5. Revolución en la física

Hace dos mil años se creía que la geometría euclidiana cubría todas las leyes del universo. No había nada más que añadir. Esta es la ilusión de todos y cada uno de los diferentes períodos. Durante bastante tiempo después de la muerte de Newton, los científicos pensaron que la última palabra sobre las leyes de la naturaleza ya estaba dicha. Laplace se lamentaba que hubiese un solo universo, y que Newton hubiese tenido la suerte de descubrir todas sus leyes. Durante doscientos años la teoría de la luz como una partícula fue generalmente aceptada, en oposición a la teoría, defendida por el físico holandés Huygens, que la luz era una onda. Posteriormente la teoría de la partícula fue negada por el francés A. J. Fresnel, cuya teoría de la onda fue confirmada experimentalmente por J. B. L. Focault.

Newton había predicho que la luz, que viaja a 300.000 kms en el vacío debería de viajar más rápidamente en el agua. Los defensores de la teoría ondular predijeron que viajaría más lentamente, y se demostró que estaban en lo cierto.

El avance decisivo de la teoría ondular lo dio el científico escocés James Clerk Maxwell en la segunda mitad del siglo XIX. Maxwell, basándose en primer lugar en el trabajo experimental de Michael Faraday, que descubrió la inducción electromagnética, e investigó las propiedades del imán, cuyos polos norte y sur estaban vinculados a fuerzas invisibles que los ligaban a los polos terrestres. Maxwell universalizó estos descubrimientos empíricos, trasladándolos al terreno matemático. Su trabajo llevó al descubrimiento del campo, en el que más tarde Einstein basó su teoría general de la relatividad. De esta manera una generación se apoya en los trabajos de la anterior, negando y preservando a la vez los descubrimientos anteriores, profundizándolos continuamente, y generalizándolos en forma y contenido.

Siete años después de la muerte de Maxwell, Hertz detectó por primera vez las ondas electromagnéticas, que Maxwell había predicho. La teoría de las partículas, que había mantenido su predominio desde los tiempos de Newton, parecía haber sido aniquilada por el electromagnetismo de Maxwell. Una vez más los científicos se creían en posesión de una teoría que podía explicarlo todo. Sólo había que responder algunas preguntas y conoceríamos todo lo que hay que conocer sobre el funcionamiento del universo. Por supuesto que había algunas discrepancias que parecían problemáticas, pero parecían ser solamente pequeños detalles que podían ser ignorados. Sin embargo, en unas pocas décadas, estas discrepancias "menores" fueron suficientes para derribar todo el edificio y provocar una auténtica revolución científica.

¿Ondas o partículas?

Todo el mundo sabe lo que es una onda. Es un hecho común asociado al agua. Pero de la misma manera que un pato moviéndose por la superficie de un estanque provoca ondas, una partícula con carga, por ejemplo un electrón, puede provocar una onda electromagnética cuando se mueve a través del espacio. El movimiento oscilatorio de un electrón perturba los campos eléctrico y electromagnético, provocando ondas que se expanden continuamente, como las ondulaciones en el estanque. Por supuesto, la analogía es sólo aproximada. Hay una diferencia fundamental entre una onda en el agua y una onda electromagnética. Esta última no requiere un medio continuo en el que viajar, como el agua. Una oscilación electromagnética es una perturbación periódica que se propaga a través de la estructura eléctrica de la materia. Sin embargo la comparación nos ayuda a clarificar la idea.

El hecho de que no podamos ver estas ondas no quiere decir que no se pueda detectar su presencia incluso en la vida diaria. Tenemos experiencias directas de ondas de luz, de radio-ondas e incluso de rayos-X. La única diferencia entre ellas es su frecuencia. Sabemos que una onda en el agua hará subir y bajar un objeto flotante más o menos rápidamente dependiendo de la intensidad de la onda las ondulaciones provocadas por el pato, comparadas con las que puede provocar un fuera borda . De igual manera las oscilaciones de los electrones serán proporcionales a la intensidad de la onda de luz.

