La extraña naturaleza de la Naturaleza (III)

Siguiendo con esta serie de artículos sobre lo extraño que es nuestro Universo cuando profundizamos lo suficiente en sus niveles fundamentales, vamos a comentar el conocido "Principio de Incertidumbre o Indeterminación", formulado por Werner Heisenberg en 1927.

Heisenberg en una clase magistral

Hemos visto en los dos posts anteriores que las partículas elementales son entidades ciertamente "difusas"; son una mezcla de materia y energía ondulatoria que se mantiene en un estado llamado a veces "fantasmal", mientras no se practique sobre ellas algún acto de observación que les permita "definirse".

Esta extraña cualidad se hace aún más patente cuando intentamos medir o determinar el valor de ciertos pares de magnitudes -como la posición y la velocidad (momento) o la energía y el tiempo-, de forma simultánea. Cuanto más precisa sea la medición de una de ellas, menor será la de la otra. De esta manera, si pretendemos saber con total precisión cuál es la posición de un electrón en un momento dado, nos será prácticamente imposible determinar su velocidad (momento), y viceversa.

Indeterminación de la posición(x) y el momento(p) de una partícula

Podemos pensar que esta situación es una consecuencia directa de nuestra incapacidad técnica para realizar este tipo de medidas, pero la realidad es que las partículas elementales no tienen claramente definidas estas magnitudes, hasta que algún observador elige una de ellas para tomar su valor en un instante o intervalo de tiempo, al igual que ocurría con la dualidad onda-partícula.

Como vemos, la Naturaleza se nos muestra más extraña y contraria a nuestra experiencia cotidiana con cada paso que damos para comprenderla. Para aspirar a entender el mundo submicroscópico, debemos despojarnos de nuestros convencionalismos clásicos, abandonar prejuicios y abrir nuestras mentes a nuevas realidades y posibilidades. Quizás algún día consigamos que el Universo nos desvele todos sus secretos y comprendamos cómo y porqué estamos aquí.

La extraña naturaleza de la Naturaleza (II)

Uno de los aspectos más curiosos -por decirlo de forma suave- de la extraña naturaleza de las partículas elementales, es el que se desvela en el experimento conocido en Física como "de doble rendija". ¿En qué consiste este experimento?
Supongamos que tenemos un dispositvo que lanza canicas hacia un panel con una estrecha rendija vertical colocado a poca distancia y detrás del cual situamos una pantalla que recoge el impacto de aquellas canicas que atraviesan la rendija. Después de lanzar un buen número de canicas, obtendríamos en la pantalla el siguiente patrón de impactos:

Figura 1

Tendríamos una estrecha banda vertical que representa al conjunto de las canicas que han conseguido atravesar la rendija. Veamos ahora qué ocurre si añadimos una segunda rendija a nuestro panel, paralela a la primera:

Figura 2

Evidentemente, obtendríamos dos bandas verticales paralelas, representativas del conjunto de canicas que ha pasado por cada una de las rendijas.
Pero, ¿qué ocurriría si en vez de canicas dirigimos una onda hacia las rendijas? Imaginemos que mandamos una onda de un fluido; agua, por ejemplo:

Figura 3

Al llegar a la doble rendija, la onda se divide en dos frentes que prosiguen avanzando en su camino hacia la pantalla receptora. En dicho camino, se producen interferencias al cruzarse las crestas y los valles de los diferentes frentes. Ese patrón es el que recoge la pantalla, con zonas claras correspondientes a dos máximos de onda que se han encontrado, y otras oscuras, consecuencia de la anulación que se produce cuando coinciden un máximo y un mínimo de onda. Esas rayas paralelas claras y oscuras es lo que se conoce como un patrón típico de interferencia de ondas.
Bien, ahora vamos a sustituir las canicas y las ondas por un flujo de electrones, que son partículas muy pequeñas, pero con masa. Si disparamos nuestros electrones a través de una sola rendija, obtenemos un patrón de impacto idéntico al de la Figura 1. Si colocamos una rendija doble, esperaríamos encontrar el mismo patrón de la Figura 2, pero lo que obtenemos es una figura de interferencia idéntica a la de la Figura 3.
Pero, ¿cómo pueden unas partículas crear interferencias como si de ondas se tratase? Para dilucidar esta aparente paradoja, los científicos decidieron disparar los electrones no en chorro, sino por separado, de uno en uno, para evitar que interfiriesen unos con otros. Después de mandar muchos de estos electrones individuales a través de la rendija doble, se obtiene, increíblemente, el mismo patrón de interferencia de la Figura 3.

