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23 – TEORÍAS INCOMPATIBLES
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23 – TEORÍAS INCOMPATIBLES
3 de noviembre, 2016
Pedro Luis retomó el hilo de la explicación para seguir con la Cuántica, la otra gran teoría física del Siglo XX. Adoptó de nuevo la actitud profesoral y comenzó:
«Cuando decíamos antes que nadie hasta la década de 1960 fue capaz de imaginar que pudiera haber agujeros negros, objetos de tanta masa como para que ni siquiera la luz fuera capaz de abandonar su campo gravitatorio, es porque fue por entonces cuando los modelos cosmológicos modernos fueron apareciendo, los modelos de formación y evolución de las estrellas… pero ninguno de ellos hubieran sido posibles si no se hubiera desarrollado la Mecánica Cuántica, la tercera gran teoría del siglo XX.
»Comentábamos antes que a fines del siglo XIX la sensación entre los físicos es que todo estaba ya descubierto y que todas las leyes físicas estaban ya desveladas y formalizadas, salvo “algunas pequeñas cosas”. Una de esas pequeñas cosas era en realidad algo bastante gordo, una mosca de buen tamaño nadando en medio de la sopa teórica… se trataba del problema de la radiación del cuerpo negro, del que supongo, Javier, que nunca has oído hablar —efectivamente, Javier nunca había oído hablar de tal problema, como no fuera a Inma, su novia, en otra vida, decidiendo si ponerse un vestido negro o de color… pero ya suponía Javier que la cosa no iba a ir por ahí.
»Ese problema radicaba en que, según las leyes del electromagnetismo de Maxwell, la energía dentro de un horno con paredes calientes sería infinita… y eso indiscutiblemente no es cierto. No voy a entrar en el porqué, pero sí en cómo lo solucionó otro de los científicos clave de la Física moderna: Max Planck. Planck se dio cuenta de que el problema de determinar la radiación del cuerpo negro se solucionaba a la perfección asumiendo que la energía está “cuantizada”, es decir, que la energía que puede tener cualquier objeto no puede tomar valores arbitrarios, como siempre se había creído, sino que viene en paquetes. En “cuantos”, que es como los llama Planck.
»Esto quiere decir que cualquier objeto puede tener sólo ciertos valores discretos de energía, que se presenta en escalones separados entre sí por una cierta energía fundamental. Un objeto puede tener la energía asociada a un escalón o al siguiente, pero no en ningún valor intermedio. Es como tu cuenta bancaria: puedes tener 1000,00 euros o 1000,01, pero ninguna cantidad intermedia, pues la unidad mínima fundamental del sistema bancario es el céntimo de euro. ¿De acuerdo? Pues con la energía es igual. Si a cualquier objeto situado en un cierto escalón se le proporciona una cierta energía que no es suficiente para alcanzar el siguiente escalón, el objeto se queda como estaba, como cuando una liquidación de intereses te abona unos míseros 0,2 céntimos en tu cuenta… se queda como está, no es cantidad suficiente para llegar al siguiente céntimo y el saldo final no cambia. ¿Comprendido hasta aquí…?
»Bien, todo esto contradice obviamente al sentido común: cuando empujas a tu sobrino en un columpio, ni tú ni nadie distingue que el columpio se mueva en escalones, sino de forma continua… pero es que los escalones son tan minúsculos, del orden de un cero, coma, seguido de treinta y cuatro ceros antes de encontrar la primera cifra significativa, que es imposible percibirlos con nuestros sentidos. Esa cifra, que por cierto es la “constante de Planck”, es una cifra absolutamente despreciable, ridícula, es casi, casi igual que cero… pero no es cero, lo que significaría que la energía sí podría tomar cualquier valor arbitrario. El resultado de que la constante de Planck no sea cero es que el universo es un lugar muy raro… Pero me estoy adelantando, creo. Sigo.
»Aunque Planck hizo su hipótesis de los cuantos de energía en 1900, nadie hizo mucho caso a su proposición, ni siquiera él mismo, pues la consideraba un mero artificio matemático para solventar un problema. Entonces, en 1905, el mismo año en que publicó su artículo sobre la Relatividad Especial, Einstein publicó otro artículo más explicando el efecto fotoeléctrico, otra de las “pequeñas cosas” que faltaban por explicar en la física de fin del siglo XIX. En dicho artículo explica por qué se produce dicho efecto fotoeléctrico, que se llama así porque ciertos metales emitían electrones o no en función del color de la luz con que se iluminaban. Si se iluminaban con luz roja no emitían ningún electrón, por muy potente que la luz fuera; en cambio, si se iluminaban con luz azul, entonces sí emitían electrones, pocos si la luz era tenue y muchos si era fuerte. Esto no tenía el menor sentido para nadie —Javier asintió. Tampoco tenía sentido para él, pues ¿qué más daría el color de la luz? No obstante, siguió escuchando atentamente.
