Jean-Pierre Kerckhoft* y Jean Pestieau**
Original: Estudios Marxistas
Traducción: Asociación Cultural Jaime Lago
In Memoriam Robert Brout [1] (1928-2011)
“(…) la física moderna (…) se dirige hacia el único método correcto, hacia la única filosofía justa de las ciencias de la naturaleza, y no en línea recta, si no en zigzags, no conscientemente, si no espontáneamente, no guiada por un “objetivo final” plenamente concebido, si no a tientas, dudando e incluso reculando. La física moderna está de parto. Está dando a luz al materialismo dialéctico. [2]” V. I. Lenin
Introducción
En este artículo nos gustaría revisar brevemente el desarrollo de nuestras concepciones de la materia y la luz para entender mejor qué dice hoy la física moderna.
La física actual no sólo unifica estos dos conceptos: luz y materia, sino que esta unificación se ha hecho extendiendo el conocimiento de la materia - los cuerpos, las partículas masivas -, aprendiendo de la luz y no a la inversa. Como escribió Frank Wilczek [3] al comienzo de un libro reciente [4] "El viejo contraste entre la luz celestial y la materia terrenal ha sido superado en la física moderna. Hay una sola cosa, y se parece más a la idea tradicional de la luz que a la idea tradicional de la materia."
Nuestro objetivo es mostrar que la física moderna es perfectamente racional y que no valida de ninguna forma el relativismo imperante. [5] Al mismo tiempo, nos obliga a reconsiderar algunos conceptos científicos, entre ellos el de materia. Pero la historia de las ciencias está llena de acontecimientos que le obligaron a revisar profundamente las concepciones científicas anteriores.
Hoy en día, los fenómenos que ocurren al nivel de lo que llamamos "lo infinitamente pequeño"[6], es decir, en las moléculas y a niveles inferiores, son descritos por una teoría llamada generalmente "física cuántica". En la educación secundaria, esta teoría rara vez se discute y cuando se hace, el enfoque suele ser lamentable. Nos queda la impresión de que se parece un poco a la "magia". Esta impresión se suele desprender de la aparición de la noción de probabilidad en un área inesperada. En efecto, esta idea opera por primera vez de manera intrínseca a nivel científico. Funcionamiento intrínseco que significa que se introduce el azar durante los acontecimientos. Hasta entonces, el azar y la probabilidad sólo existían a nivel "macro". Por ejemplo, si un huracán sopla a través de la ciudad, no se sabe de antemano cuántos techos volarán ni dónde. Pero este "azar" sólo se debe a la ignorancia de los detalles. Si hubiésemos estudiado todas las casas en detalle, calculado la velocidad del viento, conocido donde pasarían las rachas más violentas basadas en los datos del clima y la geografía local, etc., se podría predecir todo. En la física cuántica, no ocurre lo mismo: el azar es intrínseco. Aunque se conozcan las condiciones iniciales, no se puede predecir con certeza qué le ocurrirá a algún electrón.
Por otra parte, en nuestra sociedad, prevalece cierto relativismo filosófico. Todo vale. Para asegurarse que la gente realmente no entiende en qué mundo viven, se les hace creer que es incomprensible. Las teorías nebulosas ganan terreno. Los horóscopos tienen un sitio en los periódicos más serios. En este clima, algunos se benefician de la introducción del azar en un campo científico para sugerir que a partir de ahora lo irracional y la ciencia van de la mano.
La física clásica
Es frecuente desde tiempos inmemoriales distinguir entre la luz y la materia. La materia es vista de un lado como algo definido por objetos de una cierta medida, de una cierta masa. Por ejemplo, un electrón, un caballo, una estrella, etc. Por otra parte, en contraste con lo material, existe la luz evanescente que aparece o desaparece, sin permanencia, que debe ser alimentada como el fuego para que se manifieste.
El mundo exterior se define así por la dicotomía de la realidad: la materia y la luz. Este diseño es tan omnipresente, que aparece en el título del último libro [7] del famoso físico Richard Feynman [8], que sin embargo trabajó para mostrar la fusión entre la materia y la luz.
Como explica Frank Wilczek, "Las dicotomías luz/materia y continuo/discreto son percibidas por el hombre debido a sus sentidos. Éstas se expresaron claramente y se discutieron, sin llegar a conclusiones firmes y claras por los antiguos griegos. Aristóteles distinguía entre el fuego y la tierra como elementos primarios de la realidad. [9]"
En el sistema de Isaac Newton [10], que data del siglo XVII -ver Cuadro 1- la realidad física se caracteriza por los conceptos de espacio, tiempo, puntos materiales, fuerzas, es decir, de interacción entre puntos materiales. La descripción de la realidad se hace en términos de movimiento en el espacio a través del tiempo. La luz misma está compuesta de partículas que se mueven en una línea recta formando los rayos de luz. La teoría de la luz, está, de alguna manera, asociada a la de los cuerpos masivos.
Cuadro 1: Mecánica newtoniana o mecánica clásica
Newton estableció las tres leyes del movimiento en relación al movimiento de los cuerpos masivos. Parte del caso ideal de un cuerpo puntual dotado de masa situado en un punto dado en el espacio en un momento dado t y sometido a fuerzas. En ese caso, mediante las siguientes tres leyes, se puede describir el movimiento del cuerpo en el espacio y tiempo.
1º Ley – En un referencial inercial (es decir, sin ser sometido a fuerza alguna), un cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a no ser que sea sometido a alguna fuerza. (Ley de la inercia)
2º ley - La resultante de las fuerzas a las que se somete un cuerpo es igual a su masa multiplicada por su aceleración. (Ley de la fuerza)
3º ley – Cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B se somete a una fuerza de igual intensidad en la misma dirección pero en dirección opuesta, ejercida por el cuerpo B. (Principio de acción y reacción)
Escuchemos lo que dice Albert Einstein: [11] "De acuerdo con Newton, los fenómenos físicos deben ser interpretados como el movimiento de puntos materiales en el espacio, movimientos regidos por unas leyes. El punto material, es aquí el representante exclusivo de la realidad, sea cual sea su naturaleza. Sin lugar a dudas, el cuerpo sensible dio origen al concepto de punto material; nos imaginamos el punto material como algo análogo a cuerpos móviles mediante la eliminación de los atributos de extensión, forma, orientación en el espacio, en fin todas las características "intrínsecas". Se conserva la inercia [la masa], la traslación y ajustamos el concepto de la fuerza. Los cuerpos materiales, transformados [...] por la formación del concepto de "punto material", ahora deben ser ellos mismos concebidos como sistemas de puntos materiales. De modo que este sistema teórico, en su estructura básica se parece a un sistema atómico [12] y mecánico. Por lo tanto todos los fenómenos deben ser estudiados desde el punto de vista mecánico, es decir, simples movimientos de puntos materiales sujetos a la ley del movimiento de Newton. [13]
Esta concepción de las partículas era y sigue siendo extremadamente fértil. Fue la imperante hasta los trabajos de Michael Faraday [14] y James Clerk Maxwell [15] en el siglo XIX.
