Hola, ¿qué tal? Soy un átomo. No tengo un nombre oficial que me personifique, pero si lo necesitáis, podéis llamarme Quarky. Es extraño, lo sé, pero en el mundo cuántico casi todo es posible, así que… ¿Quién dice que un día no vayáis a descubrir que los átomos pueden hablar y contar historias? De hecho, gracias a la Física Cuántica, las partículas que me componen cuentan verdaderas historias.
Me gustaría explicaros algunas cosas sobre mí que quizás no sabíais. ¡Ah, y no! No soy el elemento de la naturaleza más pequeño que existe, que no os engañen con simplificaciones.
Hace unos miles de años, concretamente en los siglos V y IV a.C., un filósofo griego, Leucipo de Mileto y más tarde su discípulo, Demócrito de Abdera, acuñaron la palabra ÁTOMO. Fue este último quien popularizó y desarrolló ampliamente este concepto.
La palabra viene del griego átomos, que significa textualmente «indivisible» o «que no se puede separar» (de a-, privativo, y témnein/tomos, cortar o corte). De ahí surge esa primera consideración de que el átomo es la partícula más pequeña existente (veremos que no es así) y que en muchas ocasiones aún permanece. Pero para eso estoy yo aquí (o no estoy, eso depende), para explicaros la realidad según la conocemos actualmente.
Seguro que te preguntas cómo es posible que los filósofos griegos llegaran a afinar tanto sin los medios científicos adecuados, ¿a que sí? Pues bien, estos eruditos tenían la capacidad de realizar sus propios experimentos mentales, gracias a la observación, el análisis, el estudio y la Filosofía, la madre de todas las ciencias. Sí, habéis leído bien. He dicho que la Filosofía es la madre de todas las Ciencias. Para las preguntas hay que buscar respuestas.
Bien, el experimento mental que nuestros filósofos planteaban, era tal que así: si cortas, por ejemplo, una fruta o cualquier otra cosa, por la mitad y luego otra vez, y otra vez… ¿Puedes seguir cortando eternamente? Según Leucipo y Demócrito, no. Debía de existir una última pieza de materia, una partícula ínfima, tan pequeña, que ya no se pudiese dividir. Siendo tan minúscula debería ser invisible a nuestros ojos. Además sería indestructible, mecánica y diferenciada de otras por su geometría y textura.
Más adelante, Epicuro de Samos y Lucrecio recuperaron el atomismo filosófico, añadiendo conceptos nuevos. Algunos filósofos de la denominada escuela Vaisheshika, en la antigua India también plantearon la existencia de las partículas indivisibles e invisibles entre los siglos VI y II a.C.
Cierto es que no se entendía exactamente el átomo como sabemos que son (o soy) hoy en día, pero todos ellos lograron acercarse bastante, teniendo en cuenta que estaban filosofando y no podían comprobar su teoría con los medios científicos adecuados. Bravo por ellos y gracias por concederme un nombre.
Evidentemente esto del átomo no duró demasiado y tales ideas se perdieron durante siglos. Demasiado disruptivo todo. Durante más de dos mil años la visión atomista quedó eclipsada por la teoría de los cuatro elementos de Empédocles y Aristóteles.
Con el desarrollo de la Ciencia moderna cientos de años después (siglo XIX), surgen varios personajes interesantes que permiten el resurgir del atomismo como modelo empírico.
John Dalton (1803–1808):
Formuló la primera teoría atómica con base científica y experimental. A partir de las leyes ponderales de la química, como la conservación de la masa, estableció que la materia está formada por partículas elementales indivisibles (átomos). Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en masa y propiedades. Todos los átomos del oro, por ejemplo, son exactamente iguales. Los compuestos químicos se forman por la unión de átomos en proporciones numéricas simples y fijas.
Notición: a finales del siglo XIX y principios del XX, se demostró que el átomo sí era divisible (así que yo no soy la partícula más pequeña que existe).
J. J. Thomson (1897):
Descubrió el electrón mediante experimentos con tubos de rayos catódicos, proponiendo el modelo del «pudín de pasas». Imagínate un pastel en el cual se disponen varias uvas secas en el medio de una masa. El átomo sería esa masa maciza con una carga positiva mientras que las pasas serían los electrones que se encuentran incrustados dentro del átomo, con carga negativa. Respecto a esta teoría y las siguientes, te recomiendo leer el libro de divulgación cuántica «Desayuno con Partículas», de Sonia Fernández-Vidal (doctora en Física Cuántica por la Universidad Autónoma de Barcelona y divulgadora científica) y Francesc Miralles, escritor y periodista.
Nos vamos acercando cada vez más al modelo actual, pero aún falta un tiempo…
E. Rutherford y H. Geiger (1911):
Mediante el experimento de la lámina de oro, demostraron que existía un núcleo atómico, central y denso, con carga positiva, mientras que los electrones se situaban orbitando alrededor.
¿En qué consistía este experimento?
