30 LOS ATOMOS Y LA MATERIA

31 NATURALEZA DE LA RADIOACTIVIDAD

32 EL GATO DE SCHRÖDINGER

En los albores de la filosofía clásica griega, los pensadores Jónicos del siglo VI a.c., se preguntaban sobre la naturaleza: ¿De que están hechas todas las cosas? Interrogante que sus principales pensadores: Tales de Mileto, Anaxímedes, Anaximandro y Heráclito de Efeso, respondieron de manera diferente. Para Tales era el agua, para el segundo el aire, según el tercero el “éter”, especie de efluvio continuo e infinito, y para el último el fuego. El pensamiento lógico y contemplativo del materialismo Jónico partía de la premisa de que el mundo que les rodea puede ser comprendido, que se rige por reglas innatas y eternas que no dependen del pensamiento y la voluntad de los hombres y que, tras la complejidad aparente de la naturaleza existe un “orden” inteligible. Ese pensamiento racional y positivista es el germen del pensamiento científico actual.

En ese orden de ideas los filósofos pre-Socráticos advirtieron que la diversidad de sustancias materiales resulta de las combinaciones, en diferentes proporciones, de otras sustancias puras o elementales. Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito (470- 400? a.c.) llamaron átomos (indivisible) a esos constituyentes, pensándolos como uniformes, sólidos e incomprimibles, y en continuo movimiento en el espacio. Reconocieron que el agua en forma de vapor y en forma de hielo es la misma sustancia, pero en estadios (Estados) diferentes, donde el espacio entre sus constituyentes cambia, moviéndose mas rápido en el vapor que en el hielo. Para entonces toda la materia resultaba de la combinación de solo cuatro atributos: fuego, aire, tierra y agua; y quizás también de una quintaesencia o “éter” como propusiera luego Aristóteles.

Hoy día reconocemos no 4 o 5 elementos sino un total de 118 elementos químicos o tipos de átomos. Estos se combinan entre si, en proporciones diferentes, en grupos de dos o más para formar los ladrillos fundamentales del cual están hechas las cosas. Todos los cuerpos materiales ponderables, vale decir aquellos que son susceptibles de ser pesados y que ocupan una porción del espacio, están constituidos por esas unidades ínfimas e indivisibles compuestas de dos o más átomos (denominadas moléculas por Amadeo Avogadro en 1811), existiendo en forma natural 118 tipos de átomos o sustancias elementales. El reconocimiento de los átomos y de la existencia de los elementos químicos no es tan antiguo como parece, de hecho fue motivo de dilatadas controversias hasta la aparición, en 1808, de la obra “Un Nuevo Sistema de Filosofía Química” de John Dalton; en el cual, además del atomismo, funda la simbología química moderna. Dalton concibió a los átomos como esferas duras e impenetrables, de diferentes masas y tamaños para cada elemento químico, reconociendo al Hidrogeno como el más simple de ellos.

La diferenciación de los elementos por su masa atómica le sirvió a Dimitri Mendeleiev para clasificar las propiedades de los 64 elementos químicos conocidos en 1870, y predecir incluso las propiedades físicas y químicas de tres de ellos: el eka-aluminio (Nº 31 denominado ahora como galio), el eka-silicio (Nº 32: germanio) y el eka-boro (Nº 21 escandio); sus predicciones fueron confirmadas al ser descubiertos estos elementos. A comienzos del siglo pasado, se comprendió que los átomos son en realidad entes compuestos, y por ende divisible, constituido por partículas positivas en su núcleo (protones) junto a partículas neutras (neutrones) en torno a la cual existe una “nube” de partículas de carga negativas (electrones). La masa atómica reside casi por completo en el núcleo. La moderna Tabla Periódica ordena a los elementos químicos por su número atómico (número de protones): 1 para el Hidrogeno, 2 para el Helio, 3 para el Litio y sucesivamente hasta el Oberon 118.

La ilustración muestra las notas de Mendeleiev, usadas para dictar la cátedra de Química General, cuando se inició como Profesor en la Universidad de San Petersburgo, en 1869. Buscaba Mendeleiev la forma más cómoda y clara para explicar a los estudiantes las propiedades químicas de los elementos, cuando le surgió la idea genial de la Tabla Periódica. ¡Tiempos aquellos de la docencia bien realizada !.… a muchos, como diría Goethe, “aunque se les diese la piedra filosofal no la verían, porque faltaría el filósofo”.