Einstein continúa: "En este sistema teórico [Newton], existe una dificultad importante: la teoría de la luz, debido a que Newton, de acuerdo con su sistema, la concibe también como un conjunto de puntos materiales. Ya entonces surge la formidable pregunta: ¿adónde fueron a parar los puntos materiales que constituyen la luz cuando es absorbida?".
Ya en la época de Newton, existía otra concepción de la luz. Una que considera que la luz es un fenómeno ondulatorio.
Pero, ¿qué es una onda? Si dejamos caer una piedra en la superficie del agua, vemos la aparición de ondas en el agua. ¿Qué es esto? La superficie del agua se ve perturbada por un movimiento de arriba hacia abajo, en el lugar donde se ha lanzado el guijarro. Este movimiento vertical se transmite a los lugares contiguos en todas las direcciones. De ahí la aparición de círculos centrados en la fuente (donde cayó la piedra) y moviéndose hacia fuera. Este es un fenómeno ondulatorio, oscilante. Por tanto, debemos entender que la onda no consiste en un desplazamiento horizontal de la materia (en el sentido que hemos definido), sino en la propagación de una perturbación en la superficie lisa del agua. El movimiento de la materia es vertical en el ejemplo, mientras que la onda se mueve horizontalmente. Hay un gran número de fenómenos ondulatorios (como el sonido) que tienen en común una transferencia de energía de un sitio a otro próximo a velocidades que pueden ser muy diferentes. Christiaan Huygens [16] ideó de forma coherente una teoría ondulatoria de la luz.
¿Entonces partículas u ondas? En la ciencia, el veredicto que den los experimentos es decisivo para decidir entre dos modelos. El problema es que tanto el modelo de partículas como el modelo de ondas eran capaces de explicar los fenómenos ópticos que se conocían hasta el momento: la propagación rectilínea de la luz, la reflexión, la refracción (inclinación cuando la luz cambia de medio), la descomposición de la luz blanca en diferentes colores, etc. Es cierto que la refracción calculada en ambos modelos, predice diferentes velocidades de transmisión según viaje a través del aire o el agua. Pero en aquel momento, no era posible medir la velocidad de la luz en diferentes medios. Por tanto, era imposible decidirse. Pero el modelo ondulatorio estaba sufriendo un grave fallo. Todas las ondas conocidas en la época se desplazaban a través de un medio material. En nuestro ejemplo anterior, la superficie del agua. El soporte puede ser cualquiera: una cuerda, membrana, el aire en el caso del sonido, etc. Sin embargo, nos encontramos con que la luz nos llega desde el Sol y las estrellas. Parece, pues, que puede atravesar el vacío. Este es un problema aparentemente insalvable para el modelo de ondas. Este hallazgo, junto con el prestigio adquirido por Newton, hizo que en su momento se prefiriera el modelo de partículas.
Sin embargo, en la primera mitad del siglo XIX, varias observaciones socavan este modelo. Por un lado, se observó el fenómeno de interferencia de la luz (ver Cuadro 2). En efecto, si enviamos un rayo de luz a través de una placa opaca con dos pequeños agujeros y recogemos la luz en una pantalla colocada detrás de la placa, no observamos dos "puntos" brillantes, sino zonas alternas oscuras e iluminadas. Este experimento se llevó a cabo en 1800 por el médico británico Thomas Young. Es algo perfectamente comprensible si asumimos la naturaleza ondulatoria de la luz, ya que es un fenómeno de interferencia, es decir, típico de una onda. Por otro lado, se consiguió medir la velocidad de la luz en el aire o el vacío (de 300 000 kilómetros por segundo) y en el agua (225 000 kilómetros por segundo). El modelo de onda predice que la luz viaja más rápido en el aire que en el agua, algo que se corresponde con esta observación, mientras que el modelo de partículas predice lo contrario. Así que debemos salir del modelo de partículas.
Obviamente sigue habiendo un problema sin resolver. ¿Cómo explicar que la luz viaje en el vacío? Los físicos de entonces imaginaron que el Universo estaba lleno de una sustancia invisible e imponderable (sin masa) que llamaron éter. Es lo que se llama una hipótesis ad hoc, planteada para explicar algo sin un sustento empírico conocido. Los científicos son reacios a hacer este tipo de hipótesis, ya que son muy difíciles de verificar. Pero parecía la única manera de aceptar la naturaleza ondulatoria de la luz cuando los hechos parecían justificar este enfoque.
Cuadro 2: Óptica
En 1704, Newton publica su tratado “Óptica”. En él expone su teoría corpuscular de la luz, su teoría de la reflexión, la refracción, la difracción de la luz y su teoría del color. Demuestra que la luz blanca se compone de varios colores y plantea que está compuesta de partículas mucho más pequeñas que las partículas masivas corrientes.
Argumenta que si se proyecta luz sobre una pared opaca en la que hay un pequeño agujero, la luz pasará a través del pequeño agujero para llegar a una pantalla detrás de la pared. Observamos que el punto A de emisión, el pequeño orificio B y el punto iluminado en la pantalla C forman una línea recta, algo esperado si la luz está compuesta de partículas muy ligeras (por lo tanto insensibles a la gravedad, ya que de lo contrario, ésta curvaría hacia abajo la trayectoria del haz de luz).