Las ecuaciones de Maxwell, respaldadas por los experimentos de Hertz y otros, proporcionaban bastantes evidencias de la teoría de que la luz está formada por ondas, de carácter electromagnético. Sin embargo, a principios de siglo se estaba recogiendo suficientes pruebas como para demostrar que esta teoría era errónea. Max Plank en 1900 demostró que la teoría de las ondas hacía predicciones que no se comprobaban en la práctica y planteó la teoría de que la luz se componía de partículas discontinuas o "paquetes" (latín: quanta, sing. quantum). La situación se complicaba por el hecho de que diferentes experimentos demostraban cosas diferentes. Se podía demostrar que un electrón era una partícula haciéndolo chocar contra una pantalla fluorescente y observando los centelleos resultantes; o bien observando los trazos que dejaban los electrones en una cámara de niebla; o bien por la pequeña mancha que aparecía en una placa fotográfica desarrollada. Por otra parte, si se hacen dos agujeros de entrada en una pantalla, y se dejan fluir electrones desde una sola fuente, provocan un modelo de interferencia que demuestra la presencia de una onda.

Sin embargo, el resultado más peculiar de todos se obtuvo en el famoso experimento de las dos ranuras, en el que se dispara un solo electrón contra una pantalla que tiene dos ranuras y con una placa fotográfica detrás. A través de cual de las dos ranuras ha pasado el electrón? El modelo de interferencia en la placa es claramente un modelo de dos agujeros. Esto demuestra que el electrón tiene que haber pasado por ambos agujeros, y entonces crear un modelo de interferencia. Esto va en contra de todas las leyes del sentido común, pero es totalmente irrefutable. El electrón se comporta como una partícula y como una onda. ¡Está en dos sitios (o más de dos) al mismo tiempo, y tiene diferentes estados de movimiento a la vez!

"No vayamos a imaginarnos", escribe Banesh Hoffmann, "que los científicos aceptaron estas nuevas ideas con gritos de alegría. Las combatieron y resistieron tanto como les fue posible, inventando todo tipo de trampas e hipótesis alternativas en un vano intento de evitarlas. Pero las paradojas evidentes estaban allí ya desde 1905 en el caso de la luz, e incluso anteriormente, y nadie tuvo el valor o el ingenio para resolverlas hasta la llegada de la nueva mecánica cuántica. Las nuevas ideas son tan difíciles de aceptar porque instintivamente todavía nos esforzamos a representarlas en términos de las partículas pasadas de moda, a pesar del principio de indeterminación de Heisenberg. Todavía no nos atrevemos a visualizar un electrón como algo que, teniendo moción, no puede tener posición, y teniendo posición, no puede tener algo parecido a moción o descanso".

Aquí vemos un ejemplo de la negación de la negación. A primera vista parece que hemos cerrado completamente el círculo. La teoría de la luz como partícula fue negada por la teoría ondular de Maxwell. Esta a su vez fue negada por la nueva teoría corpuscular, planteada por Plank y Einstein. Pero esto no significa una vuelta a la vieja teoría newtoniana, sino un salto adelante cualitativo, que implica una auténtica revolución científica. Se tuvo que revisar toda la ciencia, incluyendo la ley de la gravitación universal de Newton.

Esta revolución no invalidó las ecuaciones de Maxwell, que siguen siendo válidas para gran cantidad de operaciones. Simplemente demostró que, más allá de ciertos límites, las ideas de la física clásica ya no se aplican. En particular, no se pueden entender los fenómenos del mundo de las partículas subatómicas con los métodos de la mecánica clásica. Aquí entran en juego las ideas de la mecánica cuántica y de la relatividad. Durante la mayor parte de este siglo, la física ha estado dominada por la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica que, al principio, fueron rechazadas por la comunidad científica, que se aferraba tenazmente a las viejas ideas. Esto encierra una lección importante. Cualquier intento de imponer una "solución final" a nuestra visión del universo está condenado al fracaso.