Se denomina radiactividad al proceso mediante el cual un núcleo atómico inestable decae o se trasmuta en otro núcleo más ligero con la consiguiente emisión de energía (partículas o “rayos”). Etimológicamente se puede definir como la actividad del radio, vale decir del elemento químico descubierto por los esposos Curie en 1898.

La radioactividad la observa por vez primera Henri Becquerel en febrero de 1896 (fotografía izquierda), al notar que ciertos compuestos del Uranio; elemento químico aislado por Peligot en 1841, de peso atómico238; tenían la propiedad de ocasionar fosforescencia en otros materiales, de impresionar a distancia las placas fotográficas y de originar la conducción eléctrica de gases. Becquerel demostró que las sales del Uranio emitían de manera continua y espontánea “rayos”, vale decir radiación. Esta radiación resultó incluso más penetrante que los rayos descubiertos apenas un año en Munich por el Prof. Wilhelm Röntgen (Rayos X).

Inspirados por estos nuevos hallazgos, Pierre Curie y su esposa (fotografías centro y derecha), estudiaron el mineral del cual se extraía el Uranio, la pechblenda, y encontraron un nuevo elemento químico aún mas activo en las “misteriosas” emisiones, se trataba del Radio cuyo peso atómico era de 226. Casi enseguida se encontró otro elemento tan activo como el Radio, de peso 210 y bautizado primero como Radio F y luego como Polonio. Así resultaba que todos los elementos radio-activos eran mas pesados que el Bismuto (209).

En 1899 Debierne y Geisel encontraron el Actino (de peso atómico 227) y Ernest Rutherford demostró que los rayos emitidos por los elementos radioactivos parecían ser de dos clases diferentes: unos con cargas positivas y poco penetrantes, emitidos por el Uranio, y otros con cargas negativas y muy penetrantes, llamo a tales rayos alfa y beta respectivamente. Al año siguiente Villard mostró que el Radio también emitía rayos aún mas penetrantes que los rayos X, los denominó rayos gamma, estos rayos carecían de carga eléctrica.

Experimentos sucesivos de Rutherford y colaboradores (Royds, Soddy, etc.) mostraron que los rayos alfa eran núcleos de átomos de helio, los rayos beta eran electrones y, los rayos gamma y los rayos X eran radiación electromagnética o fotones de mucha más energía que la luz ultravioleta.

Hoy, luego del desarrollo de los modelos atómicos pioneros de Rutherford y Bohr, se puede decir eufemísticamente que los átomos están constituidos por un núcleo, o suerte de agregado de partículas positivas (protones) y neutras (neutrones), y una nube de cargas negativas (electrones). La interacción eléctrica mantiene unida la nube al núcleo y otra fuerza, de mayor intensidad que la fuerza de repulsión eléctrica, mantiene la cohesión entre los protones, y entre estos y los neutrones en el núcleo. Tal interacción, denomina fuerza Fuerte, liga a cada protón de su neutrón vecino. En los núcleos más pesados la estabilidad no puede mantenerse generando radiactividad. La interacción responsable de la desintegración del neutrón, y de otras partículas subatómicas, es mucho más débil, de allí su nombre: Fuerza Débil. Está interacción también conocida como decaimiento beta explica las emisiones de rayos beta, por desintegración o ruptura de partículas más pesadas en otras más ligeras. Verbigracia el decaimiento de un neutrón, cada 930 segundos, en una tríada de partículas constituidas por: un protón, un electrón (rayos beta) y un neutrino, “partícula” ligera (leptónica) sin masa ni carga eléctrica.

La templanza de Marie Curie como mujer de Ciencia queda reflejada en la ocasión que enviaron a un periodista a entrevistarle. La encontró en su cabaña de pesca, sentada en la puerta limpiando sus sandalias. Curie no mostró ningún interés por la entrevista, contestando con frases cortas todo el rato. No obstante ante aquella escena de "intimidad" el periodista intentó aprovechar el momento para obtener alguna confidencia de la vida de Curie, sobre su juventud, forma de vida... Pero Curie terminó la entrevista con una frase que se convertiría en uno de sus lemas y que dice mucho de su forma de ver las cosas: "En ciencia debemos interesarnos en las cosas, no en las personas".