»Lo que dice Einstein es que no sólo la energía de la materia está paquetizada, que sólo puede tener energía en escalones predeterminados, sino que la energía de la luz también está paquetizada, cuantizada… y define el fotón como la unidad básica de la luz. Por si no lo recuerdas, el color de la luz depende en realidad de su frecuencia y longitud de onda, y cuanta mayor es la frecuencia, mayor es la energía del fotón que transporta la luz. La luz azul tiene mayor frecuencia que la roja, y por tanto sus fotones tienen mayor energía. Así, cuando un fotón “rojo” choca con un electrón del metal, le cede toda su energía, pero esta energía no es suficiente para “subirle” hasta el siguiente escalón: el electrón no se mueve, no puede ser arrancado del átomo del metal, no tiene energía suficiente. Pero un fotón “azul”, de mayor frecuencia, tiene más energía, y ahora sí puede ser posible que en su choque con un electrón le dé energía suficiente como para subir al escalón siguiente… y el electrón escapa del metal y puede ser medido con un detector. En una palabra, tanto la materia como la luz están cuantizadas. Y eso sí supuso una revolución en toda regla.
»Einstein fue premiado con el Premio Nobel por esta explicación del efecto fotoeléctrico, poniendo nuevamente patas arriba nuestra concepción de la física y del Universo… curiosamente no le dieron el Nobel por la Relatividad, ni por la Especial ni por la General. Y más curioso aún es que cuando otros físicos fueron avanzando por el camino que él había mostrado, desarrollando lo que se conocería como Mecánica Cuántica, Don Alberto renegó completamente de la teoría, incapaz de aceptar las conclusiones que se fueron poniendo de manifiesto, y trató por todos los medios a su alcance de desmontar la teoría… teoría que ha resultado ser la más exacta y completa jamás creada por el Hombre hasta el momento.
»Una vez destapada la lata, a partir de la década de 1920 una pléyade de científicos comenzaron a estudiar el nuevo paradigma, y rápidamente fueron determinando aspectos que cada vez gustaban menos a Einstein y al propio Planck. Con el famoso experimento de la doble rendija se determinó la dualidad onda-corpúsculo para la luz, es decir, que la luz es simultáneamente onda y partícula. Pero es que no sólo la luz es onda y partícula a la vez, sino que la materia lo es también. Fue Louis de Broglie quien lo estableció, y se demostró cuando se constató que el experimento de la doble rendija no sólo funciona para fotones, sino también para electrones, y posteriormente para neutrones, protones, incluso átomos completos. Aceptar que la materia es ondulatoria es realmente difícil y absolutamente contraintuitivo… porque tú, Javier, eres en realidad un ser ondulatorio, como lo es Gonzalo o lo soy yo mismo. Es raro, muy raro, pero así es, aunque no nos guste —Javier hubiera pensado que Pedro Luis le estaba tomando el pelo, pero estaba tan serio que no lo parecía. ¿Él, un ser ondulatorio? En fin…
»Otros científicos como Born y Schrödinger prosiguieron la demolición de la física tradicional cuando determinaron que la información referente a las partículas puede ser explicada sólo en base a funciones de probabilidad, es decir, que puedes encontrar o no a una cierta partícula en un cierto lugar en base a una probabilidad determinada, digamos del 60%, por ejemplo, lo que dejó perplejo a muchos. Todo el mundo pensamos en probabilidades cuando hablamos de casinos, loterías y tiradas de dados, pero ¿probabilidades en el núcleo de la Naturaleza? Resultaba inconcebible. Muchos científicos se rebelaron, entre ellos Einstein, pero lo cierto es que los datos experimentales eran tan abrumadoramente iguales a los obtenidos con las nuevas ecuaciones que muchos tuvieron que admitir que “algo debía haber de cierto en todo este follón”. Los artículos y los experimentos se sucedían frenéticamente durante las décadas de los años 20 y 30 del siglo pasado, desvelando con cada nuevo descubrimiento una Naturaleza cada vez más rara.
»Finalmente, Werner Heisenberg acabó de derribar toda la Física determinista tradicional cuando expone su famoso Principio de Indeterminación —Javier conocía la existencia del Principio de Indeterminación de Heisenberg, pero como no tenía muy claro de qué iba, continuó muy atento siguiendo la charla magistral de Pedro Luis, que se estaba revelando como un conferenciante y divulgador excepcional.
