Atomos y vacío

Nada existe, excepto átomos y espacio vacío; todo lo demás es opinión.
Demócrito, Siglo V antes de Cristo.

Por Martin De Ambrosio

Hace 2500 años, en la ciudad de Abdera, a un filósofo llamado Demócrito o tal vez a su maestro Leucipo se le ocurrió que todo estaba formado por átomos (la unidad mínima de materia que, como su significado en griego lo indica, no puede dividirse); átomos que nadan en medio del vacío. Los átomos de Demócrito estaban siempre en movimiento, existían en número infinito y sólo se diferenciaban por tamaño y forma: algunos eran irregulares, otros ganchudos, otros cóncavos, otros convexos, entre otras características que permitían explicar los datos que percibían los sentidos. Así, las cosas dulces estaban formadas por átomos lisos; y lo agrio y lo amargo lo producían átomos en forma de gancho que dañaban la lengua, etcétera. La teoría de Demócrito fue algo olvidada, especialmente por la mala prensa que Aristóteles le confirió –como a todos sus antecesores–, hasta que el químico inglés John Dalton la revivió hacia principios del siglo XIX. A Dalton (el mismo que sufría un problema de distinción de los colores que estudió en profundidad y que se llama daltonismo justamente por él) le parecía que toda la materia podía reducirse a principios elementales e indivisibles, y por eso bautizó a su criatura con aquel mismo nombre griego. Pero no habían pasado en vano más de veinte siglos: la teoría ahora tenía un soporte cuantitativo y experimental que posibilitó la química y la física moderna, aunque el átomo seguía indivisible. Tuvo que pasar un tiempo hasta que en 1897 el físico inglés J. J. Thompson descubrió al electrón, y sólo después se comprobó que los átomos estaban conformados también por un núcleo que tiene protones y neutrones, además de los electrones que giran alrededor del núcleo. De modo que el átomo ya no era el último ápice de la materia, aquello indivisible que formaba todas las cosas. Había algo aún más fundamental que el átomo, y que lo componía. Ese fue el adiós a su indestructibilidad y el comienzo de una carrera que todavía no se detuvo –que no se sabe cuándo va a terminar– por determinar cuál es la porción mínima de materia indivisible. Tal vez sea una partícula que los físicos llaman el bosón de Higgs y que se busca con ahínco porque las complejas teorías actuales indican que debe estar ahí, agazapado, a la espera de un ojo humano para sorprender. De la historia, del devenir del átomo y de sus fatigosos componentes se habló en la tercera reunión del Ciclo de Charlas de Café Científico, organizado por el Planetario de la Ciudad de Buenos Aires, en la Casona del Teatro, que contó con las exposiciones de los doctores en Física, investigadores del Conicet y docentes de la FCEyN de la UBA Diego Mazzitelli y Ricardo Piegaia. La próxima reunión de Café Científico será el 19 de junio y el título será “Los alimentos transgénicos: ¿son peligrosos?”

Breve historia de un concepto
Diego Mazzitelli: “La cuestión que tratamos hoy es la constitución de la materia, la idea de que todo lo que nos rodea está formado por entes más fundamentales. Y fue el estudio de las reacciones químicas lo que le permitió a Dalton retomar el concepto de Demócrito. Los químicos de la época descubrieron que había leyes muy básicas: que la cantidad de masa que había en los elementos que reaccionaban era la misma que había en los productos finales de las reacciones –que ahora se llama Ley de conservación de la masa–; o que los distintos elementos se combinaban en proporciones muy simples, como las que conforman el agua. Así, en 1803, Dalton postuló que las cosas están formadas por átomos, que él seguía pensando indivisibles, que tenían distintas masas, y que lo que pasaba en las reacciones químicas era que había combinaciones que formaban las cosas. Ese fue el primer avance notable. Y durante todo el siglo XIX se avanzó muchísimo en la comprensión del átomo: se llegó a estimar el número de avogadro, establecido en 6 x 1023, que es un número muy grande. Todo ese saber químico se condensa en la tabla periódica de los elementos del ruso Dimitri Mendeleiev, con la que todos nos hemos topado alguna vez, con mayor o menor simpatía”.
El conocimiento del átomo y su estructura interna cambió de disciplina como un estudiante de secundaria que está indeciso sobre qué estudiar, que le gustan mucho las ciencias llamadas exactas, pero que titubea entre la química y la física. Del mismo modo, el átomo fue un objeto de la química por mucho tiempo, hasta que la física lo tomó para sí y ya es difícil que lo suelte, al menos por un tiempo. Continúa Mazzitelli: “la comprensión más profunda llegó recién en el siglo XX, y se necesitó un cambio de método para conocer las propiedades físicas de los átomos. Se pasó de las reacciones químicas a la era de las colisiones. Ahora, la manera que tienen los físicos de conocer el átomo es bombardeándolo. Como es algo tan chico –un tamaño típico es una cien millonésima de centímetro, 0,000000001 cm–, se debe utilizar este método. Uno de los primeros experimentos de este tipo fue hecho en 1911, por Ernest Rutherford. Ya se tenía alguna idea del tamaño de los átomos y se sabía que existían los electrones de modo que no era indivisible”.