Sin embargo, si reducimos el diámetro del agujero en la pared (de modo que sea del tamaño de la longitud de onda de la luz que se proyecta), nos encontramos con que en la pantalla no aparece el punto ligero brillante sino un punto de luz más débil rodeado por un círculo de sombra, a su vez rodeado por un círculo de luz y así sucesivamente. Es el resultado típico de una onda (pensemos en la forma de la superficie del agua si se tira una piedra en un estanque tranquilo). Si el diámetro del orificio es muy pequeño (más pequeño que la longitud de onda de la luz proyectada), entonces la luz no pasa. No es de extrañar que en el siglo XIX, en el marco de las ecuaciones de onda del trabajo de Maxwell, se abandone la concepción corpuscular de la luz.
Sin embargo, no debemos olvidar los numerosos éxitos de la óptica geométrica basada en la concepción corpuscular de Newton que fundó la industria de las gafas, microscopios y telescopios. Entre la óptica geométrica (de partículas) y la óptica de onda, hay una invitación a eliminar la contradicción y buscar un enfoque unificado. Esto es lo que genera la óptica cuántica, que fue magníficamente expuesta en el libro de Feynman “Luz y Materia”.
A comienzos del s. XIX, la luz se ve como una vibración del éter. En lo que se refiere a la materia, el enfoque de Newton continúa siendo el hegemónico, gracias a sus numerosos éxitos en muchas áreas de la física. Las fuerzas entre cuerpos materiales son vistas como fuerzas de interacción a distancia - que actúan instantáneamente (ver Cuadro 3). Esto es verdad para la fuerza gravitacional entre dos cuerpos masivos. Pero Coulomb [18] demostró en la segunda mitad del siglo XVIII que entre dos partículas con carga eléctrica, la fuerza de interacción eléctrica también es una fuerza de interacción (instantánea) a distancia. Y se extrae la conclusión de que todas las fuerzas de interacción en la naturaleza son a distancia.
En ese momento aparece Michael Faraday. Tras unos años de escuela primaria, se convirtió en un trabajador en un taller de encuadernación de Londres a la edad de 14. No tiene conocimientos de matemáticas. Por curiosidad, creatividad y trabajo meticuloso, se convierte en el mayor químico y físico experimental del siglo XIX. A diferencia de los físicos de la época, entusiastas de las matemáticas, pero menos de un sentido materialista de la experimentación, constata que sus experiencias no se explican por misteriosas fuerzas de interacción a distancia. Observó que, en presencia de un imán, en una mesa salpicada de limaduras de hierro, éstas se organizan en filas como los surcos de un campo arado [19]. De ahí la noción de campo de fuerza que indica que las interacciones actúan a nivel local cada vez más cerca y no de manera misteriosamente remota.
Así analiza Einstein la física de la época: "Es en este punto se produce inmensa conmoción, que lleva los nombres de Faraday, Maxwell, Hertz [20]. En esta historia, Maxwell se engrandece hasta la talla de un león. Explica que todo el conocimiento de su época de la luz y de los fenómenos electromagnéticos se basa en un doble sistema bien conocido de ecuaciones diferenciales [...]" [21]
Cuadro 3: La ley universal de la gravitación
Formulando la ley universal de la gravitación en la primera edición de los Principia Mathematica en 1687, Newton propuso la hipótesis de que la interacción entre los cuerpos materiales es una acción instantánea a distancia, ya que funcionaba muy bien. Pero sabía que no podía explicar fundamentalmente la realidad. En una carta de 1692, [22] Newton escribe : "Que la gravedad sea innata, inherente y esencial a la materia, de tal forma que un cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia a través del vacío, sin la mediación de algo más, por el cual y a través del cual su acción y su fuerza puedan ser comunicadas de uno al otro es para mí un absurdo del que creo que ningún hombre, que tenga la capacidad de razonar de forma competente en cuestiones filosóficas, pueda nunca ser culpable."
En 1713, en la segunda edición de los Principia, añade un "Scholium generale": "He explicado hasta ahora los fenómenos celestes y los del mar por la fuerza de la gravedad, pero no he explicado la causa en ninguna parte de esta gravitación. Esta fuerza viene de alguna causa que penetra hasta el centro del Sol y de los planetas, sin perder nada de su actividad; no actúa de acuerdo con el tamaño del área (como las causas mecánicas) sino de acuerdo a la cantidad de materia; y su acción se extiende por todos los lados a inmensas distancias, disminuyendo siempre en proporción al doble de las distancias [23] (...) Ni siquiera he podido deducir fenómenos razonables de estas propiedades de la gravedad, ni llegado a suposiciones. Porque todo lo que no se deduce partiendo de los fenómenos es una suposición, y los supuestos sean metafísicos, físicos, mecánicos o sean de cualidades ocultas no deben ser incorporados en la filosofía [24] experimental. En esta filosofía, las proposiciones se deducen de los fenómenos y hechos generales por inducción. [25]"
La ley de la gravitación universal de Newton unifica el movimiento de los cuerpos terrenales y celestes. Refleja cuantitativamente el efecto de la gravedad en la Tierra y la atracción del Sol y los planetas. Según ella todos los cuerpos sólidos ejercen una fuerza sobre otros cuerpos masivos.
La fuerza entre dos cuerpos sólidos se ejerce a lo largo de la línea de separación de los mismos y es proporcional a la inversa del cuadrado de la distancia y de cada una de las masas de los dos cuerpos en cuestión.
El "absurdo" que se menciona más arriba fue superado por la teoría de la gravitación de Albert Einstein en 1916, llamada la teoría general de la relatividad, que afirma la existencia del campo gravitatorio que cubre todo el espacio y que es el mediador de la interacción gravitatoria no sólo entre cuerpos masivos, sino también con la luz, los rayos X, ondas de radio, rayos gamma, y en resumen con la radiación electromagnética.
