FÍSICA DE LO MUY PEQUEÑO PARA EXPLICAR EL MUNDO

Óscar Tapia y Alberto Virto

Por convención existen los colores,
Por convención la dulzura,
Por convención la amargura,
pero en realidad hay átomos y espacio.

Democritus (400 AC)

"Nada hay más que átomos y vació".  Así planteaba Demócrito su forma de ver el mundo. Lo que no era más que un planteamiento filosófico se ha visto confirmado por el desarrollo de la ciencia en estos dos últimos siglos.

La idea de los átomos (del griego indivisible) fue olvidada hasta que en 1803 Dalton descubrió que ciertas leyes básicas de la química se podían explicar si se suponía que cada elemento químico estaba compuesto por partículas muy pequeñas, idénticas entre sí, indestructibles y que en todas las reacciones químicas conservaban su masa y sus propiedades. Además, también decía que cuerpos compuestos como el agua, estaban formados por partículas muy pequeñas, llamadas moléculas, que a su vez resultaban de la asociación de un cierto número de átomos. Sin embargo, muchos científicos no vieron en esta propuesta nada más que una forma de explicar las leyes químicas.

A medida que avanzaba el siglo se iban haciendo descubrimientos para los que no había explicación posible. Por un lado, con el estudio de la conductividad de los gases a bajas presiones se descubrieron unos rayos luminosos - llamados rayos catódicos - cuya interpretación mantenía dividida a la comunidad científica. Por otro, se sabía que al hacer pasar la luz emitida en las descargas por un prisma se observaba, no el clásico arco iris, sino unas rayas luminosas situadas en ciertas posiciones que eran características del tipo de gas que estaba encerrado en el tubo. Por su parte, Fraunhofer había descubierto líneas, esta vez oscuras, en el espectro de la luz solar. También la radiación del cuerpo negro escapaba a cualquier intento de explicación. A medida que se acercaba el fin de siglo, el descubrimiento de la radiactividad vino a complicar aún más las cosas. Pero la sensación generalizada a finales del XIX era que la física estaba llegando a su final y sólo quedaban esas "coletillas insignificantes" por explicar. Y fueron estas "coletillas insignificantes" las que revolucionaron la forma de ver el mundo a nuestro alrededor.

El 30 de abril de 1897, en el clásico Encuentro de los Viernes de la Royal Institution, J.J. Thomson, tras ocho años de investigaciones daba a conocer que había logrado desentrañar uno de estos misterios; el de los rayos catódicos. Su explicación incluía una nueva partícula, el electrón. El átomo de Demócrito y Dalton había dejado de ser indivisible.

Thomson propuso un modelo, conocido popularmente como el budín de pasas, donde los electrones se encontraban incrustados en una esfera cargada positivamente. Este modelo fue desechado cuando Rutherford bombardeó láminas de oro con radiación alfa. El modelo de Thomson tuvo que dejar paso al de un núcleo muy pequeño con carga positiva y los electrones rondando a su alrededor, como un sistema solar en miniatura. Hoy sabemos que este modelo tampoco es del todo correcto porque la posición del electrón se encuentra de algún modo difuminada.

Además, los electrones no pueden situarse en la órbita que quieran, sino que sólo pueden encontrarse en unas muy determinadas. Es esta cuantificación de las órbitas de los electrones, presentada por primera vez por el danés Niels Bohr a principios de este siglo, la culpable de las rayas espectrales. Incluso se descubrió que la propia luz estaba compuesta por diminutos corpúsculos que Einstein denominó fotones, lo que explicaba la radiación de cuerpo negro.

El desarrollo de todas estas ideas ha creado una rama de la física sin la cual es imposible entender el mundo: la mecánica cuántica. Gracias a ella sabemos que los átomos se componen de electrones dando vueltas alrededor de un núcleo donde se encuentran los protones y neutrones. Protones y neutrones que a su vez están compuestos de otras partículas más pequeñas llamadas quarks, unidos entre sí por los gluones.

Este marco teórico, llamado modelo estándar, parte de la hipótesis de que existen dos familias principales de partículas elementales, los quarks que son de seis "sabores": up, down, strange, charm, bottom y top, y los leptones, también de seis "sabores": el electrón y su neutrino, el muón y su neutrino y el tau y su neutrino (capaz de atravesar un muro de plomo de varias decenas de años-luz de tamaño sin enterarse). Los leptones (del griego, ligero) pueden encontrarse solos en la naturaleza mientras los quarks no. Siempre aparecen en parejas (dando lugar a los llamados mesones) o en tríos (los llamados bariones, entre los que se cuentan el neutrón y el protón). Mesones y bariones componen el grupo de los hadrones (del griego pesado). Según este modelo, los hadrones sienten la fuerza nuclear fuerte y los leptones la débil.

Fermiones y bosones

Las partículas, a su vez, se dividen en dos grandes grupos en función del valor de cierta característica física llamada espín: si tiene un valor semientero se llaman fermiones y si es entero se llaman bosones. Por ejemplo, el electrón es un fermión pero el fotón es un bosón. La materia está compuesta por fermiones mientras que las partículas transmisoras de las fuerzas son bosones.

Nadie ha podido aún explicar por qué quarks y leptones se agrupan formando sólo tres familias. Curiosamente, desde la Cosmología se puede demostrar que en nuestro universo sólo puede haber, como mucho, cuatro familias.

Parece ser, que los electrones son elementales, no están compuestos por partículas más pequeñas. No se tiene la misma sospecha en el caso de los quarks. No se sabe si hay algo detrás de ellos pero se puede escuchar a los físicos teóricos hablar de prequarks, supercuerdas, supersimetría ... La física de lo muy pequeño está embarcada en la búsqueda de un nuevo Grial: la última y perfecta superpartícula que englobe a las cuatro fuerzas de la naturaleza a los constituyentes de la materia. Pero ésta es otra historia...