El átomo de Thomson y el de Rutherford

jjthomson2Cuando la idea del átomo, propuesta en la antigua Grecia por Demócrito y en India por varias escuelas, como la jainista o la vaisesika, fue recuperada por la ciencia moderna, se imaginaron varios modelos que fueron corregidos y mejorados poco a poco.

Tras el átomo propuesto por el inglés John Dalton, su paisano Joseph John Thomson descubrió el electrón y propuso que los átomos estaban compuestos por electrones de carga negativa distribuidos en un átomo positivo. Algo así, según las metáforas de la época, como un puding de pasas.

Sin embargo, el átomo de Thomson no explicaba la regularidad de la tabla periódica de Mendeliev y planteaba problemas al predecir la distribución de esa carga positiva del átomo.

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Átomo de Thomson

El neozelandés Ernest Rutherford intentó conocer la estructura interna del átomo bombardeando una delgada lámina de oro. Si los electrones estaban distribuidos de manera más o menos uniforme, como las pasas en un pastel, las partículas alfa chocarían de vez en cuando con elllos y serían desviadas. El resultado del experimento, sin embargo, fue que algunas partículas rebotaban en dirección opuesta, como si chocaran con algo impenetrable. En palabras del propio Rutherford: “Era como si lanzaras una bala de cañón contra una hoja de papel y rebotase hacia ti”.

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Si el átomo estuviese compuesto, como decía Thomson, por una carga positiva uniformemente distribuida y algunos electrones de carga negativa, al lanzar parículas alfa, estas atravesarían el átomo y algunas serían ligeramente desviadas al impactar con los electrones. Sin embargo, Rutherford observó desviaciones mucho más significativas, que a veces hacían rebotar a las partículas alfa como si hubnieran chocado contra un muro. Eso le hizo concluir que en el centro del átomo existía un núcleo o al menos una acumulación de cargas positivas.

A raíz de su expetrimento, Rutherford dedujo que el átomo tenía un núcleo en el que se concentraba la carga positiva y electrones que giraban en órbitas más o menos indefinidas. Incluso pudo calcular el tamaño de ese núcleo, cuyo radio era diez mil veces más pequeño que el diámetro de todo el  átomo. De todos modos, Rutherford no llegó  a hablar de núcleo sino que más bien consideraba que en una zona determinada se concentraba toda la carga positiva.

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Átomo de Rutherford

 Lo asombroso de este descubrimiento fue el darse cuenta de que el átomo estaba compuesto por un núcleo diminuto rodeado de un inmenso espacio vacío en el que se movían los electrones. Se ha comparado esta proporción con la cabeza de un alfiler en la catedral de Westminster (el núcleo) y algunas moscas volando (los electrones).

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Ernest Rutherford

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Este artículo está relacionado con “Filosofía de la mecánica cuántica” y puede servir para aclarar algunos aspectos, pero no pertenece al ensayo original. Es también un artículo en construcción, que será modificado y ampliado constantemente.

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[Escrito por primera vez  después de 1994 y antes de 1996, como un trabajo universitario. La edición actual procede de la edición personal de 1998. No he introducido ningún cambio, más allá de correcciones de estilo para hacer más claro el texto y más agradable la lectura]

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Los quantos de Planck: átomos de energía

Andreas-Osiander

Andreas Ossiander (1498-1552)

Cuando Ossiander publicó el De revolutionibus de Nicolás Copérnico, antepuso un prólogo, que se hizo célebre, en el que explicaba que la teoría de Copérnico que situaba a la Tierra en el centro del Sistema Solar no afirmaba que sucediera así en la realidad, sino que se trataba tan sólo de un artificio que facilitaba los cálculos, una herramienta matemática que simplemente “salvaba las apariencias” pero que no pretendía describir la realidad:

“Estas hipótesis no tienen por qué ser ciertas, ni siquiera probables. Pero sí proporcionan un cálculo consistente con las observaciones, lo que por sí solo es suficiente”.

Aunque este prólogo fue motivado por razones de prudencia, para evitar sufrir persecución religiosa, muchos grandes descubrimientos se propusieron por primera vez como una hipótesis para facilitar los cálculos o como una posibilidad que se sugería pero que se recomendaba no tomarse en serio. Así sucedió con las intuiciones de Henri Poincaré que anticipaban la teoría de la relatividad de Einstein, pero que el matemático francés descartó por parecerle un disparate. Algo parecido se puede decir de los átomos o quantos de energía que Max Planck propuso en 1900, pero sólo como un útil artificio matemático.