Estas ecuaciones expresan los vínculos entre el campo eléctrico y el campo magnético. Pero seguimos todavía dentro de los llamados campos convencionales. Para entender mejor este concepto, debemos entender el término "campo gravitatorio". Cualquier objeto cerca de la Tierra cae hacia ella. Newton dijo que la fuerza ejercida por la Tierra (llamado peso) atrae al objeto. Si hablamos en términos de campos, se dice que el objeto está en el campo gravitacional de la Tierra. Esta es un área de espacio que influye en la atracción de los objetos. En teoría, esta área es infinita, pero si estamos cerca de otro astro, o muy lejos de la Tierra, su influencia es insignificante. Si los planetas giran alrededor del Sol, es porque están en un campo gravitatorio, etc. Volviendo a la Tierra, si no hay, por ejemplo, un objeto de 2 m por encima del suelo, es evidente que no hay fuerza en este punto. Pero el campo está presente. Se trata de un concepto relativamente abstracto, pero cuyos efectos son muy reales. Nosotros decimos que la tierra es la fuente de un campo gravitatorio, como cualquier sólido. Del mismo modo, cualquier carga eléctrica es la fuente de un campo eléctrico, debido a que puede atraer o repeler otras cargas eléctricas. Inicialmente, los imanes se consideraron fuentes de campo magnético porque atraían material ferroso. Más tarde, se vio que este fenómeno es derivado (efecto secundario) y que la verdadera fuente del campo magnético estaba en las partículas cargadas eléctricamente en movimiento u orientadas de forma específica (spin). Por lo tanto se estrecha la relación entre los campos eléctricos y magnéticos que conduce a la fusión de estos dos conceptos en el campo electromagnético, como demostró Hendrik Antoon Lorentz. [26]
Maxwell tenía preguntas como: "Si una partícula cargada se mueve, ¿cómo varía el campo electromagnético asociado?". Está claro que cuando una carga eléctrica se mueve, su campo también se mueve. Pero ¿la transmisión del movimiento se realiza al instante? Maxwell responde a esta pregunta a partir de sus ecuaciones y muestra que el campo electromagnético cambia gradualmente, no inmediatamente. La transmisión se produce de forma ondulatoria y esta onda se llama "onda electromagnética”. Calcula la velocidad de propagación siempre a partir de sus famosas ecuaciones. Y se obtiene el resultado: ¡la velocidad de la luz, c! Este es un paso fundamental para la física del siglo XIX. Porque, a partir de este resultado, es evidente que sólo falta un paso para considerar que la luz es una onda electromagnética. Y ese paso será rápidamente franqueado.
En aquel momento, todo parecía muy claro: la luz es una onda y la naturaleza de esta onda es electromagnética. Y de pronto, la hipótesis del éter puede ser abandonada, porque las ondas electromagnéticas viajan en el vacío. A diferencia de las ondas mecánicas que necesitan un soporte.
Las ondas electromagnéticas pueden ser de cualquier frecuencia, es decir, tener cualquier oscilación. La luz visible representa sólo una parte muy pequeña. Nuevas radiaciones correspondientes a la gama completa de las ondas electromagnéticas son descubiertas a finales del s. XIX: gamma, X, UV, IR, radio.
Recapitulemos. Con Newton, el mundo material está diseñado como un conjunto de puntos materiales cuyo comportamiento obedece a unas leyes, las leyes de Newton. Los cambios son descritos y regulados por ecuaciones. Se describen como movimiento en el espacio. Con Maxwell, el mundo real se divide en dos categorías: el mundo mecánico, en el que nada ha cambiado desde Newton, y el mundo electromagnético, al que pertenecen los fenómenos luminosos. Este mundo es descrito por campos cuyo comportamiento se rige por ecuaciones. La distinción entre estos dos mundos muestra el lado necesariamente temporal de esta concepción. Lo que no impide que Einstein considere que "este cambio en la concepción de la realidad es la revolución radical y de mayor éxito en física desde Newton." Maxwell unificó en una única teoría la electricidad, el magnetismo y la óptica. Los campos electromagnéticos unifican la interacción eléctrica y magnética en las fuerzas de radiación electromagnética. Fin a la concepción de Newton de la luz en términos de partículas.
Wilczek expresa la situación de la siguiente manera: "La electrodinámica de Maxwell es una teoría de los campos eléctricos y magnéticos, y de la luz, que no hace ninguna mención a la masa. La teoría de Newton [complementada por la teoría del electrón de Lorentz] es una teoría de partículas discretas, cuya únicas propiedades requeridas son la masa y la carga eléctrica".
La relatividad
También a finales del siglo XIX, un experimento realizado por Michelson [26] y Morley [27] llega a un resultado sorprendente: ¡la luz parece moverse a la misma velocidad sin importar el sistema de referencia! Para entender el lado sorprendente de esta declaración, consideremos la siguiente analogía. Si una persona se mueve dentro de un tren a 5 km/ h, y el tren se mueve sobre el suelo a una velocidad de 100 km/h, es evidente que la velocidad de la persona con respecto al suelo será de 105 o 95 km/h en función de su dirección. Pues bien, si sustituimos la persona por un haz de luz, no podemos realizar este razonamiento, que sin embargo parece obvio. ¡La velocidad de la luz es la misma en relación al tren y al suelo!
En 1905, Einstein tomó en serio esta propuesta y sus posibles consecuencias. Y edificó la teoría llamada "de la relatividad especial o restringida". Esta teoría nos obliga a reconsiderar nuestras concepciones del espacio y el tiempo. Es lógico, ya que la velocidad depende de estos dos parámetros. Una consecuencia fundamental de la relatividad es que ¡el paso del tiempo no sucede de la misma manera para objetos móviles a diferentes velocidades! Por sorprendente que pueda parecer, esta propiedad está perfectamente verificada experimentalmente.
Dicho esto, el lector debe saber que las leyes de la relatividad especial, difieren sustancialmente de las de Newton cuando las velocidades son gigantes, es decir, cercanas a las de la luz. La teoría muestra que para partículas que tienen una cierta masa es imposible superar esta velocidad, e incluso llegar a ella. Para velocidades normales, las predicciones de la relatividad y Newton son idénticas.
En relación a nuestro tema, lo más importante es la famosa fórmula E = mc2.Esto significa que la masa es una forma particular de energía. La consecuencia es que algunas partículas (con una masa diferente de cero) pueden descomponerse para dar energía cinética y también que la energía cinética puede, en determinadas circunstancias, ser transformada en partículas. Esto se comprueba a diario en algunos laboratorios. Volveremos más adelante.
Unos años más tarde, Einstein incorpora la gravedad a la teoría de la relatividad, lo que dará lugar a la "relatividad general". Pero esto es otra historia.