Rutherford y Geiger midieron cómo un haz de partículas alfa se dispersa cuando golpea una delgada hoja metálica. Para ello, lanzaron dichas partículas contra una lámina muy fina de oro. Pudieron observar que la mayoría atravesaban la lámina, pero algunas se desviaban mucho e incluso muchas rebotaban. Gracias a esto, fue posible demostrar que el átomo es casi todo espacio vacío (¿a que estás flipando?) y que tiene un núcleo muy pequeño, denso y con carga positiva, donde se concentra casi toda su masa (bienvenidos, neutrones y protones, estáis a punto de salir a la palestra).
En 1919 nuestro amigo Ernest Rutherford descubrió el protón y, unos años más tarde, en 1932, James Chadwick, descubrió el neutrón.
N. Bohr (1913):
A partir de las ideas de Rutherford, Bohr introdujo un concepto realmente revolucionario: la cuantización. Y es que mis queridos electrones (son como mariposas en el estómago) no van por ahí dando vueltas como locos. Solo pueden encontrarse en órbitas fijas y permitidas. Cuando un electrón absorbe un paquete de energía (un fotón), salta a una órbita exterior; cuando «se cansa» y cae hacia una interior, emite o pierde ese fotón con una energía muy concreta. Pasa a otro estado cuántico permitido. Quizás podemos visualizar esto de una manera más divertida y amena, no es exactamente lo mismo, claro, pero puede ayudar. Imagina que estás en una escalera y recibes un chispazo en el trasero. Probablemente pegues un pequeño salto y acabes en el escalón superior. Y al contrario, imagina que estás sentado en ese mismo escalón y te quedas dormido, seguramente acabarás cayendo al escalón de abajo. Espero que no te hagas demasiado daño.
En 1922 Bohr recibió el Premio Nobel de Física.
Unos años más tarde, la Física dio otra vuelta de tuerca con Schrödinger (sí, el del gato muerto o no muerto, otro día hablaremos de esto) y Heisenberg. Los electrones no tienen un destino fijo. Su comportamiento está gobernado por la probabilidad. Además, hoy en día ya no hablamos de órbitas, sino de orbitales atómicos: es decir, regiones del espacio donde existe una alta probabilidad de encontrar a ese electrón. Olvidaos de esa famosa imagen de órbitas circulares u ovaladas alrededor del núcleo. No es así.
En fin, ¿y qué soy yo? Podéis desmontarme y entonces, para entenderlo, tenéis que saber que, según la ciencia actual, las partículas más pequeñas que existen son los fermiones (quarks y leptones) y los bosones. Vamos, mis ladrillos y el cemento o pegamento que los mantiene unidos. Os los presento:
✓ Fermiones (quarks y leptones). Forman la materia.
*Quarks. Existen 3 generaciones que se agrupan de menor a mayor masa. Otro día os hablaré de todos ellos. Los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria y no aparecen aislados, sino formando otras partículas como protones y neutrones (en el núcleo de los átomos). Así, un protón está compuesto por dos quarks tipo «up» y un quark tipo «down», mientras que un neutrón se forma con dos quarks «down» y uno «up».
*Leptones. Hay 6 tipos, 3 tienen carga eléctrica (como el electrón) y 3 son neutros (como el neutrino). Pueden existir de forma aislada, para muestra, un electrón.
✓ Bosones (transmiten la fuerza). Estas partículas subatómicas juegan un papel esencial como portadores de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: los fotones se relacionan con la fuerza electromagnética, los gluones (glue: pegamento en inglés) son bosones que transmiten la interacción nuclear fuerte (unen los quarks dentro de protones y neutrones) y los bosones W y Z para la interacción débil.
¿Te suena el bosón de Higgs? Sí, la denominada partícula divina, cuyo descubrimiento supuso un hito sin precedentes en la Física Cuántica ya que se teorizaba con su existencia pero era complicado confirmarla. Es el campo de Higgs (del cual este bosón es la manifestación) el que permite que determinadas partículas elementales tengan masa. Para conocer más sobre el bosón de Higgs os recomiendo el libro «La Partícula Divina» de Leon Lederman, Premio Nobel de Física.
Vaya, parece que hasta aquí todo encaja. Pero ¿y si rizamos el rizo? ¿Y si hay algo aún más pequeño e imperceptible?
Desde la segunda mitad del siglo XX, varios físicos han propuesto la existencia de pequeños filamentos de energía que aparecerían al hacer un zoom a lo bestia en alguna de las partículas subatómicas. Según esta teoría, las partículas que consideramos elementales podrían no ser objetos puntuales, sino diminutas cuerdas que vibran. En función de la frecuencia de su vibración esos filamentos se mostrarán como un fotón, como un quark o un electrón…
Para exponer de manera visual esta teoría, se suele usar la metáfora de un violín. Según la nota que toquemos y cómo vibra, tendremos una partícula determinada.