Mecánica cuántica

El desarrollo de la física cuántica representó un paso adelante de gigante en la ciencia, una ruptura decisiva con el viejo determinismo mecanicista osificado de la física clásica (el viejo método "metafísico" como lo hubiera llamado Engels). En lugar de eso tenemos una visión mucho más flexible y dinámica (en una palabra, dialéctica) de la naturaleza. Empezando con el descubrimiento de la existencia del quantum por Max Plank, que al principio parecía no ser más que un pequeño detalle, casi una anécdota, se transformó la faz de la física. Era un nueva ciencia que podía explicar el fenómeno de la transformación radioactiva y analizar detalladamente los complejos datos suministrados por el espectroscopio. Llevó al establecimiento de una nueva ciencia la química teórica, capaz de resolver problemas previamente insolubles . En general, una vez que se aceptó el nuevo punto de vista, toda una serie de dificultades teóricas quedaron eliminadas. La nueva física reveló las sorprendentes fuerzas que encierra el núcleo atómico. Esto llevó directamente a la explotación de la energía nuclear, el camino para la destrucción potencial de la vida en la tierra, o hacia la abundancia y el progreso social sin límites a través de la utilización pacífica de la fusión nuclear. La teoría de la relatividad de Einstein explica que la masa y la energía son equivalentes. Si se conoce la masa de un objeto y se multiplica por el cuadrado de la velocidad de la luz se convierte en energía.

Einstein demostró que la luz, que hasta entonces se creía que era una onda, se comportaba como una partícula. En otras palabras, la luz es sólo otra forma de la materia. Esto se vio en 1919, cuando se demostró que la luz se curva bajo el efecto de la fuerza de la gravedad. Más adelante, De Broglie planteó que la luz, que se creía que estaba formada por partículas participa de la naturaleza de las ondas. Se abolió para siempre la división entre materia y energía. Materia y energía es lo mismo. Un avance muy importante para la ciencia. Engels describió la energía ("movimiento") como "el modo de existencia, atributo inherente a la materia".

La discusión que había centrado la física de partículas durante años, si las partículas subatómicas como los fotones o los electrones eran partículas o ondas fue finalmente resuelta por la mecánica cuántica que plantea que las partículas subatómicas pueden comportarse, y se comportan, como partículas y como ondas. Al igual que una onda, la luz produce interferencias, pero un fotón de luz también rebota de todo electrón, igual que una partícula. Esto va en contra de las leyes de la lógica formal. ¿Cómo puede el "sentido común" aceptar que un electrón pueda estar en dos sitios al mismo tiempo? O incluso que se mueva, a velocidades increíbles, simultáneamente en diferentes direcciones? Que la luz se comportase a la vez como partícula y como onda era visto como una contradicción intolerable. Los intentos de explicar los fenómenos contradictorios del mundo subatómico en términos de la lógica formal nos llevan al abandono de todo pensamiento racional. En su conclusión a un trabajo en relación a la revolución cuántica, Banesh Hoffmann es capaz de escribir:

"¿Cuánto tenemos que maravillarnos de los milagrosos poderes de Dios que creo el cielo y la tierra de una esencia primaria de una sutileza tan exquisita que con ella pudo moldear cerebros y mentes ardiendo con el regalo divino de la clarividencia para penetrar sus misterios?. Si la mente de un simple Bohr o Einstein nos sorprende con su poder, ¿cómo podríamos empezar a ensalzar la gloria de Dios que las creo?"

Desgraciadamente este no es un ejemplo aislado. Toda la literatura científica moderna, incluyendo gran parte de lo que escriben los propios científicos, está impregnada de este tipo de nociones místicas, religiosas o casi religiosas. Este es el resultado directo de la filosofía idealista que la gran mayoría de los científicos ha adoptado, consciente o inconscientemente.

