Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (10 page)

Lo que es extremadamente importante en relación con todo esto es que no se debe a ninguna deficiencia en los aparatos de medición, y tampoco es que los seres humanos seamos demasiado ineptos para poder medir exactamente la posición y la velocidad de un electrón al mismo tiempo. La incertidumbre es una propiedad inherente a la propia naturaleza de los objetos cuánticos. Un electrón no tiene al mismo tiempo una posición exactamente determinada y una velocidad exactamente definida; no puede, por sí mismo, «saber» simultáneamente dónde está y adónde va a ir.

Esto tiene unas implicaciones muy intrigantes en el mundo de la física de partículas, que discutiremos en el próximo capítulo. Pero en el mundo de los átomos representa una implicación de la máxima importancia, que coloca la última pieza en el rompecabezas que es el modelo atómico de Rutherford-Bohr. La incertidumbre cuántica afirma que el «paquete ondulatorio» que define a un electrón siempre debe superar un determinado tamaño (en cierto modo, igual que existe un límite en relación con cuánto se puede comprimir un muelle). Resulta que, en las condiciones habituales, este tamaño es mayor que el del núcleo de un átomo. Ésta es la razón por la cual ninguno de los electrones de un átomo puede caer dentro de su núcleo: no existe allí espacio suficiente para que quepa su función de ondas. Dos electrones pueden caber en el nivel de energía más próximo al núcleo, ocho en el nivel siguiente de energía contando hacia el exterior, ocho más en el siguiente nivel, y así sucesivamente (esto tiene unas implicaciones en la química que comentaremos en el capítulo 4).

En el otro extremo del átomo, en su parte exterior, el comportamiento de los electrones que acabamos de describir claramente explica aquellas características del átomo que Feynman consideró tan importantes y tan reveladoras. El núcleo es una bola de carga eléctrica positiva y está rodeada por una nube de carga eléctrica negativa que, globalmente, equilibra y anula con exactitud la carga positiva del núcleo.

Ahora imaginemos cómo lo ve (o cómo lo siente) otro átomo idéntico que se sitúa a un lado del primer átomo. La nube de electrones del exterior del segundo átomo sólo puede ver la mitad de la nube de electrones del exterior del primer átomo, que sirve de escudo a la mitad de la carga positiva que hay en el interior. En consecuencia, la nube percibe que la mitad de la carga del núcleo del primer átomo ejerce de ese modo una fuerza de atracción sobre ella (y, por lo tanto, sobre la totalidad del segundo átomo). Del mismo modo, la nube de electrones del primer átomo percibe una atracción ejercida por el núcleo parcialmente protegido del segundo átomo (los átomos se atraen entre sí cuando se encuentran a poca distancia). Sin embargo, cuando los dos átomos se acercan tanto que sus nubes de electrones están de hecho tocándose, la carga negativa de estas nubes, el mismo tipo de carga en cada nube, producirá una repulsión entre ambos (los átomos se repelen cuando se sitúan apretados uno contra el otro). No obstante, en todo este proceso los dos núcleos no perciben nada el uno del otro, porque están protegidos mutuamente por una doble capa de electrones.

En palabras de la vida cotidiana, lo que sucede en zonas profundas del interior del átomo, dentro del propio núcleo, no tiene en la práctica ninguna importancia. El modo en que funciona la atracción entre átomos y cómo la disposición de sus electrones favorece que algunos de ellos se unan formando moléculas tiene una importancia decisiva en la vida cotidiana, y explica cómo hemos llegado nosotros a estar aquí en primera fila. Pero esto lo explicaremos más adelante, en este mismo libro. Desde luego, si usted no tiene un interés especial por saber cómo funcionan las cosas a niveles tan profundos, ya sabe bastante como para saltar al capítulo 4 y averiguar cómo se unen los átomos para formar moléculas, incluidas las moléculas de los seres vivos. Sin embargo, una vez que se ha profundizado hasta el nivel en que suceden las cosas en el interior de los átomos, y después de la introducción a los conceptos de la física cuántica, sería una lástima marcharse sin llegar a vislumbrar lo que está pasando en los niveles más profundos estudiados hasta la fecha por los físicos: allí donde gobiernan las partículas, los campos y los efectos cuánticos.