Patrón de interferencias creado por electrones

La explicación más ortodoxa que nos proporciona la Física es que el electrón, que inicia su trayectoria como un partícula unitaria, al llegar a la doble rendija se transforma en una onda de probabilidad y atraviesa las dos rendijas a la vez, interfiriendo consigo misma y participando en crear, por tanto, el típico patrón de la Figura 3. Matemáticamente, cada electrón atraviesa las dos rendijas a la vez, no atraviesa ninguna y atraviesa cada una de las dos individualmente, en lo que se conoce como un estado de "superposición" de probabilidades. Asombrados ante esta situación contraria al sentido común, los físicos decidieron observar más de cerca y comprobar qué es lo que ocurre realmente cuando el electrón pasa por las ranuras. Colocaron un dispositivo medidor cerca de las dos rendijas para ver cuál de ellas atravesaba y ¡oh, sorpresa!, el electrón volvió a comportarse como una pequeña bolita, atravesando sólo una de ellas, originando el patrón de la Figura 2 y no el de la Figura 3. El acto de observar provoca que el electrón "decida" comportarse de una forma u otra, como si "supiera" que está siendo observado y que debe mostrar sólo uno de los estados posibles que antes estaban en superposición. Es lo que se conoce en Física Cuántica como "colapso de la función de onda", siendo el observador el responsable directo de dicho colapso.
Esta extraña característica es común no sólo a los electrones, sino también a fotones, protones, etc. Como ya comentamos en el post anterior, las partículas elementales son una ininteligible mezcla de materia y onda probabilística que, mientras no son observadas, existen como una extraña forma de superposición de estados, y nos muestran una "cara" u otra según la "intención" del experimento que diseñemos. Desde luego, es algo para reflexionar.

La extraña naturaleza de la Naturaleza (I)

Bien sabido es que mientras más profundizamos en el conocimiento de los secretos del mundo que nos rodea, más interrogantes y misterios sin resolver se nos muestran. Cada vez que abrimos una puerta, llegamos a una habitación que tiene otras muchas por abrir. Es la búsqueda incesante del hombre, su insoslayable afán por saber el porqué, el cómo y el cuándo de todas las cosas.

En el año 1900, Max Planck, un físico alemán, publicaba su Teoría Cuántica, dando así el pistoletazo de salida a lo que hoy se denomina "Física Moderna". En dicha teoría, Planck puso de manifiesto que la energía de un sistema cualquiera (un fotón, una reacción química, una estrella...) no puede ser emitida ni absorbida de forma continua en un rango cualquiera de valores, sino que toda esa energía tiene que ser, forzosamente, múltiplo de una unidad fundamental a la que él denominó "cuanto" (quantum, en inglés). De ahí la expresión "Física Cuántica".

Esta conclusión, avalada por todo un inmenso bagaje de pruebas experimentales, es ya de por sí extraordinaria; viene a decir que estamos viviendo en un universo de tipo "discreto" en cuanto a los rangos posibles de energía. Ésta sólo puede presentarse en paquetes cuyos valores son siempre proporcionales a la constante de Planck (6.62606896(33) ×10 ^-34 J.s) y a la frecuencia. Esto es tan extraño, y tan contrario a nuestra experiencia cotidiana, como si una bala disparada por un arma de fuego no pudiese pasar por todas las posiciones espaciales que van desde la embocadura del cañón hasta el blanco, sino que fuese desplazándose a "saltitos", desapareciendo de una posición y apareciendo en otra más distante sin pasar por las intermedias. 