Las leyes de la mecánica cuántica chocan de frente con el "sentido común" (es decir la lógica formal), pero están en total acuerdo con el materialismo dialéctico. Tomemos por ejemplo el concepto de un punto. Toda la geometría tradicional parte de un punto, que se convierte en una línea, un plano, un cubo, etc. Pero una observación más detallada revela que tal punto no existe.

El punto se concibe como la mínima expresión de espacio, algo que no tiene dimensión. En realidad tal punto está formado por átomos, electrones, núcleo, fotones e incluso partículas más pequeñas. En última instancia desaparece en un reflejo incesante de ondas cuánticas arremolinadas. Y este proceso no tiene fin. No hay ningún "punto" fijo. Esta es la última respuesta a los idealistas que intentan encontrar las "formas" perfectas que supuestamente residen "más allá" de la realidad observable. La única "última realidad" es el universo infinito, eterno y siempre cambiante, que es de lejos mucho más maravilloso en su variedad infinita de formas y procesos que la más fabulosa aventura de ciencia-ficción. En lugar de una localización fija un "punto" tenemos un proceso, un flujo sin fin. Todo intento de imponerle límites, ya sea un principio o un final, fracasará inevitablemente.

¿Desaparición de la materia?

Mucho antes del descubrimiento de la relatividad, la ciencia había descubierto dos principios fundamentales la conservación de la energía y la conservación de la masa . El primero lo formuló Leibniz en el siglo XVII, y fue desarrollado en el siglo XIX como consecuencia natural de un principio de la mecánica. Mucho antes de eso el hombre primitivo había descubierto en la práctica el principio de equivalencia de trabajo y calor, al hacer fuego mediante fricción, trasladando una determinada cantidad de energía (trabajo) en calor. A principios de siglo se descubrió que la masa no era más que una de las formas de la energía. La energía de masa y la energía de moción son las dos formas fundamentales de la energía al nivel de las partículas elementales. Una partícula de materia no es más que energía, altamente concentrada y localizada. La cantidad de energía concentrada en una partícula es proporcional a su masa, y la cantidad total de energía se mantiene siempre igual. La pérdida de un tipo de energía se compensa por la ganancia de otro tipo de energía. Aunque cambia constantemente de forma la energía sigue siendo siempre la misma.

Lo revolucionario de Einstein fue que demostró que la masa en sí misma contiene una enorme cantidad de energía. La equivalencia de masa y energía se expresa en la formula E = mc2 en la que c representa la velocidad de la luz (360.000 metros por segundo), E es la energía contenida en un cuerpo estacionario, y m es la masa. De esta manera, la energía contenida en la masa m es igual a esta masa, multiplicada por el cuadrado de la tremenda velocidad de la luz una impresionante cantidad de energía por cada unidad de masa . Normalmente esta enorme cantidad de energía está encerrada en la materia y no se manifiesta, y por lo tanto pasa desapercibida. Pero si los procesos en el núcleo alcanzan un punto crítico, se libera parte de la energía, en forma de energía cinética.

En la medida en que la masa es sólo una de las formas de la energía, ni la materia ni la energía se pueden crear ni destruir. Las formas de la energía, por otra parte, son extremadamente diversas. Por ejemplo, cuando los protones en el sol se unen para formar núcleos de helio se libera energía nuclear. Esta aparece en primer lugar como energía cinética del movimiento de los núcleos, que contribuyen a crear la energía calórica del sol. Parte de esta energía es emitida por el sol en forma de fotones, que contienen partículas de energía electromagnética. Esta a su vez, se transforma en el proceso de fotosíntesis en energía química almacenada en las plantas, que a su vez es adquirida por el hombre comiéndose las plantas, o por animales que se alimentan de plantas, para dar calor y energía a los músculos, la circulación sanguínea, el cerebro, etc.

