Del mundo cuántico al universo en expansión

I. Materia, luz y antimateria

PRESENTAREMOS en este y los dos siguientes capítulos el Universo en la escala microscópica, estudiaremos las partículas más fundamentales de la materia y echaremos un vistazo al mundo cuántico, con sus extrañas leyes, donde los entes fundamentales son partículas y ondas a la vez.

MATERIA

Lo que llamamos átomo en la actualidad no es, estrictamente hablando, el átomo de Demócrito. Ernest Rutherford demostró, en 1911, que el llamado átomo consta de un núcleo, alrededor del cual giran pequeñas partículas llamadas electrones.

Los electrones son partículas con una carga eléctrica negativa, mientras que el núcleo atómico posee una carga eléctrica positiva. Debido a que cargas eléctricas de signo contrario se atraen, el núcleo ejerce una fuerza de atracción en los electrones que se encuentran a su alrededor.

Para visualizar un átomo, podemos pensar en un sistema solar microscópico en el que el núcleo sería el Sol y los electrones los planetas. La diferencia es que el Sol mantiene unidos a los planetas por la fuerza gravitacional que ejerce sobre ellos, mientras que el núcleo atrae a los electrones por medio de la fuerza eléctrica.

Pero el núcleo atómico no es una partícula, sino que está formado, a su vez, de dos tipos de partículas: los protones y los neutrones (Figura 1). La existencia de los primeros fue establecida por el mismo Rutherford en 1919, mientras que los segundos fueron descubiertos, años más tarde, por J. Chadwick. En resumen, parecía que tres tipos de partículas eran los constituyentes fundamentales de la materia.

Figura 1. Esquema de un átomo de helio. Dos electrones giran alrededor de un núcleo compuesto de dos protones y dos neutrones.

Los protones y los electrones son partículas con cargas eléctricas exactamente de la misma magnitud pero de signos contrarios. Esta carga fundamental es de 1.602 × 10−19 coulombs.[2][3] Los neutrones, por otra parte, no poseen carga eléctrica. La carga de un núcleo atómico está determinada de manera exclusiva por el número de protones que lo constituyen y es, por lo tanto, de signo positivo. Evidentemente, la carga de un núcleo es un múltiplo entero de la carga de un protón.

Para tener una idea de lo diminutas que son estas partículas, señalemos que la masa de un electrón es de unos 9.109 × 10−28 gramos, mientras que un protón es 1 836 veces más masivo que un electrón —pesa cerca de 1.673 × 10−24 gramos— y el neutrón es ligeramente —1.675 × 10−24 gramos. El cuerpo humano, por ejemplo, está hecho de unos 20 000 billones de billones (2 × 10²⁸) de protones, otros tantos electrones y un número un poco mayor de neutrones.

En la naturaleza existen, en estado natural, 92 tipos de elementos químicos. Un elemento químico está determinado enteramente por el número de protones en el átomo que lo constituye. El núcleo del átomo de hidrógeno consta de un único protón, el del helio posee dos protones y dos neutrones, el del litio tres protones y cuatro neutrones, …el carbón seis protones y seis neutrones… el hierro 26 protones y 30 neutrones… y así hasta el uranio, cuyo núcleo está formado por 92 protones y 146 neutrones. Además, los átomos de diversos elementos químicos suelen unirse entre sí para formar moléculas; por ejemplo, la molécula del agua consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Los átomos se mantienen unidos en las moléculas gracias a las atracciones eléctricas y magnéticas.

Como veremos con más detalle en el próximo capítulo, los protones y neutrones se encuentran amarrados en el núcleo por las fuerzas nucleares. Para transmutar un elemento químico en otro es necesario cambiar el número de protones en el núcleo, lo cual es posible en principio, pero requiere de una enorme cantidad de energía, muchísimo mayor de la que soñaron los alquimistas. La razón es que las fuerzas nucleares son tan intensas que no se puede despegar fácilmente un protón del núcleo.

En cambio, las fuerzas eléctricas son menos intensas, por lo que es factible despegar uno o varios electrones de un átomo. En condiciones normales en la Tierra, los átomos constan generalmente de un igual número de electrones que de protones y, por lo tanto, la carga neta de un átomo es cero. Pero puede suceder que algunos electrones se escapen de la atracción del núcleo, dejando así al átomo con una carga positiva neta; en tal caso se dice que el átomo se ha convertido en un ion. En los metales, los átomos se pueden acomodar de tal manera que sus electrones viajan de un átomo a otro; la corriente eléctrica, por ejemplo, se debe al flujo de electrones en un cable metálico.