El átomo como budín
Antes de la era de las colisiones y las supercolisiones subatómicas, hubo que descubrir que en verdad había materia distinta al interior de los átomos. El físico inglés Thompson en 1897, que descubrió los electrones, seguramente era una persona un tanto golosa, al menos es lo que deja entrever el modo en que se imaginó el átomo. Mazzitelli: “Thompson pensaba que el átomo era una especie de budín, donde la masa era un conjunto con carga positiva y las pasas de uva eran los electrones con carga negativa. Esa imagen tenía en mente. Podía ser, era una hipótesis. Para testearla, Rutherford tomó una lámina de oro muy delgada y la bombardeó con partículas que provenían de una fuente radiactiva. Las partículas cargadas se dispersaban pero, un poco por casualidad, se dio cuenta que algunas de estas partículas volvían, volvían de la lámina, rebotaban. Rutherford confesó que ‘era como si una hoja de papel hiciera rebotar una bala decañón’, tal fue su sorpresa. La manera de explicar ese resultado experimental era ni más ni menos que cambiando la teoría de Thompson: el átomo no era un budín con la carga positiva distribuida uniformemente, sino algo más parecido al sistema planetario, con la carga concentrada en una región muy pequeña, el núcleo, y con los electrones alrededor, girando. Esa es la imagen que todos tenemos del átomo: un núcleo con todos los electrones girando alrededor. Rutherford llegó a cuantificar todo esto con números impresionantes: el núcleo es de 10.000 a 100.000 veces más chico que el átomo. Los físicos solemos dar ejemplos: se me ocurrió que si el núcleo fuera una pelota de ping pong, los electrones estarían en una región que va entre el Obelisco y el mercado del Abasto, para que se den una idea del tamaño”.

El átomo como cosmos
Ricardo Piegaia: “Los físicos hemos ido entendiendo la constitución de la materia mirando a escalas cada vez más y más pequeñas, y cómo hemos entendido la constitución de estructuras complejas a través de cosas más simples. El problema es que a cada simpleza, se le agrega una cosa aún más simple. Toda la materia está compuesta de moléculas, hay millones de moléculas que componen todas las cosas que conocemos, que se obtienen mezclando de maneras distintas unos 90 átomos. Es un paso de simplificación: con 90 cosas, explicamos millones. Pero 90 sigue siendo mucho. Se vio entonces que esos átomos están compuestos de tres partículas: electrón, protón y neutrón, que forman los 90 átomos. El siguiente paso era ver si el electrón, el protón y el neutrón están compuestos de otras cosas, adentro. (A eso habría que añadir el fotón que es la partícula que transmite la fuerza electromagnética, que le da estabilidad al átomo.) Luego, hubo una serie de descubrimientos, cuando se reunieron las teorías cuánticas y la de la relatividad, para comprender partículas muy pequeñas y que tienen gran aceleración”.
Mazzitelli: “Claro, porque no se puede pensar como un sistema solar en miniatura al modelo atómico, porque de esta manera el electrón caería sobre el núcleo atómico. Esto indicó que la física clásica no es el elemento adecuado para explicar lo que pasa en escalas microscópicas. Por eso nació la mecánica cuántica, que es una teoría que permite describir la física nuclear, atómica y subnuclear. Es el comportamiento ondulatorio de los electrones –como onda y como partícula– es el que permite explicar la estabilidad de los átomos. Es una de las teorías que ha sido probada con más precisión en la historia de las ciencias y toda la era digital es hija de la mecánica cuántica”.