Cuanto de energía (fotón) emitido por un electrón al "bajar" de orbital

Igualmente desconcertante es lo que en Física se conoce como "dualidad onda-partícula", que viene a decir que las partículas elementales (electrones, fotones, etc.) no tienen una única naturaleza definida; si no se las observa, son una mezcla de partícula puntual y onda de energía. Si se prepara algún experimento para que "muestre" su cara verdadera, habrá veces en que se comportarán como onda y otras en que lo harán como partícula, coincidiendo con la intención del experimento.

Partículas preparándose para "actuar" como ondas ante un experimento al respecto

El mundo macroscópico en el que se desenvuelve el hombre parece, a tenor del comportamiento de nuestros constituyentes elementales, una representación muy distorsionada de la realidad. Al perderse los efectos cuánticos cuando aumentamos las escalas de observación (desde una partícula a un ser humano), la realidad que observamos poco o nada tiene que ver con la que subyace a los auténticos componentes básicos del Universo. Confiemos en que la Ciencia llegue un día a abrir todas las puertas que aún permanecen cerradas y a mostrarnos, de forma incuestionable, la auténtica naturaleza de la Naturaleza.

Las cuatro fuerzas o interacciones fundamentales

Las fuerzas fundamentales son las distintas formas en que las partículas interaccionan entre sí. Hasta ahora, conocemos cuatro tipos de interacciones fundamentales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria.

La interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los quarks para formar otras partículas mayores -como protones y neutrones-. Esta interacción se produce mediante el intercambio de unas partículas mediadoras (bosones) llamadas gluones. Aunque se trata de la interacción más fuerte de las cuatro, su radio de acción se limita a distancias comprendidas dentro del núcleo atómico.

Gluones manteniendo unidos a tres quarks para formar un protón

La interacción nuclear débil es la responsable de la radioactividad y del fenómeno conocido como "decaimiento beta" (neutrones que, emitiendo una partícula beta -un electrón o un positrón- y un antineutrino, se transforman en protones para optimizar el número de éstos en el núcleo atómico). Las partículas mediadoras de esta interacción son los bosones W y Z, que tienen una masa considerable. Es la tercera interacción en cuanto a fuerza relativa y su distancia efectiva es mil veces más pequeña que la nuclear fuerte.

Esquema del decaimiento beta

La interacción electromágnética es la que se produce entre partículas dotadas de carga eléctrica, estando éstas en reposo (fuerza electrostática) o en movimiento (fuerzas eléctrica y magnética combinadas). La partícula mediadora de esta interacción es el fotón, una partícula de masa prácticamente nula y alcance infinito. La fuerza electromágnética es la segunda más intensa después de la nuclear fuerte.

Líneas del campo magnético generado por una corriente eléctrica

La interacción gravitatoria es la más débil de las cuatro, afecta a todos los tipos de partículas, tiene carácter exclusivamente atractivo y su alcance es infinito. Como ya expusimos en el post ¿Pueden curvarse el espacio y el tiempo?, según la Teoría de la Relatividad, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de objetos con masa. Desde el punto de vista del Modelo Estándar, la interacción gravitatoria tendría una hipotética partícula portadora o mediadora, el gravitón, indetectado hasta la fecha.

Deformación espaciotemporal por la presencia de un objeto masivo

En próximos posts trataremos en más profundidad cada una de estas interacciones.

Acercándonos a lo muy pequeño

Después de un primer vistazo a la enormidad del Universo y sus medidas, vamos a iniciar ahora un acercamiento al extremo opuesto: el mundo submicroscópico, el mundo del átomo y sus constituyentes elementales.