»Lo que dice básicamente el Principio de Indeterminación es que no es posible conocer simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula, por ejemplo un electrón, con precisión creciente. Cuanto más determinada está la posición del electrón menos lo está su velocidad, y viceversa. Y esto no se debe a que no seamos capaces de medir a la vez ambos valores debido a la imperfección de nuestros instrumentos de medida, sino que es un principio básico de la Naturaleza. Es fuerte, ¿no? —Javier asintió una vez más. Era fuerte, desde luego que sí—. Es como si la Naturaleza nos permitiera conocer algunas cosas sobre ella, pero no otras. Realmente es algo muy raro y alejado de la concepción determinista clásica.
»Ahí fue cuando Einstein se rebeló definitivamente contra la criatura que él mismo había creado. Fue entonces cuando dijo aquello de “Dios no juega a los dados con el Universo”, y a partir de ese momento dedicó el resto de su vida a intentar desmontar la Mecánica Cuántica. No lo consiguió. Pero sí tenía razón en algo: la teoría cuántica en sus comienzos era una teoría que iba… por libre, por así decirlo, en el sentido de que no tenía en cuenta los efectos de la Relatividad. Los propios científicos sabían que éste era un defecto grave y trataron de subsanarlo, pero no lo consiguieron.
»Sin embargo, a partir de los años 30 y 40 del siglo XX una nueva generación de físicos como Dirac, Pauli, Feynman y otros, reformuló de nuevo desde el principio toda la Mecánica Cuántica para incluir en ella la Relatividad, obteniendo una “teoría cuántica relativista de campos”, más conocida como “electrodinámica cuántica”. En ella se incorporan todos los aspectos de probabilidad e incertidumbre inherentes a la “Cuántica”, es “de campos” porque fusiona estos principios cuánticos con las Leyes del Electromagnetismo de Maxwell, y es “relativista” porque la Relatividad Especial está incorporada igualmente desde el origen.
»El éxito de este esfuerzo al incorporar la fuerza electromagnética a la Relatividad y la Cuántica, así como los excelentes resultados obtenidos experimentalmente, pues sus predicciones se ajustaban con una precisión sin precedentes a las observaciones, animó a otros físicos a intentar un planteamiento análogo con el resto de fuerzas fundamentales de la Naturaleza, es decir, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y gravedad, cosa que se hizo a partir de las décadas de 1960 y 1970.
»Así se consiguió unificar las fuerzas electromagnética y nuclear débil en la llamada “fuerza electrodébil”. Y en cuanto a la fuerza nuclear fuerte, muchos físicos trabajaron duro hasta crear la “teoría cromodinámica cuántica”, de la que Richard Feynman fue quizás el mayor impulsor. Muchos premios Nobel fueron otorgados por estos trabajos.
»Por fin, Peter Higgs define el “campo de Higgs”, definiendo el mecanismo que dota de masa a las partículas. Durante muchos años fue una teoría controvertida, pues no existían los medios para comprobarla experimentalmente. Al fin se consiguió detectar el bosón de Higgs en el flamante LHC de Ginebra, redondeando de esta manera la llamada “teoría standard de campos”, o simplemente “Modelo Standard”, que es como lo conoce todo el mundo. Higgs obtuvo su Premio Nobel en 2013. Y el “Modelo Standard” es la teoría humana más precisa que se haya postulado jamás: las predicciones de sus ecuaciones se cumplen hasta la trillonésima de metro, cosa nunca vista antes. Podríamos decir que es una teoría redonda, perfecta… —Pedro Luis hizo ahora una pausa efectista. Javier se dio cuenta de que algo pasaba, pero no podía imaginar qué. Continuó expectante, mientras Gonzalo sonreía, hasta que Pedro Luis prosiguió su relato.
»En fin, los dos pilares de la física moderna son la Relatividad, en sus dos sabores, Especial y General, y la Mecánica Cuántica. Se han verificado hasta la saciedad, sus predicciones se cumplen con una perfección nunca vista, hay máquinas y sistemas que funcionan gracias a que ambas teorías producen resultados fiables, como son el sistema GPS, por un lado, o la Tomografía por Emisión de Positrones, por el otro. Son el culmen del saber humano sobre la Naturaleza, dos teorías perfectas… ¡E incompatibles entre sí! ¡No pueden ser ciertas simultáneamente!».
Javier se quedó helado, mientras Pedro Luis y Gonzalo sonreían, divertidos. ¿Cómo dice? ¿Incompatibles? ¿Tanto trabajo para esto? ¿Y ahora… ahora qué? Y sobre todo, ¿cómo era todo esto compatible con el TaqEn, el viaje de Tomei y todo lo demás?