Las leyes de la física clásica en general no se pueden aplicar a los procesos a nivel subatómico. Sin embargo hay una ley que no tienen excepciones en la naturaleza la ley de la conservación de la energía . Los físicos saben que no se puede crear una carga, ni positiva ni negativa, partiendo de la nada. Este hecho se expresa en la ley de la conservación de la carga eléctrica. Así, en el proceso de producción de una partícula beta (cada uno de los electrones emitidos en la radiación beta), la desaparición del neutrón (que no tiene carga) da lugar a un par de partículas con cargas opuestas un protón con carga positiva y un electrón con carga negativa . Tomadas a la vez, las dos nuevas partículas tienen una carga eléctrica igual a cero.

Si tomamos el proceso opuesto, cuando un protón emite un positrón y se convierte en un neutrón, la carga de la partícula original (el protón) es positiva, y el par de partículas resultantes (el neutrón y el positrón), tomadas conjuntamente tienen carga positiva. En toda esta serie de cambios la ley de la conservación de la carga eléctrica se mantiene estrictamente, al igual que las demás leyes de la conservación. No se crea ni se destruye la más mínima fracción de energía. Este fenómeno no ocurrirá nunca.

Cuando un electrón y su antipartícula, el positrón, se destruyen mutuamente, su masa "desaparece", es decir, se transforma en dos partículas de luz (fotones) que se separan. Estas tienen en total la misma energía que las partículas de las que han surgido. La masa-energía, el momento lineal y la carga eléctrica se mantienen. Este fenómeno no tienen nada en común con la desaparición en el sentido de aniquilación. Dialécticamente, el electrón y el positrón son negados y conservados al mismo tiempo. La materia y la energía (que son simplemente dos maneras de nombrar la misma cosa) no se pueden crear ni destruir, solamente transformar.

Desde el punto de vista del materialismo dialéctico, la materia es la realidad objetiva que nos llega en forma de percepción sensorial. Esto no sólo incluye los objetos "sólidos", sino también la luz. Los fotones son tan materiales como lo son los electrones o positrones. De hecho, la masa se convierte constantemente en energía (incluyendo luz y fotones) y la energía en masa. La "aniquilación" de un positrón y un electrón produce un par de fotones, pero también podemos ver el proceso contrario: cuando dos fotones se encuentran pueden producir un electrón y un positrón, siempre y cuando los fotones tengan la energía suficiente. A veces se presenta este proceso como la creación de la materia "desde la nada". Pero no lo es en absoluto. Lo que vemos aquí no es la creación ni la destrucción de nada, sino la transformación continua de la materia en energía, y viceversa. Cuando un fotón bombardea un átomo deja de existir como fotón. Se desvanece, pero provoca un cambio en el átomo un electrón salta de una órbita a otra de mayor energía . También en este caso existe el proceso contrario. Cuando un electrón salta de una órbita a otra de menor energía, se libera un fotón.

El proceso de cambio constante que caracteriza el mundo subatómico es una brillante confirmación del hecho que la dialéctica no es sólo una invención subjetiva de la mente, sino que en realidad se corresponde con los procesos objetivos que se dan en la naturaleza. Este proceso ha estado en funcionamiento ininterrumpidamente por toda la eternidad. Es una demostración concreta de la indestructibilidad de la materia precisamente lo contrario de lo que se suponía que demostraba .

¿"Ladrillos de la materia"?

Durante siglos los científicos han intentado en vano encontrar los "ladrillos de la materia" la última y más pequeña partícula . Hace cien años pensaban que la habían encontrado en el átomo (que en griego quiere decir "lo que no se puede dividir"). El descubrimiento de las partículas subatómicas llevó a los físicos a penetrar más profundamente en la estructura de la materia. En 1928, los científicos se imaginaban que habían descubierto las partículas más pequeñas, protones, electrones y fotones. Se suponía que todo el mundo material se componía de estas tres.

Más tarde esto se vino abajo con el descubrimiento del neutrón, el positrón, el deuterón, y después de toda una hueste de partículas, incluso más pequeñas, con una existencia a cual más escurridiza: neutrinos, pi-mesones, mu- mesones, k-mesones, y muchos otros. El ciclo vital de algunas de estas partículas es tan evanescente quizás la mil millonésima parte de un segundo que han sido descritas como "partículas virtuales", algo totalmente impensable en la era precuántica.