Imaginemos que tenemos un trozo de un elemento puro, aluminio, por ejemplo, y lo vamos dividiendo en trozos cada vez más pequeños. Pues bien, a la mínima cantidad de ese elemento que podamos obtener conservando todas sus propiedades y características se le llama "átomo" (del griego átomon, sin partes o indivisible). Durante bastante tiempo se pensó que el átomo era el constituyente más pequeño de la naturaleza, pero los avances científicos mostraron que se podía ir más allá, es decir, que un átomo individual estaba formado por otros componentes más pequeños. Así, hoy sabemos que los átomos tienen una estructura formada por un núcleo central de protones y neutrones, rodeada por una nube probabilística de electrones (ya profundizaremos en esto más adelante), separadas ambas partes por un enorme (en relación a los tamaños de las partículas) espacio vacío. Los protones y neutrones están formados, a su vez, por tres quarks cada uno y se clasifican dentro de las partículas subatómicas, mientras que electrones y quarks forman parte de las partículas elementales (ya que no contienen otros componentes, por lo que sabemos hasta ahora).

A partir del gráfico podemos notar que un átomo es 10.000 veces mayor que su nucleo; o lo que es lo mismo, que entre el núcleo y los orbitales donde podemos encontrar a los electrones hay un espacio vacío 10.000 veces mayor que el diámetro del núcleo. Si éste tuviese el tamaño de una pelota de baloncesto, los electrones orbitarían en una esfera de 2,5 kilómetros de diámetro.

El famoso experimento de Rutherford con la lámina de oro (1911) fue el primero que demostró que, efectivamente, el átomo consiste fundamentalmente en un gran espacio vacío. Entonces, ¿por qué nos parece que las cosas son "sólidas"? Todo es cuestión de escalas y tamaños relativos. Seguiremos hablando de ello en próximos posts.

El extraño comportamiento de la luz

Ya sabemos la enorme rapidez con la que se desplaza la luz (cuya particula portadora es el fotón) en el vacío, unos 299.792 kiómetros por segundo (ver el post La Edad del Universo). Un fotón emitido por el sol tarda poco más de 8 minutos en llegar a la Tierra, tras recorrer un trayecto de casi 150 millones de kilómetros.

Desde luego es una velocidad impresionante, pero más impresionante es que, según las ecuaciones de la Relatividad Especial de Einstein y todas nuestras pruebas experimentales, no hay nada en el Universo que pueda moverse más rápido que la luz, ni siquiera a su mismo nivel. Pero aquí no terminan las sorpresas; resulta que esta velocidad de la luz es "absoluta", es decir, no depende de la velocidad del foco emisor. Imaginemos una potente linterna autopropulsada que puede navegar por el espacio como si fuese una nave estelar. Imaginemos que nosotros estamos mirando por la ventana de una estación espacial en órbita y que la linterna se mueve en línea recta hacia nosotros a un velocidad constante de, pongamos, 100.000 km/s; ¿a qué velocidad nos alcanzará la luz que emite? Si este problema se lo hubiesen planteado a Newton o cualquier físico de los dos siglos posteriores a él, la respuesta hubiese sido: 299.792 + 100.000 = 399.792 km/s. La velocidad de la luz emitida se obtendría sumando la correspondiente a la luz con la del foco emisor (la linterna). De igual forma podríamos calcular la velocidad en el caso de que la linterna se alejase de nosotros a la misma velocidad constante; en este caso, obtendríamos 199.792 km/s (restando, evidentemente, a la de la luz, la velocidad del foco que la emite). Sin embargo, numerosos experimentos -como el de Michelson y Morley- demostraron más allá de toda duda que la física clásica estaba equivocada con la luz; su velocidad es totalmente independiente de la de su foco. 

Mesa óptica usada por Michelson y Morley en su experimento

Esta conclusión fue incorporada por Albert Einstein en su Relatividad Especial, dando como resultado que si la luz se desplaza con una rapidez "absoluta", deben ser el espacio y el tiempo los que tienen que ser "relativos", según la velocidad y dirección del marco de referencia del observador. Es decir, que dos observadores moviéndose uno con respecto al otro, obtendrán mediciones distintas (aunque ambas válidas) sobre distancias y tiempos de un mismo fenómeno observado. Parece paradójico, ¿no? Pues la pruebas experimentales que lo corroboran son abrumadoras, y mucha de la tecnolgía moderna que nos sustenta (los satélites y receptores de GPS, por ejemplo) tiene que diseñarse en base a las ecuaciones relativistas para funcionar correctamente. Seguiremos profundizando en ello.