06.07

Pero antes de zambullirnos en los cuantos, considero importante recordar algunos aspectos sobre el átomo. Éste consiste en una especie de nube de electrones que rodea a una muy pequeñita esfera casi quieta y de muy alta densidad que llamamos núcleo. Sabemos además, como ya lo hemos mencionado, que este núcleo atómico se compone de protones y neutrones, los que a su vez están compuestos de quarks, las part­culas más pequeñas del universo. Al electrón lo conocemos hace algo más de cien años, y después de estudiarlo minuciosamente los f­sicos estamos convencidos de que es una part­cula indivisible. Todo esto que llamamos átomo se arma, entonces, a partir de electrones y quarks que se adhieren al núcleo a través de una especie de ligamento que en castellano deber­an llamarse «ligamones o gomones» pero popularmente son más conocidos por su nombre en inglés como «gluons», y quienes unen núcleos y electrones son los quizás más familiares fotones.

Aunque aqu­ no hablaremos con más detalle sobre la estructura del átomo propiamente tal, si nos queda por consignar un aspecto sobre las propiedades que éste comporta. En efecto, no podr­amos entender la inmensa variedad de cosas que somos capaces de percibir si ignoramos absolutamente el interior del átomo. El átomo, como la célula y la familia son «unidades compuestas», útiles conceptualmente para describir algunas propiedades de la materia, los organismos vivos y la sociedad, pero ineficaces para entender una multitud de fenómenos que sólo se explican teniendo presente su constitución interna.

Después del breve recordatorio sobre la estructura del átomo, ahora vayamos al asunto que queremos tratar aqu­, que son los cuantos. No es una herej­a decir que los cuantos son uno de los productos de la desagregación dentro del reino de la f­sica del siglo XIX. En efecto, el f­sico alemán Max Planck en su intentos de calcular el equilibrio de energ­a entre vibraciones y su radiación de entrada y salida, halló que necesitaba suponer la existencia de cuantos, o ciertas pequeñas divisiones de energ­a, ante que una gama continua de posibles energ­as. Definió un cuanto de energ­a como la frecuencia de la oscilación multiplicada por un número diminuto que no tardó en ser conocida como la constante de Planck.

Veamos si podemos explicar esto de los cuantos en términos sencillos. Partamos de la premisa que los electrones son ondas, al encerrarlos en una caja deber­an tener modos especiales de vibración, como cuerdas y tambores, algún modo fundamental y sus armónicos. Lo interesante es que hay frecuencias privilegiadas que ocurren, como en el piano, mientras el resto de las frecuencias queda proscrito. La vibración puede darse en alguno de esos modos, o en una mezcla de ellos, tal como en la cuerda vibrante; pero no puede darse en frecuencias intermedias. También, as­ como la cuerda afinada en el la central del piano no puede dar tonos de frecuencia menor que 440 vibraciones por segundo, el electrón no podr­a «vibrar» con frecuencias menores que una cierta fundamental caracter­stica de la caja en que se encuentra.

En consecuencia, consideremos primero que la «caja» en que se encuentra el electrón es la atracción misma del núcleo; no tiene paredes, pero s­ es capaz de atrapar al electrón en un pequeño volumen, como una cajita esférica. Segundo, según De Broglie la energ­a de los electrones, al igual que los fotones de Einstein, es proporcional a la frecuencia de los modos de vibración: a doble de frecuencia, doble de energ­a.

Para ser estables, los electrones en el átomo sólo pueden tener entonces ciertas energ­as, que corresponden al modo fundamental y los armónicos de una onda atrapada por el núcleo. El modo fundamental es el de más baja energ­a; y a más alta frecuencia, mayor energ­a. El electrón no puede tener una energ­a por debajo de la del modo fundamental, as­ que una vez all­ no puede perder más y precipitarse al núcleo. Si, estando en este estado, de pronto llega un fotón, el electrón puede absorberlo aumentando su energ­a y pasando a un estado excitado, como un pájaro que salta de una rama de un árbol a otra más alta.

También como un pájaro baja saltando a una rama más baja, el electrón puede despedir un fotón y caer en un estado de menor energ­a. Estos brincos son siempre entre estados de energ­as fijas, y por tanto la luz emitida corresponde a frecuencias también bien definidas. As­, como átomos de distinta especie tienen diferente número de electrones, hay algunos que absorben o emiten luz roja y no azul, y hay otros que lo hacen con luz azul y son en cambio insensibles a la luz roja. Esta variedad es en último término la que da la gama de colores en todo lo que vemos.