Las partículas contreras
Son algunos de los problemas que surgen cuando la complejidad va en aumento, el universo se hace cada vez más extraño y los científicos se especializan tanto que es preciso estudiar muchísimo para conocer una pequeña parcela de un campo particular. En 1932, cuando se conocían sólo dos partículas subatómicas –el protón y el electrón–, Paul Dirac encontró que sus ecuaciones admitían dos soluciones: una para una partícula de carga positiva y otra para una de carga negativa. Luego del desconcierto, Dirac sugirió que esa solución podía corresponder a una partícula desconocida, enteramente igual que electrón, salvo en su carga, una especie de antielectrón. Era el nacimiento de la antimateria.
Piegaia: “Tres años después de la predicción teórica de Dirac, Andersen descubrió la antipartícula del electrón. Por supuesto, recibió el premio Nobel. En ese momento era muy extraño, pero hoy en día es facilísimo en los laboratorios producir antipartículas, si utilizamos las antipartículas como forma de descubrir modos de actuar de los átomos. El proceso inverso de la ecuación de Einstein (la energía es igual a la masa por aceleraciónal cuadrado, E=mc2) también es posible: obtener masa de la energía. Ese proceso nos permitió avanzar en la comprensión de la materia. La idea es la siguiente: si yo hago chocar un electrón y un antielectrón a mucha velocidad, con mucha energía, se aniquilan y producen un protón y un antiprotón –la masa del protón es mucho más pesada, dos mil veces, que la del electrón–. Este proceso de fabricación de partículas es interesante: obtener masa de energía. Lo verdaderamente interesante es aumentar las velocidades y conseguir partículas que no conocíamos. La física de partículas se basa en trabajar con aceleradores. Uno acelera partículas, para que choquen con gran energía, y se empiezan a obtener partículas de más masa, nuevas en cierto sentido. La historia de los aceleradores comienza en 1950”.
Pero antes se había descubierto otras partículas. En 1933 se descubrió un pariente pesado del electrón, llamado muon, al estudiar las lluvias cósmicas, que es unas 200 veces más pesado que el electrón. Apareció experimentalmente al chocar esas partículas ultra energéticas con la atmósfera de la tierra; no se trata de algo producido por los físicos en laboratorios, simplemente llegan a la tierra. Otro ejemplo: en 1947 se encontró, en un laboratorio de Bolivia que se llama Chacaltaya, más alto que La Paz, cerca del borde de la atmósfera, el pion.
Piegaia: “La siguiente se encontró ya con los aceleradores que el hombre inventó. Eso permitió que se encontraran muchas de estas partículas. Un chiste dice que hasta 1950 al que encontraba una nueva partícula le daban el premio Nobel, después de 1950 le cobraban una multa. El chiste tiene sentido porque empezaron a aparecer partículas y partículas y partículas. Del modelo simple se saltó a uno que mostraba que el protón, el neutrón y el electrón tenían una cantidad enorme de parientes, ciento y miles. Así quedó claro que la historia no iba a terminar de este modo porque era inaceptable que hubiera cientos de estas partículas elementales. Entonces, fue en la misma década del ‘50 que Gell-Mann y Sweig propusieron el modelo de quarks. Estos cientos de partículas se reducían a tres quarks (u, d y s), con cargas fraccionarias (esa fue su debilidad, aún no se han descubierto). Ahora, con tres partículas explicábamos todo. Bárbaro, pero duró hasta 1974. En ese momento, se descubrió un cuarto quark (c); en 1979 se descubrió un quinto quark (p); y en 1995 se descubrió el sexto quark (t, descubrimiento en el que tuve la suerte de participar) y todo se complicó nuevamente”.

Cuestión de acelerar
Ricardo Piegaia se refirió también a esos gigantes laboratorios en que el hombre acelera partículas para comprender cómo está hecha la materia. “El más grande de los aceleradores es circular y está ubicado en la frontera entre Francia y Suiza. Es un laboratorio subterráneo, hasta 130 metros bajo tierra, y es un anillo de 27 kilómetros de largo donde viajan electrones y antielectrones en direcciones opuestas, se los hace chocar y se obtienen esas nuevas partículas. Fue construido para descubrir la partícula esencial. Y ahora está siendo reformado con un costo de 7.000 millones de dólares para encontrar al Higgs que es lo que la Física prevé y aún no se ha encontrado. Los físicos creemos que la vamos a encontrar, porque eso explicaría el origen de la masa de todas las partículas y es la partícula que falta para completar el cuadro de la física teórica en términos de la que se entiende toda la materia de la cual estamos constituidos. Esto es así porque las partículas elementales son puntuales, no tienen volumen, no tienen estructura interna. Son 16, y es un número demasiado grande para ser elementales. Es muy probable que exista un nuevo paso en la Física en el que estas partículas se entiendan en unas pocas partículas, dos o tres, en términos de las cuales ellas están compuestas. Lo que sucede es que la energía que producen hoy los aceleradores no hapermitido encontrar evidencias de estas partículas. Nada impide que cuando se consigan mayores energías para los aceleradores se encuentre que en realidad no son puntitos sino pelotitas y que a su vez están compuestas por otras partículas más pequeñas”.