Planck

Max Planck (1858-1947)

Planck creía que la energía podía ser dividida sin límite, es decir, que no existía una unidad mínima de energía, pero se dio cuenta de que muchos cálculos se facilitaban si se suponía que había un quanto (del latín quantus, “¿qué cantidad?”) de energía.Sin embargo la idea le parecía demasiado absurda, pues era algo así como decir que la energía, por ejemplo un rayo de luz, se mueve dejando huecos o zonas por las que no pasa, como si saltase de un lugar a otro, sin pasar por los lugares intermedios.

Pero cinco años después Einstein recuperó la hipótesis de Planck y, en vez de considerarla un artificio matemático, afirmó que, efectivamente, existían unidades mínimas de energía, que la energía es corpuscular, como lo es la materia.

Eso planteaba una nueva dificultad, ¿cómo explicar entonces que la luz y otros tipos de energía se comportara como ondas continuas? Casi siempre en ciencia una respuesta da origen a otra pregunta.

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Este artículo está relacionado con “Filosofía de la mecánica cuántica” y puede servir para aclarar algunos aspectos, pero no pertenece al ensayo original. Es también un artículo en construcción, que será modificado y ampliado constantemente.

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El modelo atómico de la materia

Durante el siglo XIX se produjo una extraña situación en la física y en el estudio de las radiaciones electromagnéticas (sonido, luz, electricidad…)

Por un lado, se consolidó la teoría ondulatoria de la luz gracias a los experimentos de Young y Fresnel (El experimento de interferencia de Young), venciendo a los partidarios de la teorías corpusculares, como Isaac Newton. Pero, por otro lado, los físicos recuperaron la teoría atómica de Demócrito y propusieron que la materia estaba compuesta de átomos o corpúsculos.

En 1803 John Dalton propuso que los elementos químicos, ya bien conocidos gracias a los trabajos de Lavoisier y otros investigadores, estaban compuestos de elementos básicos que, al combinarse, daban origen a moléculas diferentes y explicaban la existencia de compuestos tan diversos como el agua o el aire.

 

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John Dalton. Dalton padecía un problema visual y no veía los colores como las demas personas. Estudió su caso a fondo e incluso donó sus ojos a la ciencia. Aunque su explicación no fuera correcta, se dio su nombre al daltonismo, en reconocimiento a sus esfuerzos.

Otros investigadores, como Avogrado, solucionaron algunos detalles importantes acerca de cómo se combinaban elementos como el hidríogeno y el oxígeno, y el ruso Dimitri Mendeleiev propuso finalmente la célebre tabla periódica de los elementos que ordenaba todos los elementos conocidos. Aunque quedaban algunos huecos, posteriores descubrimientos fueron probando la corrección del orden propuesto por Mendeleiev.

En 1897 J. J. Thomson demostró que la electricidad también estaba compuesta por partículas, que él llamó corpúsculos, pero que enseguida fueron conocidas como electrones.

Pero existía un grave problema: la correspondencia o convivencia entre la teoría corpuscular o atómica de la materia, aceptada por casi todos (una excepción curiosa era Ernst Mach) y la no menos aceptada y demostrada naturaleza ondulatoria de la luz. La convivencia entre los fenómenos corpusculares de la electricidad y los ondulatorios de la luz planteaba ciertas dificultades y resultaba en sí misma extraña, quizá como hoy en día resuilta la convivencia entre la teoría relativista y la cuántica.

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El experimento de interferencia de Thomas Young

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Thomas Young (1773-1829)

En época de Thomas Young había diversas teorías acerca de la naturaleza de la luz. Era un asunto muy escurridizo, acerca del que dos de los más eminentes miembros de la Royal Society, Isaac Newton y Robert Hooke, habían discutido durante décadas. Dicen las malas lenguas que Newton esperó hasta la muerte de Hooke para publicar su teoría de la luz, para así evitar que su odiado rival conociera la respuesta a sus dudas. O tal vez lo hizo porque no quería arriesgarse a ser criticado o refutado. Otros competidores fueron Christiaan Huygens, Leonhard Euler y el propio Johan Wolfgan Goethe con su Teoría de los colores. Había un aspecto fundamental, más allá de los detalles y los matices: ¿la luz se comportaba como una onda o como un corpúsculo, como el agua en un estanque cuando lanzamos la piedra o como la piedra misma?