El tauón existe sólo durante la billonésima parte de un segundo, antes de convertirse en un muón y después en un electrón. El pion neutro es incluso más breve, rompiéndose en menos de una mil billonésima fracción de segundo para formar un par de rayos gamma. Sin embargo estas partículas viven hasta muy viejas si las comparamos con otras que tienen una vida de una centésima parte de un microsegundo. Algunas, como la partícula neutra sigma se rompe después de una cien billonésima parte de un segundo. Esto fue incluso superado en los años 60 por el descubrimiento de partículas tan evanescentes que sólo se podía determinar su existencia por la necesidad de explicar los productos de su ruptura. Las medio vidas de estas partículas son del orden de unas pocas mil billonésimas de segundo. Estas son conocidas como partículas de resonancia. Y ni siquiera esto es el fin de la historia.

Más tarde se descubrieron más de ciento cincuenta nuevas partículas, a las que se ha denominado hadrones. La situación se hizo cada vez más confusa. Un físico americano, Dr. Murray Gell-Mann, en un intento de explicar la estructura de las partículas subatómicas, planteó otras partículas, todavía más básicas, los llamados quarks, que fueron presentados, una vez más como "los últimos bloques componentes de la materia". Gell-Mann teorizó que existían seis tipos diferentes de quarks y que la familia de los quarks era paralela a la familia de seis miembros de partículas más ligeras conocidas como leptones. Toda la materia, supuestamente, estaba formada por estas doce partículas. Incluso estas, las formas más básicas de la materia conocidas por la ciencia hoy en día, poseen las mismas cualidades contradictorias que podemos ver en toda la naturaleza, de acuerdo con la ley dialéctica de unidad y lucha de contrarios. Los quarks también existen en pares, y tienen carga negativa y positiva, aunque se expresa, inusualmente, en fracciones.

A pesar del hecho de que la experiencia ha demostrado que la materia no tiene límite, los científicos siguen buscando en vano los "ladrillos de la materia". Es cierto que este tipo de expresiones son la invención de periodistas sensacionalistas y de algunos científicos con un superdesarrollado instinto de autopromoción, y que la búsqueda de partículas más pequeñas y fundamentales es indudablemente una actividad científica legítima, que nos sirve para profundizar nuestro conocimiento del funcionamiento de la naturaleza. Sin embargo, uno tiene la impresión de que por lo menos algunos de ellos creen realmente que es posible alcanzar algún tipo de último nivel de la realidad, más allá del cual ya no queda nada por descubrir, por lo menos a nivel subatómico.

Se supone que el quark es el último de los doce "bloques subatómicos componentes" que forman toda la materia. "Lo más emocionante es que esta es la última pieza de la materia tal y como la conocemos, tal y como fue predicha por la cosmología y el Modelo Estándar de la física de partículas, el Dr David Schramm declaró, "esta es la última pieza del puzzle". Por lo tanto el quark es la "última partícula". Se dice que es fundamental y no tiene estructura. Pero en el pasado se ha dicho lo mismo del átomo, después del protón, y así sucesivamente. De la misma manera podemos predecir confiados el descubrimiento de formas de materia todavía más "fundamentales" en el futuro. El hecho de que el estado actual de nuestros conocimientos de la ciencia y la tecnología no nos permitan determinar las propiedades del quark no nos autoriza a afirmar que no tiene estructura. Las propiedades del quark todavía esperan ser analizadas, y no hay razón para suponer que eso no se vaya a conseguir, señalando el camino para el sondeo a más profundidad de las infinitas propiedades de la materia. Este es el camino por el que siempre ha avanzado la ciencia. Las barreras al conocimiento, supuestamente infranqueables, que ha erigido una generación han sido derribadas por la siguiente y así sucesivamente. Toda la experiencia previa nos da la razón al afirmar que este proceso dialéctico de avance del conocimiento humano es tan infinito como el propio universo.