Preguntas: Cerca de la revolución
La primera pregunta que surgió, entonces, fue si la física seguiría completando casilleros siempre, siempre. Ricardo Piegaia respondió: “En ese sentido la física se ha vuelta un poco aburrida. Cada vez que se presenta un trabajo, el tipo que da la charla dice: ‘hemos medido esto y aquello y está en todo de acuerdo con las predicciones de la teoría tal o cual’. Estamos aburridos y por eso buscamos un experimento que no esté de acuerdo con la teoría, para ver en qué dirección hay que seguir agrandando la teoría que tenemos. Por ejemplo: cuando se vio que había partículas que tenían movimiento ondulatorio, se descubrió la mecánica cuántica. Los físicos necesitamos experimentos para cambiar la teoría. Por eso estoy seguro que la historia no terminó acá porque, entre otras cosas, 16 partículas son mucho. Debería haber una teoría que englobara la teoría estándar. Ustedes habrán oído hablar de las teorías de las Supercuerdas, Supersimetrías u otra que se llama Technicolor. Son distintas maneras de explicar cosas que no encajan con el modelo estándar. Cuando se encuentre un experimento que no encaje con la teoría estándar, los teóricos sabrán cuál es el camino, que tal vez no sea ninguna de las teorías éstas y sea otra distinta”. En términos del filósofo de la ciencia Thomas S. Kuhn, Piegaia pareciera asegurar estar cansado de la ciencia acumulativa y desear una revolución que cambie al fin el paradigma. Por supuesto que el nuevo paradigma debería ser mejor, más explicativo y, en cierto sentido, englobar al modelo estándar.
Mazzitelli también hizo su aporte: “Quiero agregar que todavía no se ha encontrado una teoría que una a la teoría general de la relatividad con la mecánica cuántica. Ese es otro tema pendiente desde el principio de la mecánica cuántica y es un objetivo de muchos de los físicos teóricos -como yo– en el que Einstein trabajó hasta su muerte y no lo logró”. Lo que supondría que no se trata de una tarea fácil.

Perfume de azar
Una de las últimas preguntas estuvo referida al indeterminismo que conllevaría la mecánica cuántica que introduciría el caos en el cosmos, del que sería válido afirmar cualquier cosa, según el filósofo que preguntaba. Mazzitelli, por cierto, no estuvo de acuerdo con la afirmación que entrañaba la pregunta. “La mecánica cuántica predice con mucha precisión, pero predice probabilidades. ¿Eso es determinista o indeterminista? Bueno, depende de la definición de determinista. Claramente, el tipo de predicciones son menos detalladas que las de la física clásica: hoy conociendo la posición y la velocidad de los planetas, haciendo cálculos más o menos complicados se puede predecir la posición y velocidad que van a tener en tres siglos. Ahora bien, conociendo el estado cuántico de un sistema, dentro de tres siglos se puede saber la probabilidad de encontrar un átomo en tal posición. Está esa palabra, probabilidad, en el medio. Que esté esa palabra, no quiere decir que el universo sea caótico o que se puede decir cualquier cosa sobre él. Queremos transmitir que detrás de la mecánica cuántica hay muchos experimentos muy, pero muy precisos que la confirman. Partiendo de los espectros que mostré antes, hasta el efecto túnel que es la base del funcionamiento de los transistores que, a su vez son la base de los circuitos integrados que están adentro de las computadoras. Detrás de todo eso está la mecánica cuántica, que está claro que es distinta de la físicaclásica, y a la que le pone límites de aplicabilidad. Es válida en el mundo macro, no en el micro”.
La carrera hacia la unidad mínima (el a-tomos griego), que empezó hace veinticinco siglos, continúa y parece estar muy lejos de finalizar. Sin embargo, tal vez la solución esté a la vuelta de la esquina y se llame Higgs. O tal vez no.