Newton estaba convencido de que la luz se irradiaba de los cuerpos luminosos en forma de diminutas partículas y así quedó establecido hasta comienzos del siglo XIX.

Existían, sin embargo, algunas anomalías que la teoría de Newton no podía explicar, como los efectos de difracción en los bordes o en rendijas estrechas, los colores que aprecen en películas finísimas, por ejemplo en una superficie aceitosa o en las alas de los insectos y que cuando dos haces de luz se encontraban no se producía un choque real entre ambos; es decir, no sucedía lo que sucede cuando Luke Skywalker y Darth Vader hacen chocar sus espadas láser.

Sin embargo, la teoría corpuscular de Newton tenía seguidores de tanto renombre como Pierre-Simon de Laplace.

A finales del siglo XVIII, Thomas Young estudió el comportamiento de algo que todos estaban de acuerdo en considerar una onda, el sonido. Es muy fácil observar el comportamiento ondulatorio del sonido, por ejemplo si lanzamos un sonido sobre una fina capa hecha de arena, veremos cómo se forman ondas muy similares a las de la piedra arrojada al agua de un algo. En 1799, Young propuso que la luz era también una onda en movimiento, como el sonido, pero esperó hasta el nuevo siglo para demostrarlo.

En opinión de Young todos aquellos problemas de la luz entendida como partícula se solucionaban si consideramos que es una onda. Así, por ejemplo, al encontrarse dos haces luminosos lo que se produce no es un choque sino una interferencia entre ambos, que explica que se atraviesen y formen, por ejemplo, nuevos colores en su confluencia. El propio Young explicó  este fenómeno de interferencia en las ondas formadas en el agua, explicando su apariencia por la coincidencia o no de los valles y las crestas de las diferentes ondas al encontrarse. Cuando dos valles o dos crestas se encuentran, se anulan, mientras que cuando se encuentran una cresta y un valle la onda se refuerza. Por eso a medida que alejemos la pared en la que impactarán las ondas, nos encontraremos con columnas o colores o zonas oscuras (donde el impacto se ha producido) y espacios entre ellas (donde no ha habido impacto de una onda, por haberse anulado una a otra).

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Boceto de Thomas Young que muestra los fenómenos de difracción del agua al pasar por dos agujeros (A y B). Como se puede observar las dos ondas coinciden (dos valles o dos crestas) o no (valle y cresta), formando un dibujo característico. Finalmente, las ondas, o el resultado de ese encuentro impactan en puntos como los señalados en C, D, E y F) y dejan un espacio vacío (no impacto) entre ellos.

Finalmente, en 1801 presentó en la Royal Society su investigación “Sobre la Teoría de la Luz y los Colores” y dos años después comunicó los resultados del experimento de la doble rendija, que demostraban el carácter ondulatorio de la luz.

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Experimento de la doble rendija, o de interferencia o del interferómetro de Young, que muestra que la luz al penetrar por una doble rendija e impactar en una pared capaz de registar ese impacto, produce un dibujo de impactos o patrón de interferencia idéntico al que produciría cualquier otra onda. En consecuencia, dice Young, la luz se comporta como una onda, no como una partícula.

La historia de cómo la teoría de Young fue rechazada por los newtonianos y acabo siendo aceptada tras los intentos de Simeón Denis Poisson de refutar la defensa de Young por parte de Augustin-Jean Fresnel es fascinante, pero quizá me desviaría demasiado del asunto. Baste con saber por ahora que la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz acabó por ser aceptada y se consideró que Newton, al menos en este asunto, se había equivocado: el experimento de la doble rendija era elocuente y probaba que la luz no se comportaba como un corpúsculo. O al menos eso se pensó hasta comienzos del siglo XX…

 

Continuará…

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Cuenta atrás para el bosón de Higgs

Acelerador

 

Nos hallamos en un momento de gran expectación en física, porque el cerco sobre el bosón de Higgs se está cerrando.