En resumen, los ladrillos fundamentales con los que está hecha toda la materia que existe a nuestro alrededor son los electrones, los protones y los neutrones. Pero, además de la materia, existe la radiación, es decir, la luz…

LUZ

Ya en el siglo XVII, los físicos empezaron a preocuparse por la naturaleza de la luz. Isaac Newton pensaba que la luz estaba hecha de partículas, mientras que otros, como Christian Huygens, sostenían que la luz es una onda que, al igual que una ola en el agua o el sonido en el aire, se propaga en algún misterioso medio al que llamaron éter.

La naturaleza de la luz quedó aparentemente elucidada a mediados del siglo XIX, cuando James C. Maxwell encontró las ecuaciones que describen la electricidad y el magnetismo, y demostró, a partir de esas ecuaciones, que la luz es una onda electromagnética. La consecuencia más lógica sería que si la luz es una onda, debería existir el éter para transportarla.

Quizás sería más apropiado decir que la luz presenta características propias de una onda. Incluso con esta aclaración, la realidad resultó más complicada. El primer problema era el éter mismo, esa extraña sustancia impalpable que sólo se manifiesta como transmisora de la luz. Los intentos por detectarlo, aunque fuese de manera indirecta, resultaron inútiles.[4]

Por otra parte, a fines del siglo XIX, ya se habían descubierto algunos fenómenos físicos que sencillamente no se podían explicar con base en una teoría ondulatoria de la luz. Max Planck demostró que la luz debía consistir de paquetes de energía, o cuantos, y que la energía E de cada paquete es:

E = hv

donde h es la ahora llamada constante de Planck[5] y v es la frecuencia de la luz considerada.[6] Poco después, en un famoso trabajo publicado en 1905, Albert Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico (el mismo que hoy en día permite construir los detectores que se usan, por ejemplo, para cerrar las puertas de los elevadores) sólo se puede explicar si la luz es una partícula. Tal partícula, el fotón, tiene la propiedad de no poseer masa sino energía pura, además de que siempre se mueve a la velocidad de la luz. Esta propiedad sólo puede entenderse en el marco de la teoría de la relatividad de Einstein, a la que volveremos más adelante. Por ahora señalemos que, de acuerdo con esta teoría, ninguna partícula puede moverse más rápidamente que la luz, y sólo puede moverse a esa velocidad si no posee masa, como es el caso de fotón.

Así pues, la luz es una onda y a la vez una partícula. Esta dualidad onda-partícula es una de las características más notorias del mundo cuántico y tendremos oportunidad de volver a ella. Por el momento recordemos que la longitud de una onda de luz —que se define como la distancia entre dos crestas o dos valles (Figura 2)— es inversamente proporcional a la frecuencia y, por lo tanto, a la energía del fotón asociado. A mayor energía del fotón, mayor frecuencia de vibración y menor longitud de la onda.

Figura 2. La longitud de una onda es la distancia entre dos crestas, y es inversamente proporcional a la frecuencia (número de vibraciones por segundo).

Los fotones con más energía que se conocen son los fotones gamma, aquellos que constituyen los llamados rayos gamma, cuyas longitudes de onda son menores que unos 10−8 cm. Les siguen los rayos X, cuyas longitudes de onda se encuentran entre los 10−8 y los 10−6 cm; y luego los rayos ultravioleta, entre 10−6 y 10−5 cm. Nuestros ojos sólo perciben la luz cuya longitud de onda se encuentra entre las 380 millonésimas de milímetro (luz violeta) y las 760 millonésimas de milímetro (luz roja); entre esas dos longitudes de onda se hallan todos los colores del arco iris; cada color corresponde a una longitud de onda bien definida. Si seguimos aumentado la longitud de onda pasamos a la luz infrarroja, a la que ya no son sensibles nuestros ojos, luego las microondas y finalmente las ondas de radio, de uso tan común y cuyas longitudes de onda se sitúan entre pocos centímetros hasta varios cientos de metros. Entre los rayos gamma y las ondas de radio tenemos un muy amplio espectro de luz, y sólo una pequeña zona de ese espectro es directamente perceptible a la visión. Para captar fotones fuera de nuestro rango de percepción visual necesitamos detectores artificiales.

ANTIMATERIA

Las partículas del mundo atómico