La mecánica cuántica
Es en este contexto que nace la mecánica cuántica o mecánica ondulatoria necesaria para describir el mundo a escala atómica, a dimensiones menores o iguales a diez milmillonésimas (1/100 000 000 00) de metro.
¿Por qué una nueva teoría? Diversos datos experimentales de finales del XIX y principios del s. XX no podían ser explicadas a partir de las teorías existentes. Un ejemplo importante y decisivo fue el efecto fotoeléctrico. Si se envían rayos UV (ultravioleta) a una placa de metal, se constata que los electrones son expulsados de la placa. Si estudiamos este fenómeno en detalle, vemos que es imposible explicar los resultados experimentales, si no admitimos que la radiación UV está compuesta de "granos de energía" indivisibles. Esto se puede generalizar a todas las ondas electromagnéticas y, por tanto, también a la luz visible. Así que podemos decir que "las partículas de luz" interactúan con la materia. Son los llamados fotones. Esto ya no se inscribe en el marco de la física clásica, incluida la de Maxwell, y por lo tanto requiere una nueva teoría que se llama mecánica cuántica. Como se mencionó anteriormente, al interpretar los datos experimentales en el marco de esta teoría, se llega a resultados confusos. Un ejemplo famoso es el famoso experimento llamado “de los dos agujeros” (el de Young del que se habló arriba para demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz) [28]. Si asumimos que la luz es una onda, no hay ningún problema. Pero si asumimos que se compone de fotones, es mucho más confuso. De hecho, no podemos decir por qué agujero ha pasado cada fotón. Peor aún (para el sentido común), tenemos que admitir que es imposible definir la trayectoria de un fotón de la fuente emisora a la pantalla. Durante un tiempo se interpretó que el fotón pasa ¡a través de los dos agujeros a la vez! Peor aún, ¡se puede realizar el mismo razonamiento para un electrón! De hecho, el experimento de Young (uno equivalente) se puede realizar con electrones. Esto se hizo en la década de 1930 y se observaron resultados similares. Y hasta hace poco era frecuente oir que el electrón pasaba a través de dos agujeros a la vez.
Esta experiencia también refleja la inserción de la probabilidad en el corazón de la naturaleza. Es necesario hacer un balance de la situación. La luz está compuesta de partículas (de lo contrario no habría efecto fotoeléctrico). Sin embargo cuando se observa el movimiento, es un fenómeno ondulatorio. En 1924, Louis de Broglie [29] sugirió que otras partículas conocidas (electrones, protones...) se comportan de la misma manera. Poco después, Davisson [30] y Germer [31] realizaron, en 1927, una "experiencia de Young" con un haz de electrones. Y obtuvieron un resultado muy similar: el fenómeno de interferencia. El comportamiento de onda puede ser atribuido a todas las partículas. Nace el concepto de la dualidad "onda-partícula".
Pero, ¿cómo interpretar esta situación? En la física clásica, cuando dos puntos materiales idénticos (misma masa y carga eléctrica) se encuentran en las mismas condiciones iniciales, su futuro es exactamente el mismo. Por lo tanto, si dos bolas idénticas reciben el mismo impulso desde el mismo lugar y si tienen la misma velocidad inicial, se encontrarán en la misma posición después de un tiempo determinado. Pero eso no sucede a nivel sub-molecular. De hecho, en el experimento de Young (dos agujeros), todas las partículas idénticas (electrones, por ejemplo) están en las mismas condiciones iniciales. Sin embargo, algunos llegan a una ubicación en la pantalla y otros a otros lugares. La interpretación es la siguiente: Cada partícula está asociada con una función de onda. La evolución de esta función se puede calcular a partir de una ecuación. Con esta función, es posible calcular la probabilidad de presencia de la partícula en un lugar y en un momento dado. Esto permite entender los resultados del experimento de Young. Cada partícula en cuestión tiene la misma función de onda y por lo tanto la misma probabilidad de estar en un lugar en particular. Pero si tienes un 20% de posibilidades de ganar la lotería, ganarás en promedio una de cada cinco veces. En el caso de las partículas, no se trata de ganar o perder, sino de terminar en un lugar determinado (por lo que hay mucho más que dos posibilidades). Los cálculos muestran que cada partícula tiene una alta probabilidad de llegar a un lugar dado, una menor probabilidad a cualquier otro lugar y así hasta la probabilidad cero en un sitio determinado. Dado el gran número de partículas idénticas involucradas, muchas se encuentran en el lugar de la mayor probabilidad, menos en el lugar de una menor probabilidad y ninguna donde la probabilidad es cero.
A partir de la función de onda, podemos reproducir perfectamente los resultados experimentales. Pero el precio a pagar es la introducción de las probabilidades. No podemos hablar con certeza del destino de una partícula en concreto. La introducción de la noción de probabilidad en la física nunca será aceptada por Einstein y da lugar a interminables disputas sobre el materialismo filosófico y el idealismo. Damos en la referencia [32] los puntos de vista enfrentados de dos grandes físicos, V. Fock [33] N. Bohr y [34] sobre este tema, ambas de calidad. Datan de 1957-1959.
Además de los problemas epistemológicos, sigue siendo un desafío para la mecánica cuántica. En su formulación original, no es relativista. Esto significa que no tenga en cuenta las leyes de la relatividad especial o restringida. En este sentido, no puede describir completamente el mundo que nos rodea. Cuando decimos que la mecánica cuántica no tiene en cuenta las leyes de la relatividad, estamos tomando un atajo. Decimos que no integra en su formulación las ecuaciones de la relatividad restringida. Pero es necesario tener en cuenta el hecho de que las partículas de luz (fotones) se mueven a la velocidad de la luz. Deben, por tanto, necesariamente carecer de masa, ya que, por contra, la “relatividad restringida” exige que cualquier partícula masiva (como el electrón o el protón) deben moverse más despacio que la luz.
La teoría cuántica de campos
Independientemente de las discusiones filosóficas, lo que es poco satisfactorio en la mecánica cuántica original, es que no incorpora las concepciones relativistas.
