La curiosidad del hombre por la naturaleza ha sido un factor común a todas las épocas de la historia. No ha habido pueblo que no haya tenido su propia versión del origen de las cosas y de los fenómenos naturales.

¿Cuál es la estructura última de la materia? ¿Cuáles son las fuerzas fundamentales que rigen la interacción de la materia? ¿Cómo comenzó el mundo? ¿Tendrá éste un final? Hasta hace no tanto tiempo habría sido difícil imaginarse que algunas de las preguntas básicas de la astronomía se podrían comenzar a responder buscando precisamente en el otro extremo: buscando lo más pequeño.


La nueva física de este siglo

Había un fenómeno aparentemente trivial que la física no había podido explicar el siglo pasado. Sin importar qué objeto sea ubicado en los restos de una fogata, éste toma el mismo color rojo anaranjado de las brasas, y para muy diversos valores de la temperatura existe una relación rígida entre el color de la luz radiada y la temperatura, relación que es independiente del material usado. El fenómeno pudo finalmente ser descrito por Max Planck en 1900 como un acto de desesperación según sus propias palabras, cuando introdujo una nueva constante universal, designada h, tal que la cantidad mínima de energía: asociada a un oscilador de frecuencia v es hv.

En las tres primeras décadas de nuestro siglo se hicieron: avances formidables en física: se estableció, gracias a la teoría de la relatividad, una concepción revolucionaria del espacio y del tiempo, la que fue absolutamente necesaria para interpretar satisfactoriamente los fenómenos electromagnéticos en general y, además, las propiedades más finas de los átomos y de los propios electrones. A pesar de que la Relatividad nació oficialmente en 1905 gracias a un joven de 26 años, llamado Alberto Einstein, las primeras ecuaciones relativistas fueron las del electromagnetismo, planteadas a mediados del siglo pasado.

Ese año, en 1905., Einstein publicó en los Annalen der Physik tres artículos, cualquiera de los cuales por sí solo le habría hecho pasar a la historia: uno sobre el llamado movimiento Browniano que tienen todas las pequeñas partículas suspendidas en líquido y que se pueden observar con un microscopio ordinario. Este artículo significó una demostración definitiva de la estructura atómica de la materia; un segundo articulo Acerca de la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, que dio origen a la Relatividad; y un tercer artículo, Una visión heurística relativa a la producción y transformación de la luz, en la cual modificó el concepto de luz al introducir el concepto de fotón que mencionaremos más abajo. En este trabajo hizo una osada utilización de la constante h de Planck.

También surgió la física Cuántica, que comenzó a gestarse con la hipótesis de Planck. Esta teoría echó por tierra toda interpretación mecanista del mundo microscópico, al incorporar propiedades ondulatorias a todas las manifestaciones de la materia. La física Cuántica alcanzó su primera madurez a mediados de los años 2O cuando un grupo de brillantes físicos jóvenes, principalmente aquellos reunidos en torno a Niels Bohr, en Copenhague, dieron origen a un marco teórico coherente que dio paso a la física atómica.


La luz también es materia

Sólidos, líquidos y gases están compuestos de 92 tipos de diferentes átomos, desde el más liviano, el hidrógeno, hasta el átomo de uranio, que es el más pesado que se encuentra en la naturaleza. A comienzos de este siglo poco a poco se fue desentrañando la estructura interna de cada átomo: están formados por un núcleo rodeado de electrones. El núcleo es eléctricamente positivo e interactúa atractivamente con los electrones que lo rodean. Los electrones son extraordinariamente livianos: cerca de dos mil veces más livianos que el átomo de hidrógeno.

Los núcleos, a su vez, están formados por tan sólo dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. La química pudo comprender que la infinitud de moléculas diferentes en la naturaleza son agrupaciones de algunos de esos 92 tipos de átomos. El cuadro de la química parecía que se reduciría a una nueva fisicoquímica de tan sólo tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. Esas tres partículas servirían de base para explicar casi todo el mundo material que nos rodea. Era un panorama realmente atractivo. Pero la naturaleza nos sorprende permanentemente mostrándonos nuevas facetas que nos hacen ver que es más compleja de lo que nos habíamos podido imaginar.

