postulados.

Los primeros pensadores (como Anaximedes) y los últimos (como Demócrito) adoptaron un punto de vista mas moderno que el de Empédocles, y, según el cual, una sustancia esta constituida por un amplio numero de pequeñas partículas separadas por el espacio vació, y la conversión de un liquido en gas no se debe a un cambio de elementos, sino que dichos elementos se alejan considerablemente unos de otros. Así, el hielo esta formado por moléculas de agua que se mantienen fuertemente unidad, mientras que el agua liquida esta formada por las mismas moléculas de agua, pero en este caso fluyen unas sobre otras, y el vapor, es decir, el agua totalmente evaporada, esta constituidas por las mismas moléculas de agua, pero muy alejadas entre si. –Leucipo y Demócrito (c.460-370 a.C.)- llevaron esta visión del mundo a su extremo mas materialista, tomando la teoría de Empédocles, despojándola de sus componentes religiosos, y añadiendo el vació.

Así, su punto de vista dejo establecido y consistía en afirmar que no existía nada en el mundo  salvo un gran numero de partículas diminutas (átomos) que se movían a traves del espacio vació y que todo lo conformaban bajo ciertas condiciones del estado de densidad y temperaturas dependiendo de las regiones en las que se encontraran, en cada momento, dichas partículas.

La Alquimia tiende un puente entre, por una parte las enseñanzas de la Grecia Antigua y de Roma, y por otra el nacimiento de la Ciencia Moderna en la Europa del siglo XVII. Aunque la investigación de los alquimistas había comenzado 2000 años antes en Alejandría, China y la India, en 1680 Isaac Newton dedicaba aun la mayor parte de su tiempo a este arte misterioso.

Pero bueno, esa es otra historia que tocara contar en próximo comentario. Por hoy aquí lo dejo.

emilio silvera.

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El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto. Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10^-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico: no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos cursiva que el electrón (o positrón) y que lleve una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo. El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

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Para llegar a los más profundos conocimientos de la Naturaleza…

Necesitaremos paciencia, mucha curiosidad que satisfacer y estar dispuesto a realizar el trabajo necesario. Cuando en 1.900, Max Planck, el físico alemán escribió un artículo sobre la radiación de cuerpo negro que él decía emitirse en paquetes discretos, no continuos, a los que llamó “cuantos”, nadie fue capaz de suponer que allí estaba la semilla de lo que más tarde se conocería como la Teoría de la Mecánica Cuántica que describía a la perfección el sistema matemático que nos descubrió el universo del átomo, de lo muy pequeño, infinitesimal. Por los años de 1.925 y 1.926, Edwin Schrödinger, Werner Heisemberg y otros muchos desarrollaron esta teoría que derribó las barreras de creencias firmes durante siglos.

“Quienquiera que no se sienta conmocionado por la teoría cuántica no la comprende”

Niels Bohr

Aquello fue una auténtica revolución:

1.  Las fuerzas son creadas por el intercambio de paquetes discretos de energía denominados cuantos.

En contraste con la imagen geométrica de Einstein para una “fuerza”, en la teoría cuántica la luz iba a ser dividida en fragmentos minúsculos. Estos paquetes de luz fueron llamados fotones, y se comportaban de forma muy parecida a partículas puntuales. Cuando dos electrones chocan, se repelen mutuamente, no a causa de la curvatura del espacio, sino debido a que intercambian un paquete de energía, el fotón.

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El Bosón de Higgs

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.

Una voz potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

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Partículas

El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética. Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo. Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con una longitud de onda más corta.

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas. Había un medio para investigar este asunto; si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior. Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cera del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera, llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas. En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas. Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez; en 1.968, otros núcleos como el del uranio. Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

Ahora bien, la siguiente partícula inédita (después del neutrón) se descubrió en los rayos cósmicos. A decir verdad, cierto físico teórico había predicho ya este descubrimiento. Paul Adrien Dirac había aducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su antipartícula (los científicos desean no sólo que la naturaleza sea simple, sino también simétrica). Así pues, debería haber un antielectrón, salvo por su carga que sería positiva y no negativa, idéntico al electrón; y un antiprotón, con carga negativa en vez de positiva.