La mecánica cuántica no relativista aplicada al átomo, y en particular al electrón, fue inventada por Schrödinger [35] y Heisenberg [36]. Data de 1925. Se extiende a la mecánica cuántica relativista en 1928 gracias a Dirac [37] a través de lo que se llamó la ecuación de Dirac, un monumento de la física cuántica del s. XX. Originalmente, se basa en la suposición de que los electrones tienen una vida eterna. No se crean ni desaparecen. Al mismo tiempo, se presupone que existe una partícula de carga eléctrica opuesta a la del electrón. Llamada positrón, la antipartícula del electrón. El positrón fue descubierto en 1932. Y más aún, experimentalmente parece que al igual que los fotones se crean y se aniquilan, los electrones se crean y aniquilan cuando hay suficiente energía cinética (energía de movimiento) disponible. Por lo tanto dos fotones que chocan con una energía cinética de al menos dos veces mayor a la masa del electrón por el cuadrado de la velocidad de la luz (véase la fórmula , E = mc ² ) pueden aniquilarse creando un electrón y un positrón. A la inversa, una colisión entre un electrón y un positrón puede aniquilar 2, 3, 4... fotones. Todas las partículas elementales (fotones, electrones, protones, muones, etc...) comparten la característica fundamental de aniquilarse y crearse en las interacciones entre ellos. Y en cada interacción entre ellos hay creación y aniquilación de estas partículas. En la física de Newton y sus sucesores, el mundo se describe en términos de trayectorias mecánicas deterministas de las partículas. En la física cuántica que tiene en cuenta la relatividad, la única estrictamente correcta, los procesos físicos que describe se dan en términos de aniquilación y creación de partículas en sus interacciones. Aquí, la energía de masa (mc²) se transforma en energía cinética y viceversa. Para los físicos del s. XXI que trabajan con los colisionadores de partículas como el LHC en el CERN en Ginebra, es una evidencia de la vida diaria [38]. Este punto de vista también es esencial para entender cómo funciona el Big Bang [39].
La teoría que explica lo acabamos de describir, es la teoría cuántica de campos (relativista), que nace en 1927 con el artículo fundador de la electrodinámica cuántica: La teoría cuántica de la emisión y la absorción de radiaciones (electromagnéticas). Esta obra de Dirac, se aplica al principio sólo a los fotones. Más tarde, se desarrolla y se aplica a otras partículas elementales como los electrones (véase el cuadro 4).
En palabras de F. Wilczek, podemos ilustrarlo de la siguiente manera: "Pocas observaciones son tan comunes como que la luz puede ser creada a partir de la no-luz, por ejemplo una linterna [...] o suprimida o aniquilada [...]. Y traducido a la lengua de los fotones, esto significa que la teoría cuántica de las ecuaciones de Maxwell es una teoría de la creación y destrucción de partículas (fotones). En realidad, el campo electromagnético aparece en la teoría de Dirac, en primer lugar, como un agente de creación y destrucción. Las partículas -fotones- que vemos son el resultado de la acción de este campo, que es el objeto fundamental. Los fotones van y vienen, el campo permanece. Toda la fuerza de este desarrollo parece habersele escapado a Dirac y a todos sus contemporáneos, tal vez precisamente a causa del aparente caso especial de la luz (su dicotomía), pero es en realidad una construcción general, que puede ser igualmente aplicada al objeto que aparece en la ecuación de Dirac, el electrón."
Esta es una buena explicación del sentido de la teoría cuántica de campos: "En ese momento, las partículas y la luz son epifenómenos, manifestaciones superficiales de realidades más profundas y permanentes, los campos cuánticos. Estos campos llenan todo el espacio, y en ese sentido, son continuos. Pero las excitaciones que crean -las reconozcamos como partículas de luz, o como partículas de materia- son discretas."
Estrictamente hablando, no hay espacio vacío, no hay vacío en la física cuántica: "La incertidumbre cuántica, combinada con la capacidad de procesar la creación y la destrucción implica un vacío que bulle de actividad. Los pares de partículas y antipartículas efímeras nacen y mueren".
Cuadro 4: Partículas y campos
La teoría cuántica relativista de campos propone el concepto de campos que pueden darnos una comprensión unificada de la materia. El concepto de partículas pasa a ser secundario. S. Weinberg [40] escribe: "La teoría de los campos cuánticos fue diseñada originalmente para ser simplemente la teoría cuántica de campos. En otras palabras, cuando se desarrolló la mecánica cuántica, los físicos ya conocían diferentes campos clásicos, incluyendo el campo electromagnético. Así que ¿qué otra cosa podrían haber hecho que la cuantificación del campo electromagnético de la misma manera que cuantifican la teoría de las partículas individuales? [...] La teoría cuántica de partículas como los electrones se ha desarrollado al mismo tiempo, y se hizo relativista gracias a Dirac entre 1928/30. Durante un largo tiempo, muchos físicos pensaban que el mundo se componía a la vez de campos y de partículas: el electrón es una partícula, descrito por una versión de la ecuación de Schrödinger, y el campo electromagnético es un campo, incluso a pesar de que se comporte como una partícula. [ ... ] En su forma madura, la idea de la teoría cuántica de campos es que los campos cuánticos son los ingredientes básicos del universo, y las partículas son sólo energía y paquetes de movimiento de los campos. [...] La teoría cuántica de campos por lo tanto conduce a una visión más unificada de la naturaleza que la vieja interpretación dualista en términos de campos y partículas. Pero hay una ironía. Aunque la batalla ha terminado y el viejo dualismo que trató a los fotones de una manera totalmente diferente a los electrones está, creo, definitivamente muerta y nunca va a volver, es un hecho que algunos cálculos son más fáciles de realizar con el viejo esquema de las partículas [41].”
Cabe señalar que:
Las relaciones básicas de la mecánica cuántica no relativista (esencialmente la ecuación de Schrödinger y las relaciones de incertidumbre de Heisenberg) pueden obtenerse a partir de la teoría relativista cuántica de campos en el contexto de que partículas masivas consideradas (electrones, protones...) tengan baja velocidad con respecto a la velocidad de la luz, c.