El advenimiento de la Mecánica Cuántica, como teoría física, para describir el mundo material a escalas atómicas ha revolucionado la concepción de la realidad física y ha sido motivo de arduas controversias filosóficas. Es bien conocido el Principio de Incertidumbre, debido a Heisenberg, que establece la imposibilidad de medir y conocer con infinita precisión la posición y el momentum de una partícula sub-atómica. Esta limitación es independiente del desarrollo de la técnica; y hay quienes la extrapolan hacia el conocimiento humano, signándolo como intrínsecamente limitado.

También forma parte del formalismo de la Mecánica Cuántica el principio de dualidad onda-partícula; descubierto por Louis Víctor De Broglie, según el cual toda partícula sub-atómica es también una onda. De suerte tal, que los electrones tienen asociada una onda y pueden ser focalizados como los rayos de luz para fabricar lentes y microscopios. La veracidad de ese hecho posibilitó los microscopios electrónicos de uso cotidiano hoy día en investigación biomédica. Erróneamente se extrapola tal principio al mundo macroscópico interpretándolo como que los entes materiales puedan tener doble esencia.

En realidad estos principios y leyes físicas solo tienen validez en el mundo sub-atómico, en los cuales las magnitudes físicas toman valores discretos, a “saltos”, discontinuos o cuantizados. Estas ideas de la Mecánica Cuántica florecieron en el mundo intelectual de comienzos de siglo, principalmente en Copenhague; lugar donde laboraba su principal mentor: Niels Bohr; de allí que la “Escuela” de pensamiento se le conozca como la interpretación o Escuela de Copenhague. Para ellos los resultados y las leyes de la física solo adquieren veracidad con la medida; concepción también conocida como el Instrumentalismo: “el electrón existe solo cuando es medido”.

En oposición a tal concepción estaban otros físicos de la época como Einstein, Planck y Schrödinger; quienes a pesar de haber hecho significativos aportes a la comprensión del micromundo físico, se situaron en el “Realismo”, según el cual las partículas tienen una existencia real trascendente. De acuerdo con el realismo el Principio de Incertidumbre y la Mecánica Cuántica con todo su formalismo es una Teoría incompleta; falta conocer algunas variables por ahora “ocultas”. La realidad puede ser comprendida en todas sus partes.

Una de las objeciones, aún no resuelta del todo, es la propuesta por Schrödinger en 1935. En ella se pretendía demostrar por reducción al absurdo que tanto la Mecánica Cuántica como la concepción probabilista de la naturaleza que se deriva de ella, son incompletas. Para ello propuso un experimento imaginario: una fuente radiactiva se coloca, en un intervalo de tiempo dado, unida a un dispositivo (un relé con un martillo, por ejemplo) que al accionarse mataría un gato. Según la Mecánica Cuántica la probabilidad de emisión de una partícula por la fuente radiactiva es 50%, luego el gato tendría un 50% de probabilidad de supervivencia, pues si la fuente no emite radiación no se activa el mecanismo para matar al gato. Sin embargo es claro que el gato no puede tener un 50% de probabilidad de sobrevivir independientemente del lapso de tiempo considerado dadas tales condiciones; de lo que se concluye la incompletitud de la Mecánica Cuántica.

La respuesta obvia al dilema del gato es que este no es un ente subatómico (técnicamente: no constituye un Estado puro) y por lo tanto la descripción de la Mecánica Cuántica no es aplicable; pudiendo ser esta una Teoría completa para el dominio del mundo atómico y sub-atómico. El dilema del gato de Schrödinger muestra pues el problema de la medida. Otra controversia famosa, basada también en “experimentos” mentales; muy propio de los físicos teóricos, es la Paradoja EPR, a la que me referiré mas adelante.

El problema de la medida, nos lleva a la reflexión sobre el significado de la realidad, y la paradoja del gato de Schrödinger nos muestra, como las teorías, modelos y sistemas son siempre incompletos, solo la imaginación creadora del hombre es ilimitada...para salvar o sacrificar al gato, según las circunstancias.