El bosón de Higgs es la última partícula que falta por descubrir para completar el modelo estándar de la física cuántica.

El acelerador de partículas europeo (LHC) ya está funcionando de la manera requerida para encontrar esta última partícula que, debido a lo difícil que es de capturar, ha sido llamada “el bosón fantasma”.

Sin embargo, como cuenta Pere Estupinya en su siempre interesante y estimulante blog Apuntes científicos desde el MIT, el costoso acelerador europeo está amenazado en esta búsqueda del bosón por el acelerador estadounidense del Fermilab, que quizá prolongue su vida útil para intentar encontrar, en un ultimo esfuerzo a la desesperada, el bosón, y llevarse así el mérito por el experimento científico del siglo, o de la historia.

Si el bosón se encuentra, como dije antes, se completaría el modelo estándar y la física cuántica podría ofrecer una explicación coherente del mundo subatómico e incluso del origen del universo. El bosón de Higgs es la partícula que proporcionaría masa al resto de partículas de ese mundo subatómico tan poblado: quarks, muones, gluones, mesones, protones y hadrones (que son los que va a ser acelerados para intentar detectar al bosón).

Encontrar el bosón de Higgs haría muy difícil que pudiera ser refutado el modelo estándar de la física cuántica, una teoría que es una de las más contrastadas de la historia, pero que todavía despierta ciertos recelos por su carácter antiintuitivo, y también porque no ha podido ser unificada con la otra gran teoría de la física, la de la relatividad (que también ha sido contrastada, o si se prefiere falsada o puesta a prueba, una y otra vez).

Ahora bien, podría suceder que el bosón de Higgs no se encontrara. ¿Qué sucedería entonces?

La respuesta, como cuenta Estupinya, depende de si estamos hablando de no encontrar el bosón o de demostrar que no se puede encontrar el bosón, es decir, demostrar que no existe.

Acelerador

Uno de los aspectos más curiosos del estudio del mundo subatómico es que para intentar conocerlo se construyen cosas tan grandes (tan supraatómicas) como el acelerador europeo, que se extiende por dos países, Francia y Suiza.

Lo fascinante del asunto es que el acelerador de partículas de Estados Unidos podría encontrar, aunque es improbable, el bosón, pero no puede demostrar su no existencia. Sin embargo, el LCH europeo puede hacer las dos cosas: encontrar el bosón o bien demostrar que una partícula de tales características no existe en el rango de energías predicho por el modelo estándar.

Las consecuencias serían muy diferentes.

Si se encuentra el bosón de Higgs, eso será un triunfo deslumbrante para el modelo estándar, la culminación de décadas de éxitos.

Si se demuestra que el bosón de Higgs no existe ni puede existir, significará que hay que tirar a la basura el modelo estándar y que la física tendría que reinventarse. Sería una revolución teórica de proporciones descomunales, imprevisible. Habría que aprender a pensar de otra manera, imaginar hipótesis completamente diferentes a lo que el sentido común científico ha aceptado durante casi un siglo (un sentido común, por cierto, completamente alejado del sentido común cotidiano). Comenzaría una nueva época en la física, en la que casi cualquier hipótesis sería, no ya posible, pero sí pensable.

acelerador

Un señor recorriendo los túneles del LHC (27 kilómetros a 100 metros bajo tierra)

Estupinya explica que, aunque la mayoría de los físicos cuánticos están deseando confirmar su teoría de manera casi definitiva (no hay nada definitivo en ciencia), hay otros muchos que se relamen ante la posibilidad de que el bosón de Higgs no exista:

“En principio todos esperan y desean que el Higgs aparezca en los próximos años y confirme el modelo estándar, pero algunos reconocen que les alegraría incluso más que todo cayera por tierra y viviéramos una nueva gran revolución en el mundo de la física. Así la aventura se haría más interesante, y quizás podrían pedir financiación para más juguetitos con los que continuar el reto de descubrir la naturaleza más íntima de la materia”.

No ocultaré que yo prefiero la segunda posibilidad: que se demuestre que el bosón de Higgs no existe.

 


(Publicado el 20 de marzo de 2010 en Improbable)

EPÍLOGO: como es sabido, finalmente el CERN encontró el escurridizo bosón.


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