Las ecuaciones de Newton se puede obtener a partir de la mecánica cuántica no relativista cuando las relaciones de incertidumbre de Heisenberg se dan ampliamente en el sentido siguiente: el producto de la imprecisión sobre la cantidad de movimiento de un cuerpo dado por la imprecisión sobre su posición es mucho más grande que h, la constante de Planck [42]. Por el contrario, es preciso usar la mecánica cuántica cuando el producto de la incertidumbre sobre la cantidad de movimiento de un cuerpo dado por la interdeterminación es del orden del valor de h. (La cantidad de movimiento de un cuerpo es el producto de su masa por su velocidad.)
Conclusión
Para entender de forma moderna lo que es la materia, debemos entender primero qué es la luz y sobre todo su principal propiedad: la luz es "creada" (emitida) y "aniquilada" (absorbida) cuando entra en contacto (o interacción) con lo que se conoce en general y de manera vulgar como materia, es decir, partículas masivas, principalmente electrones. Este fenómeno de absorción y emisión de luz es tan común que por lo general no le prestamos atención desde hace miles de años.
Pero lo que hace única a la luz es que está compuesta de partículas llamadas fotones que no tienen masa. Por eso podemos crear fácilmente "partículas de luz" (esto es, obviamente, uno de los fenómenos cotidianos más comunes), cuando en cambio tenemos que gastar enormes energías para crear por ejemplo electrones. Esto se reserva para los aceleradores de partículas o fenómenos muy violentos de la Naturaleza, algo que ocurre por ejemplo en las estrellas. La materia con peso no se emite ni desaparece con las energías de la vida cotidiana, ni siquiera con la energía que liberan los explosivos convencionales (por ejemplo, la dinamita). Esta es la razón por la que, -dejando a un lado la luz- la teoría cuántica de campos relativista no es evidente en la vida de cada día.
Parece que el universo está fundamentalmente constituido por campos. Las partículas que observamos (fotones, electrones, protones, etc...) son de alguna manera el producto de estos campos en circunstancias particulares. La creación y destrucción de partículas constituyen el fenómeno básico de la física. En este sentido, vemos que la tradicional distinción de luz/materia no está justificada: tanto electrones como fotones se crean y aniquilan según las condiciones energéticas. Son epifenómenos, como dice Wiczek. La teoría cuántica de campos es difícilmente refutable. No sólo se comprueba a diario en laboratorios especializados, sino que, además, tiene muchas aplicaciones en nuestro mundo moderno. [43]
Si se acepta esta preponderancia de los campos, todos los aspectos "raros" de la física cuántica se desvanecen. De hecho, por ejemplo, ya no es preciso invocar electrones que pasan a través de dos agujeros a la vez. En la experiencia equivalente al experimento de Young, el haz de electrones inicial se destruye y otro electrón aparece en el detector. No hay nada misterioso en ello. Ya no es necesario plantear la dualidad "onda-corpúsculo". Lo que detectamos en nuestros detectores son corpúsculos y nada más. Evocamos las ondas cuando se considera un comportamiento colectivo de las partículas. Por supuesto, esto es confuso para un ser humano porque no estamos acostumbrados a pensar de esta manera. En nuestra escala, la materia parece tener una continuidad. De hecho, este es también un epifenómeno. ¿Debería sorprendernos porque parece confuso? En realidad no. Como dijo Wilczek: "Hemos sido esculpidos por la evolución para percibir aspectos del mundo que son de una u otra forma útiles para nuestra supervivencia y éxito reproductivo".
En resumen, aunque la física moderna a veces nos derrote por goleada a los seres humanos, no es irracional. Y no justifica elucubraciones fantasiosas de corte sensacionalista. Por el contrario, el hecho de que nos sea inteligible dice mucho sobre el nivel de comprensión del mundo logrado hasta ahora. La teoría cuántica de campos que hemos descrito está en la base de la física de las interacciones fundamentales del siglo XXI. [44] Ha tenido un éxito sin precedentes en la comparación precisa entre teoría y experimentación. Es la base de la visión materialista del mundo moderno, ya sea en la física, la química o la biología. Integrar la gravitación es decir la relatividad general en su esquema es uno de los grandes retos de la física del siglo XXI. Otro desafío importante es descubrir el origen de la masa de las partículas elementales. Esta es la tarea principal del LHC en Ginebra.
1 de Septiembre de 2011
*Jean -Pierre Kerckhofs, profesor de física en la enseñanza secundaria y presidente de la APED.
**Jean Pestieau, profesor emérito de Física teórica en la Universidad Católica de Lovaina.
Por sus valiosos comentarios, agradecemos a Sandra Ferretti, Nico Hirtt, Marcel Lambin , María McGavigan, Lucky Materne, Dominique Meeùs, Jacques Pestieau, Patrick y Patricia Radelet Pestieau.
Notas:
[1] En 1964 Robert y François Englert Bourt, de la Universidad de Bruselas propusieron un mecanismo, llamado más tarde "mecanismo de Higgs" para explicar la masa de las partículas elementales. Este mecanismo fue propuesto simultánemanete por Petter Higgs de la universidad de Edimburgom y el nombre de este último fue elegido para nombrar a la partícula en el origen de dicho mecanismo, el bosn de Higgs.
[2] V. I Lenin. Materialismo y empirociticismo, 1908
[3]Frank Wilczek (1951-), Premio Nobel de Física de 2004 por Estados Unidos.
[4]Frank Wilczek, La levedad del ser: la misa, el éter, y la unificación de las fuerzas, Basic Books (2008) , Penguin ( 2010 ) .
[5] Con relativismo aquí nos referimos a la posición filosófica que sostiene que no existe una verdad preexistente a cualquier enfoque de la teoría científica y la ciencia no puede acercarse mejor a la verdad, es decir, al mundo objetivo. En contraste con el relativismo filosófico, Einstein escribió: "Creer en un mundo externo independiente del sujeto que percibe es la base de todas las ciencias naturales"
[6] Más pequeño de una milmillonésima de un metro.
[7] Richard Feynman, la Luz y la Materia: Una historia extraña, InterEditions (1987). Colección reeditada en Puntos Ciencias, Le Seuil (1999) Traducción al francés de QED: La extraña teoría de la luz y la materia (1985).
[8] Richard Feynman (1918-1988) Premio Nobel de Física de 1965 por Estados Unidos.