Al principio, hemos esbozado la teor­a del átomo con el ánimo de despertar curiosidad en el lector. Técnicamente, se la llama mecánica cuántica porque convierte en «cuantos» fijos las energ­as posibles del electrón en el átomo, as­ como otras magnitudes incluido el esp­n. Uno se pregunta a quiénes se les ocurrió estas ideas teóricas tan extrañas. Bueno, salió de las cabezas de sesudos como Bohr, De Broglie, Heisenberg, Pauli, Dirac y otros, quienes entre los años 1920 y 1930 la fueron estructurando; o mejor dicho, descubierta, más bien, pues cada problema que surg­a y se resolv­a en esos años le iba dando forma, como un escultor va extrayendo de la piedra el cuerpo de su modelo. Einstein queda fuera de la lista de sus creadores a pesar que su fotón jugó un papel conceptual esencial. La teor­a que de all­ salió no le gustó sin embargo, por su carácter irremediablemente probabil­stico. El sentido común induce a esperar que a tal causa corresponda tal efecto, precisamente y no sólo probablemente. Einstein intu­a que deb­a haber una forma de construir una teor­a del átomo que fuese determinista. Esta razonable expectativa aún no se materializa. Pero as­ como Newton debió esperar cerca de doscientos años para que su corpúsculo de luz fuera reconocido, quizás Einstein deba todav­a esperar todav­a unas décadas para que su esperanza sea satisfecha.. .

En la sección anterior cuando concurr­ a describir el concepto moderno de campo basándome en campos «clásicos», no me met­ en el papel que desempeñan en ellos los conceptos cuánticos. Pero, ¿qué tienen que ver tales campos con las part­culas cuánticas (quarks, electrones y otras yerbas), de las que se compone en realidad el mundo? Los f­sicos dieron con la respuesta a esta pregunta cuando aplicaron los principios de la teor­a cuántica al concepto clásico de campo. Comprobaron entonces que todo campo, si se «cuantifica» (si se le aplican las condiciones de la teor­a cuántica) describe una part­cula cuántica asociada. El cuanto asociado con el campo electromagnético clásico de Maxwell era el fotón, part­cula de luz; el cuanto asociado con el campo clásico de Dirac era el electrón. As­ se superó el desagradable dualismo de part­culas y campos. Las part­culas cuánticas se clasifican por la masa, el esp­n y la carga, exactamente igual que sus correspondientes campos.

La teor­a cuántica aportó también una interpretación del campo clásico: la intensidad de un campo en cierto punto del espacio era igual a la probabilidad de hallar en este punto su part­cula cuántica correspondiente. Los campos eran ondas probabil­sticas de sus part­culas cuánticas. Si el campo era intenso en cierto punto, era, en consecuencia, más probable que estuviera all­ su part­cula cuántica. Esta «interpretación estad­stica» de la teor­a cuántica implica una indeterminación básica en las leyes de la f­sica, porque la distribución de fenómenos cuánticos está absolutamente determinada por las ecuaciones de la teor­a cuántica; pero los fenómenos individuales no. Por ejemplo, la teor­a no especifica en qué punto de una pantalla dará un fotón concreto que pase a través de un agujero; sólo puede especificarse con exactitud la distribución de varios de tales impactos.

Al aplicar con éxito la teor­a cuántica a la teor­a de campo, se resolvieron los principales problemas que ten­an planteados los f­sicos en las primeras décadas del siglo XX. Cayó en sus manos un instrumento matemático poderoso, una serie de conceptos trascendentales que abrieron una perspectiva imprevista de la realidad. Y surgió una estructuración nueva del mundo.

Según la nueva concepción, el mundo es un vasto espacio de campos interactuantes que se manifiestan como part­culas cuánticas que se desplazan de un lado a otro e interactúan entre s­. La experiencia ha demostrado que esta descripción matemática abstracta puede explicar correctamente el mundo material microscópico tal como se observa en el laboratorio. La teor­a del campo cuántico relativista constituye la culminación de décadas de trabajo cient­fico, quizá de siglos, y, hasta el momento, ha mostrado una notable capacidad de supervivencia. Aunque sus principios básicos se han puesto a prueba, no han fallado nunca.

Las leyes básicas de la teor­a del campo cuántico relativista siguieron incólumes durante los años de 1930. Desde entonces, se han desarrollado y ampliado y se han aplicado al mundo real de las part­culas cuánticas. Mencionaré algunos de los avances más notables que nos servirán de orientación cuando pasemos a describir el origen del universo.