En 1.930, cuando Dirac expuso su teoría, no llamó demasiado la atención en el mundo de la ciencia. Pero, fiel a la cita, dos años después apareció el antielectrón. Por entonces, el físico americano Carl David Anderson trabajaba con Millikan en un intento por averiguar si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética o partículas. Por aquellas fechas, casi todo el mundo estaba dispuesto a aceptar las pruebas presentadas por Compton, según las cuales, se trataría de partículas cargadas; pero Millikan no acababa de darse por satisfecho con tal solución.

Anderson se propuso averiguar si los rayos cósmicos que penetraban en una cámara de ionización se curvaban bajo la acción de un potente campo magnético. Al objeto de frenar dichos rayos lo suficiente como para detectar la curvatura, si la había, puso en la cámara una barrera de plomo de 6’35 mm de espesor. Descubrió que, cuando cruzaba el plomo, la radiación cósmica trazaba una estela curva a través de la cámara; y descubrió algo más. A su paso por el plomo, los rayos cósmicos energéticos arrancaban partículas de los átomos de plomo. Una de esas partículas dejó una estela similar a la del electrón. ¡Allí estaba, pues, el antielectrón de Dirac! Anderson le dio el nombre de positrón. Tenemos aquí un ejemplo de radiación secundaria producida por rayos cósmicos. Pero aún había más, pues en 1.963 se descubrió que los positrones figuraban también entre las radiaciones primarias.

Abandonado a sus propios medios, el positrón es tan estable como el electrón (¿y por qué no habría de serlo si el idéntico al electrón, excepto en su carga eléctrica?). Además, su existencia puede ser indefinida. Ahora bien, en realidad no queda abandonado nunca a sus propios medios, ya que se mueve en un universo repleto de electrones. Apenas inicia su veloz carrera (cuya duración ronda la millonésima de segundo), se encuentra ya con uno.

Así, durante un momento relampagueante quedaron asociados el electrón y el positrón; ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común. En 1.945, el físico americano Arthur Edwed Ruark sugirió que se diera el nombre de positronio a este sistema de dos partículas, y en 1.951, el físico americano de origen austriaco  Martin Deutsch consiguió detectarlo guiándose por los rayos gamma característicos del conjunto.

Pero no nos confundamos, aunque se forme un sistema positronio, su existencia durará, como máximo, una diezmillonésima de segundo. El encuentro del electrón-positrón provoca un aniquilamiento mutuo; sólo queda energía en forma de radiación gamma. Ocurre pues, tal como había sugerido Einstein: la materia puede convertirse en energía y viceversa. Por cierto, que Anderson consiguió detectar muy pronto el fenómeno inverso: desaparición súbita de rayos gamma para dar origen a una pareja electrón-positrón. Este fenómeno se llama producción en pareja. Anderson compartió con Hess el premio Nobel de Física de 1.936.

Poco después, los Joliot-Curie detectaron el positrón por otros medios, y al hacerlo así realizaron, de paso, un importante descubrimiento. Al bombardear los átomos de aluminio con partículas alfa, descubrieron que con tal sistema no sólo se obtenían protones, sino también positrones. Cuando suspendieron el bombardeo, el aluminio siguió emitiendo positrones, emisión que sólo con el tiempo se debilitó. Aparentemente habían creado, sin proponérselo, una nueva sustancia radiactiva. He aquí la interpretación de lo ocurrido según los Joliot-Curie: cuando un núcleo de aluminio absorbe una partícula alfa, la adición de los dos protones transforma el aluminio (número atómico 13) en fósforo (número atómico 15). Puesto que las partículas alfa contienen cuatro nucleones en total, el número masivo se eleva 4 unidades, es decir, del aluminio 27 al fósforo 31. Ahora bien, si al reaccionar se expulsa un protón de ese núcleo, la reducción en una unidad de sus números atómicos y masivos hará surgir otro elemento, o sea, el silicio 30.

Puesto que la partícula alfa es el núcleo del helio, y un protón es el núcleo del hidrógeno, podemos escribir la siguiente ecuación de esta reacción nuclear:

aluminio 27 + helio 4 = silicio 30 + hidrógeno 1

Nótese que los números másicos se equilibran:

27 + 4 = 30 + 1

Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la tabla periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico.

emilio silvera

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