[9] Frank Wilczek, A Piece of Magic: La ecuación de Dirac, en que debe ser hermoso: Grandes ecuaciones de la ciencia moderna , editado por Graham Farmelo , Granta Books (2003) , p . 132-160 . Todas las citas de Wilczek en este artículo provienen de este libro, a menos que lo contrario está escrito de forma explícita.
[10] Isaac Newton (1642-1727), matemático y físico, Columbia.
[11] Albert Einstein (1879-1955), Premio Nobel de Física 1921 alemán/ciudadano suizo/EE.UU.
[12] "Atómico" debe ser entendido en términos del largo debate que cruzó la filosofía de la antigua Grecia: algunos consideran el asunto como "continuo" y otros como "discontinuo", es decir, formado por "bloques de construcción" con nombre de átomos. Todavía no es la concepción moderna de los átomos constituyentes y moléculas que se encuentran en la tabla periódica.
[13] Albert Einstein, la influencia de Maxwell sobre la evolución de la concepción de la realidad física (escrito en 1931) con motivo del centenario del nacimiento de Maxwell, en Albert Einstein, ¿Cómo veo el mundo?, Flammarion (1979), p . 171-176. Toda cita de Einstein en este artículo provienen de este libro; http://www.d-meeus.be/physique/Maxwell-Einstein-fr.html
[14] Michael Faraday (1791-1867), químico y físico , Columbia .
[15] James Clerk Maxwell ( 1831-1879 ), físico , Columbia .
[16] Christiaan Huygens ( 1629-1695 ), físico , holandés .
[17] http://bibnum.education.fr/files/Newton-analyse.pdf
[18] Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), físico , Francés .
[19] Véase el experimento http://www .dailymotion.com/video/x3y2rv_experiencelimaille-de-fer-aimant-en_school
[20] Heinrich Hertz (1857-1894), físico , alemán .
[21] En matemáticas, una ecuación es, una igualdad que contiene una o más variables (también llamados incógnitas ) . Resolver la ecuación es determinar los valores que pueden (puede ) tomar (s) variable (s) para hacer una verdadera igualdad .
Un sistema de ecuaciones es un conjunto de ecuaciones utilizando el mismo número de variables y una solución debe satisfacer simultáneamente cada ecuación del sistema .
Una ecuación diferencial es una igualdad entre una o más funciones desconocidas y sus derivados .
[22] Los resultados de cotizaciones de la historia y filosofía de la ciencia diccionario . Artículo escrito por Françoise Balibar Campo
[23] Nosotros diríamos que disminuye 1/r2 .
[24] La filosofía natural que constituye el objeto de los Principia se corresponde más o menos a nuestro física.
[25] Isaac Newton, Principios matemáticos de filosofía natural ( 1713 ) , libro III , Escolio General , Trad .
Por Emilie Duchastelet Latin , París, 1759.
[26] Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), Premio Nobel de Física 1902 los Países Bajos.
[26] Albert A. Michelson ( 1852-1931 ) , Premio Nobel de Física de 1907 por Estados Unidos.
[27] Edward W. Morley ( 1838-1923 ), químico , por Estados Unidos.
[28] Véase, por ejemplo http://www.reflexiences.com/dossier/97/lumiere-sur-la-lumiere/3/l-experience-des-trous-d-young/
[29] Louis de Broglie (1892-1987), Premio Nobel de Física en 1929 , el francés .
[30] Clinton Joseph Davisson (1881-1958), Premio Nobel de Física de 1937 por Estados Unidos.
[31] Lester Halbert Germer (1896-1971), físico , ciudadano de los EE.UU. .
[32] Una discusión entre V. Fok y Niels Bohr a la luz del marxismo (de investigación internacional , "La ciencia y el materialismo dialéctico " No. 54 , julio- agosto de 1966, p. 92-104 , http://www.d-meeus.be/physique/Fok-Bohr_1957-59.html
[33] Vladimir Fock o Fok (1898-1974), físico soviético .
[34] Niels Bohr (1885-1962), Premio Nobel de Física 1922 los daneses .
[35] Erwin Schrödinger (1887-1961), Premio Nobel de Física 1933 , de Austria.
[36] Werner Heisenberg (1901-1976), Premio Nobel de Física en 1932 , el alemán .
[37] Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), Premio Nobel de Física 1933 , Columbia .
[38] En 2011 , los detectores del LHC registran miles de millones de millones de colisiones de protones de un protón en contra de otro , lo que llevó a la creación de un número cada vez mayor de partículas.
[39] Véase, por ejemplo, Simon Singh , El Romance del Big Bang, JC Lattes , París, 2005 .
[40] Steven Weinberg (1933-) , Premio Nobel de Física en 1979 , ciudadano de los EE.UU.
[41] Steven Weinberg, ¿Qué es la Teoría Cuántica de Campos? http://arxiv.org/PS_cache/hep-th/pdf/9702/9702027v1.pdf , 1997 .
[42] Max Planck (1858-1947), Premio Nobel de Física en 1918 , el alemán .
[43] Dos ejemplos:
a) Una explicación de la tabla de Mendeleev (1869) para la clasificación de los elementos químicos. La explicación es en términos de mecánica cuántica no relativista que hace la descripción de la dinámica de capas de electrones en los átomos , y también con el principio de exclusión de Pauli cuya justificación es inherente a la teoría cuántica de campos. Es la base de toda la química.
b) los relojes atómicos de cesio utilizan la imperecibilidad y la inmutabilidad de la frecuencia desnuda (energía E = h × nu) de la radiación electromagnética emitida por un electrón cuando pasa a través de un átomo de un nivel dado de energía a otro para asegurar la exactitud y la estabilidad del nivel de señal oscilante que se produce. Uno de sus principales usos es el de mantener el tiempo atómico internacional, que es la escala de tiempo de referencia. Sin estos relojes basados en la física cuántica relativista , el mundo de hoy se paralizaría (GPS , GSM, organización satélite del tráfico aéreo , marítimo y por carretera, etc.)
[44] F. Wilczek , "Teoría Cuántica de Campos ", Revista de la Física Moderna , vol . 71 , 1999 , p . S85 - S95 ; http://www.frankwilczek.com/Wilczek_Easy_Pieces/094_Quantum_Field_Theory...