La luz no juega un papel separado en el mundo de la materia. El siglo pasado ella fue descrita con gran precisión como una manifestación de las ondas electromagnéticos. También son ondas electromagnéticas los rayos X, la radiación ultravioleta, las ondas de televisión, el rada, etc. La diferencia está en sus longitudes de onda.

Sin embargo hubo propiedades de la radiación electromagnética que jamás pudieron explicarse en base a la teoría electromagnética clásica. Esto condujo al concepto de fotones, que resulta ser la cantidad mínima de energía asociada a irradiación electromagnética y ellos deben entenderse como materia, aun cuando posean incuestionables propiedades ondulatorias. Una muestra de que son materia se refleja en el hecho de que los fotones son atraídos por el campo gravitacional. Así poco antes de 1920 pudo observarse en un eclipse de sol que la imagen de las estrellas cercanas a la posición del sol se desviaba de un camino puramente rectilíneo. Este fenómeno había sido predicho por Einstein pocos años antes.

Otra clara vinculación de los fotones a lo material se observa en el cheque de dos fotones de muy alta energía (longitud de onda muy corta) que producen, como resultado de la colisión un par electrón-antielectrón, cumpliéndose el correcto balance de conservación de energía a través de la conocida relación E = mc2. Nótese que éste es un fenómeno en el que se crean objetos masivos (electrones) a partir de objetos sin masa (fotones).


Zoología subnuclear

A partir de los años 30 el panorama se comenzó a complicar. Cientos de nuevas partículas comenzaron a ser descubiertas, formando toda una zoología de partículas subnucleares que parecían ser tan elementales como los electrones, protones, fotones y neutrones ya conocidos. Cada una de ellas influye en las otras de un modo u otro y en las fuerzas con que interactúan entre sí. Por ejemplo, los fotones son necesarios para comprender la fuerza atractiva entre cada electrón y el núcleo atómico y, similarmente, se pudo predecir que debían existir partículas, hoy llamadas p para comprender las fuerzas de cohesión al interior del núcleo atómico. Los piones fueron observados directamente una docena de años después que fueron predichos por Hideki Yukawa en 1935. Como base de inspiración de su teoría Yukawa hizo una analogía con la naciente reformulación de la ley de atracción entre cargas eléctricas, basada en la teoría cuántica de fotones.

La mayoría de estas partículas no se encuentran en el interior de los átomos ni tampoco fuera de él. Al menos no en forma estable. Son partículas de efímera existencia: vidas medias que pueden ser la billonésima de la billonésima parte de un segundo. Nacen en colisiones y luego se desintegran, y aún así su existencia es de la mayor trascendencia.

La física de partículas se puso demasiado complicada. Cuando en 1952 Enrico Fermi dictó la Clase Magistral Silliman en la Universidad de Yale describió un panorama deprimente. Expuso los avances, las recientes explicaciones a los innumerables fenómenos subnucleares conocidos hasta ese entonces y repetidamente admitió que había pocas razones para creer en los cálculos que estaba exponiendo.

Uno de los huesos más duros de roer era el problema de las llamadas fuerzas débiles que el propio Fermi había tratado de explicar 20 años antes. Las interacciones débiles son responsables de las reacciones que nos permiten comprender por qué brillan las estrellas. Su modelo fue la única teoría de interacciones débiles por cerca de 40 años, a pesar de que adolecía de serias deficiencias.


Los últimos 25 años

Hace un par de décadas se pudo comprobar que una buena parte de las partículas descubiertas en este siglo son realmente sistemas compuestos de partículas aún más elementales, y que se les ha denominado quarks. La idea fue introducida por Murray Gell-Mann en 1964, pero Gell-Mann fue extremadamente cauto, señalando que más qué partículas reales podía pensarse en ellas como un mero artificio físico-matemático que permitía la visión de una parte de la física de partículas. Hoy en día el status de los quarks es similar al de un electrón. Protones, neutrones, piones y cientos de otras partículas están compuestas de quarks. Los electrones, fotones y pocas más, en cambio, todavía no muestran estructura y aparecen en igual pie de elementaridad que los quarks.