Además esto implica que necesitamos más de 4 dimensiones, que son las que conocemos ahora (3 espaciales y 1 temporal). Los científicos hablan de 10/11 dimensiones para poder explicar esta teoría. ¡Agárrate! Esto es casi una peli de ciencia ficción. La teoría de los multiversos puede ser más real de lo que pensamos. No sé si en ellos encontraremos a los Vengadores, eso ya es otro tema.
Sin embargo aún no hay pruebas experimentales sobre la teoría de cuerdas, de modo que es tan solo una hipótesis. Ahora hemos de encontrar a nuestro violín para tocar la más magnífica melodía cuántica.
Para conocer más sobre la Teoría de Cuerdas, te recomiendo “ El Universo Elegante: supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva”, de Brian Green.
En resumen, ¿y qué soy yo? Pues si habéis leído desde el principio ya sabréis que no soy una bolita indivisible que se une a otras bolitas para formar objetos, tampoco soy un pudín de pasas, ni un núcleo a cuyo alrededor pululan partículas siguiendo órbitas circulares o elípticas. Soy algo más complejo. Soy un elemento compuesto por las partículas más elementales de la naturaleza.
Tengo un núcleo formado por neutrones y protones, cuyos quarks permanecen unidos gracias a los gluones (un tipo de bosón). En torno al núcleo que se compone de partículas con masa y carga positiva (en el caso del protón) y nula o neutra (en el caso del neutrón) se disponen los electrones (leptones) que se encuentran en orbitales atómicos y que no tienen un destino fijo. Están regidos por la probabilidad y solo cambian de orbital si ganan o pierden energía. Los electrones tienen carga negativa.
Y así comenzamos a montar el puzzle de la vida.
Fermiones + Bosones forman átomos (¡como yo!)
Dependiendo del número de neutrones y protones que se encuentren en el núcleo, tendremos átomos de oxígeno, de hidrógeno, de nitrógeno. Por ejemplo:
Hidrógeno, protones 1 y neutrones 0
Oxígeno, protones 8 y neutrones 8
Nitrógeno, protones 7, neutrones 7.
Cuando varios átomos de elementos diferentes se unen, surgen las moléculas. Una molécula de agua son 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno. Cuando el carbono se convierte en protagonista, creamos proteínas y ADN y al final de este camino, aparecéis vosotros, los humanos. Pero también las plantas, los animales y los seres inanimados.
Y… ¿sabéis lo más bello? Todas esas partículas subatómicas que os componen ya existían hace 13’8 mil millones de años, cuando se creó el Universo. En vosotros habita el inicio del espacio y del tiempo, de la materia y de la energía. En un precioso baile cuántico las partículas primigenias se dan la mano para crear todo lo que nos rodea.
Esto no acaba aquí, nos vemos en el siguiente salto cuántico.
Bibliografía que te recomiendo si te gustan la Física Cuántica y la Astrofísica:
Física Cuántica y Divulgación (para el gran público)
✓ Fernández-Vidal, Sonia y Miralles, Francesc. Desayuno con partículas: Un viaje al asombroso mundo de la física cuántica. Plaza & Janés / Debolsillo (ideal para entender la Física Cuántica como un cuento)
✓Lederman, Leon y Teresi, Dick. La partícula divina: Si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? Crítica (sobre el bosón de Higgs)
Divulgación y Narrativa Juvenil (Sonia Fernández-Vidal es una crack. Perfecto para jóvenes lectores interesados en la materia)
*Fernández-Vidal, Sonia. Trilogía La puerta de los tres cerrojos:
✓La puerta de los tres cerrojos. Destino Infantil y Juvenil.
✓La senda de las cuatro fuerzas. Destino Infantil y Juvenil.
✓Los cinco reinos eternos. Destino Infantil y Juvenil.
✓Fernández-Vidal, Sonia. Quantic Love: El romance que desafió las leyes de la física. La Galera / Destino.
Teoría de Cuerdas y Dimensiones Ocultas
✓Greene, Brian. El universo elegante: Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de la teoría definitiva. Crítica / Drakontos (para leer con calma sobre está apasionante teoría.
✓Gubser, Steven S. El pequeño libro de la teoría de cuerdas. Booket Ciencia / Paidós.
Astrofísica y Cosmología (algunos clásicos):
✓deGrasse Tyson, Neil. Astrofísica para gente con prisas. Booket Ciencia / Paidós (ideal para introducirte en el mundo de la Astrofísica si ya tienes algunos conceptos más o menos claros sobre Física Cuántica).
✓Hawking, Stephen. Historia del tiempo: Del big bang a los agujeros negros. Booket Ciencia / Crítica (“clasicazo”)
✓Hawking, Stephen. Breves respuestas a las grandes preguntas. Booket / Crítica.
✓Weinberg, Steven. Los tres primeros minutos del universo: Una concepción moderna del origen del universo. Booket Ciencia / Alianza Editorial (soy especialmente fan de este trabajo)
No dudes en hacerte con ellos, existen tiendas de segunda mano donde puedes encontrarlos a precios excelentes.
Un texto cuántico de @letiberebel
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