Las teorías de la física son prismas a través de los que podemos escudriñar la realidad. Hace un siglo se descubrió la mecánica cuántica, y en las décadas siguientes se generalizó a otros ámbitos. ¿Qué nos permitió conocer la física cuántica que antes no supiéramos? De eso hablaremos hoy.
La leyes de la recién descubierta mecánica cuántica estaban gritando su verdad: la naturaleza es intrínsecamente cuántica, y por tanto las demás teorías de las física tenían que ajustarse a esa supremacía cuántica, y adecuar sus leyes al nuevo formato. La ecuación de Schrödinger de 1925 era aplicable a partículas con velocidades pequeñas comparadas con la de la luz. La extensión a altas velocidades la obtuvo Paul Dirac en 1928 y se conoce como ecuación de Dirac. En el mundo clásico además de partículas también hay campos asociados con fuerzas, como los fuerzas eléctricas y magnéticas, o las fuerzas nucleares. Hubo que diseñar un marco general con el tenebroso nombre de Teoría Cuántica Campos. Así nació la electrodinámica cuántica, la versión cuántica del electromagnetismo. Igualmente se logró meter en el esquema cuántico a las fuerzas nucleares.
Estos esfuerzos culminaron hacia la década de los 70 en el famoso Modelo Estándar de las partículas, la teoría de la física más completa, detallada y precisa jamás diseñada por la ciencia. El Modelo Estándar explica todas las fuerzas (exceptuando la gravitacional) como interacciones entre partículas elementales. Contempla como casos particulares la ecuación de Schrödinger, la ecuación de Dirac, la interacción entre la radiación y los electrones, y la naturaleza de las fuerzas nucleares.
Aprendimos que hay todo un zoológico de partículas con nombres terminados en “ones”: electrones, protones, neutrones, fotones, muones, mesones, piones, kaones, gluones, bosones, fermiones, leptones, algunas que no existen como los taquiones, y otras que creemos que existen pero no se han descubierto, como los gravitones; conformando familias y generaciones más grandes que la familia de los Buendía. Por supuesto, también están los cansones neutrinos y los quarks que no quisieron llamarse como los demás.
Algunas son conocidos, como los electrones que se mueven en los cables de electricidad, los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos de los elementos, y los fotones, es decir, la radiación electromagnética, la luz, pues. Ellas constituyen la materia ordinaria a nuestro alrededor, las demás se manifiestan a energías muy grandes en rayos cósmicos o en aceleradores de partículas.Aprendimos que cada tipo de partícula pertenece a una de dos familias, o son fermiones o son bosones. Los bosones, como por ejemplo, fotones, gluones, núcleos de Helio o el mediático bosón de Higgs, tienden a agruparse en el estado de menor energía. En cambio los fermiones por ejemplo electrones, neutrones, protones, neutrinos, tienen una poderosa restricción: dos de ellos no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Esta propiedad derivada de la mecánica cuántica se llama Principio de Exclusión de Pauli. Por eso los electrones se distribuyen alrededor de los núcleos en orbitales. La tabla periódica adquirió sentido. Y la química adquirió sentido.
La mecánica cuántica nos permitió entender el funcionamiento de los átomos, la estabilidad de la materia, y por qué no podemos atravesar una pared a pesar de que el átomo es prácticamente vacío (el volumen típico de un átomo es alrededor de mil millones de millones de veces más grande que el volumen de núcleo. Para hacernos una idea…Si el núcleo fuese como una pelota de tenis, el electrón estaría a una distancia de 3,5 kms.La mecánica cuántica nos permite saber por ejemplo por qué el vidrio es transparente y por qué si disparamos cien fotones de luz visible a un vidrio, 90 lo atraviesan y 10 rebotan. Gracias a la mecánica cuántica sabemos por qué el mercurio es líquido a temperatura ambiente, y por qué el cobre es maleable y conduce la electricidad, en cambio la cerámica es rígida y no conduce. También la cuántica explica por qué cuando el Helio está más frío que tus conversaciones con tu ex, se agrupa en el estado de menor energía y se transforma en un superfluido que pierde toda viscosidad.
Algo similar ocurre en ciertos materiales que a muy bajas temperaturas pierden todo tipo de resistencia eléctrica y una corriente persiste indefinidamente sin perder intensidad. Como tu ex.
La física cuántica permitió entender las fuerzas nucleares. Muy bien. Eso nos permitió construir bombas nucleares. Muy mal.
Pero también permitió construir reactores nucleares y obtener energía limpia. Muy bien.Pero también nos permitió entender por qué brillan las estrellas. Muy bien. En los centros de las estrellas las presiones y las temperaturas son tan grandes que ocurren reacciones nucleares en las que los protones y neutrones se fusionan en núcleos de helio, es decir, son bombas nucleares estallando, y un subproducto de esas reacciones son fotones, radiación electromagnetica. La luz de las estrellas es un desecho nuclear.
Sin la mecánica cuántica sería imposible explicar la estabilidad de dos tipos de estrellas que han agotado su combustible nuclear. Las enanas blancas, que tienen una masa como la del sol pero el tamaño de nuestro planeta. Y las estrellas de neutrones, o púlsares, tienen una masa alrededor de una vez y media la masa del sol pero un radio de apenas unos 12 km, son estrellas muy pero muy compactas y densas. El principio de exclusión de Pauli aplicado a los electrones para las enanas blancas y a los neutrones en el segundo caso, provee la presión que balancea a la gravedad evitando el colapso de la estrella.
Y no entenderíamos nada de la evolución del universo, de no ser por la teoría cuántica, porque el universo luego del bigbang pasa de ser una sopa de partículas elementales, a temperaturas altísimas, gluones, quarks, fotones, electrones neutrinos…y a medida que se expandía y se enfriaba, fue pasando escenarios descritos por la física de altas energías, física nuclear, física atómica y entendimos que el universo se pobló de átomos de hidrógeno y helio. Luego en los interiores estelares se fraguarían los elementos más pesados de los que tú estás hecho, como oxígeno, carbono, nitrógeno. No eres polvo de estrellas, eres desecho nuclear.
También aprendimos que existe la antimateria. No podemos hacer nada al respecto. Existe. Fue una predicción de la mecánica cuántica relativista. A cada tipo partícula le corresponde su antipartícula que tiene igual masa y otras propiedades, pero carga eléctrica opuesta. Cuando una partícula choca con su antipartícula, ambas se aniquilan y sus masas y energías se transforman en energía electromagnética.En los instantes inmediatos después del big bang el universo tuvo iguales proporciones de materia y de antimateria, y hasta ahora no se sabe con certeza por qué y cómo la simetría se rompió y el universo devino en un universo exclusivamente de materia. Y por eso estamos aquí.
¿Dónde esperaríamos que la física cuántica nos dé respuestas pero está calladita? Por ejemplo en la identificación de la materia oscura y de la energía oscura, que detectamos en el universo y que no sabemos qué son. Y queremos, ansiamos, necesitamos una teoría cuántica de la gravitación, y no sabemos cómo hacerla. Pero eso será tema de otro post.