Otro espectacular éxito de la física de partículas se gestó entre 1961 y 1968 con el trabajo de diversos autores y que culminó cuando en forma simultánea e independiente S. Weinberg y A. Salam postularon una nueva teoría para las interacciones débiles. En ella se las incorpora, en conjunto con las interacciones electromagnéticas, dentro de un marco teórico unificado. Hoy se habla de las interacciones electrodébiles, para hacer énfasis en tal unificación. La teoría de Weinberg-Salam tenía su propia carta de garantía: si era cierta, tenía que descubrieses en un futuro cercano dos nuevos tipos de partículas - bautizadas W y Zº- con propiedades muy específicas. En efecto, ellas fueron observadas en el enorme laboratorio PanEuropeo de física de partículas cuatro años atrás.

La teoría también predecía un fenómeno conocido como corrientes neutras, las que fueron observadas en 1973.
El modelo estándar para explicar el mundo subnuclear, tal como se le conoce actualmente, reconoce que existen dos tipos de fuerzas entre las partículas: las fuerzas electrodébiles, que afectan a todas las partículas conocidas, y las fuerzas cromáticas, que sólo afectan a los quarks y a las partículas que ellos forman. Las fuerzas cromáticas son las responsables de mantener cohesionados a los quarks formando partículas tales como los protones, neutrones, piones y tantas otras. (La palabra cromática en este contexto no tiene relación alguna con la luz y sus efectos cromáticos, sólo se relaciona con el sentido de humor de algunos destacados físicos actuales).

Las fuerzas electromagnéticas, tan importantes en las interacciones atómicas y moleculares1 son una manifestación de las fuerzas electrodébiles, mientras que las fuerzas nucleares, tan intensamente estudiadas en los años 30 y 40, son una manifestación de las fuerzas cromáticas.

¿Existe una teoría coherente detrás de todo esto? No. El modelo estándar dista mucho de ser un cuadro lógico bien armado y bien comprendido. Existe, por ejemplo, la convicción de que tiene que haber una descripción unificada de los dos tipos de fuerzas (las electrodébiles y las cromáticas) para resolver innumerables problemas técnicos que hoy aquejan al modelo estándar. Desde hace algunos años es popular la idea que tal unificación se haría vía incorporar al campo gravitacional, hoy ausente, al marco teórico que describa en forma más acabada los fenómenos microscópicos y también astrofísicos y cosmológicos.

Los conceptos como fotones, quarks, fuerzas cromáticas y muchos otros tienen, como todo concepto que perdura, profundas y complejas raíces en la observación experimental. Lo que hoy sabemos es tan sólo un peldaño más en el avance de la ciencia.

Por largos períodos la física avanza lentamente consolidando los logros alcanzados. Por otro lado, alguno de esos logros dan lugar a nuevas tecnologías, las que hacen posible nuevos y más refinados experimentos que socavan las bases del marco teórico en boga abriendo paso a una nueva conceptualización. En este largo y poco dramático período contribuyen cientos de científicos, la mayor parte de los cuales quedan en el anonimato. Sólo una vez alcanzada una cantidad de información crítica se está en condiciones de emprender la brillante tarea de construir una nueva formulación teórica más profunda, con un dominio de validez más amplio sobre el universo de los fenómenos físicos. En su disertación Nobel en 1937 G. P. Thomson decía: ...es raro que una concepción científica nazca en su forma definitiva, o que tenga un sólo padre. Es más frecuente que sea el producto de muchas mentes, cada una modificando las ideas que surgieron antes, y proporcionando material para aquellos que vienen después.


Patricio Cordero S.

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Universidad de Chile.


Para saber más

K. J. Johnson. "The bag model of quark confinement", Sientific American, July, 1979.

5. Weinberg. "Conceptual foundations of the unified theory of weak and electromagnetic interactions", Review of Modern Physics 52, 515 (1980).

S.L. Glashow. "Towards a unified theory: threads in a tapestry", Review of Modern Physics 52, 539 (1980).
A. Salam. "Gauge unification of fundamental forces", Review of Modern Physics, 52, 525 (1980).

P. Cordero. "Componentes básicos de la materia", Mensaje, mayo (1980).

E. E. Vogel. "Aspectos históricos, filosóficos y anecdóticos de los orígenes de la mecánica" (Publicaciones Científicas, N0 5, Sociedad Chilena de Física, 1984).