Cuando los físicos quieren describir el modo en que el mundo funciona en su Cuando más fundamental, la componente más importante de su caja de herramientas es el concepto de campo. Este concepto es también una de las ideas que resultan más familiares dentro de la física que estudiábamos cuando íbamos a la escuela, cuando todos vimos cómo se puede hacer visible el campo de fuerzas alrededor de una simple barra imantada. Se sostiene el imán directamente bajo una hoja de papel en la que se han diseminado limaduras de hierro o algún otro material magnético. Dándole un golpecito suave a la hoja, las limaduras de hierro se colocan en arcos que unen los polos norte y sur del imán. Fue precisamente el estudio del magnetismo (y de la electricidad) lo que llevó al pionero del siglo
XIX
Michael Faraday a introducir el concepto de campo en la física.

La historia de Faraday suena a ciencia ficción. Era hijo de un pobre herrero y sólo recibió la instrucción más elemental, pero se hizo aprendiz en el taller de un encuadernador de Londres y se quedó enganchado a las ciencias cuando leyó la entrada correspondiente a la palabra «ciencia» en la Encyclopedia Britannica que estaba reencuadernando para un cliente. Sus loables esfuerzos de autodidacta se vieron recompensados en 1813, cuando a los veintiún años de edad obtuvo un puesto como ayudante de Humphry Davy en la entonces recién creada Royal Institution. Éste era el escalón más bajo que se podía ocupar en la escalera de la ciencia e incluía, entre otras cosas, tareas tales como lavar botellas. Pero Faraday ascendió, llegando a suceder a Davy como director de dicha institución, a declinar la oferta de la reina Victoria de concederle una orden nobiliaria y a rechazar dos veces la presidencia de la Royal Society. Era un hombre modesto, miembro de una estricta secta religiosa y no aprobaba los honores personales de este tipo.

Aunque comenzó como químico, a Faraday le intrigó la naturaleza de la electricidad y del magnetismo, que a principios de la década de 1820 empezaban a ser reconocidos como diferentes aspectos de un solo fenómeno. El experimento clave en este terreno lo realizó Hans Christian Oersted, en Dinamarca, y descubrió que, cuando se coloca una brújula magnética cerca de un cable que transporta una corriente eléctrica, la aguja de la brújula, que es un pequeño imán de barra, se desvía siempre, apuntando en una dirección que forma ángulo recto con el cable. De esta manera, se observa que una corriente eléctrica produce una fuerza magnética que influye en la aguja de la brújula.

El avance era lento y se vio obstaculizado por varias iniciativas erróneas. A finales de 1831 fue Faraday quien aclaró la naturaleza del vínculo existente entre electricidad y magnetismo. Una corriente eléctrica que fluye por un cable está causada por cargas eléctricas (sabemos actualmente que son los propios electrones) que se desplazan a lo largo del cable. Una carga eléctrica en movimiento siempre crea una fuerza magnética (la que, en el caso mencionado, desvía la aguja de la brújula). Faraday descubrió que, de un modo similar, cuando movemos un imán por delante de un cable, o lo introducimos en el interior de una bobina de cable, mientras el imán se mueve se crea una corriente eléctrica en el cable. Un imán en movimiento siempre crea una fuerza eléctrica (que, en este caso, hace que los electrones que hay dentro del cable se muevan).

Estos dos descubrimientos constituyeron la base del generador eléctrico, o dinamo (donde la electricidad se produce haciendo girar imanes que se mueven a gran velocidad ante bobinas de cable) y el motor eléctrico (en el que una corriente eléctrica que pasa por bobinas de cable hace que rote un conjunto de imanes unidos al árbol del motor).

En 1831, poco después de que Faraday hubiera descubierto el efecto dinamo, el primer ministro Robert Peel visitó la Royal Institution y vio una demostración del fenómeno. En uno de los diálogos más ampliamente citados de la historia de la ciencia, el primer ministro preguntó a Faraday para qué servía su descubrimiento. Faraday respondió: «No lo sé, pero estoy seguro de que un día su gobierno le aplicará impuestos».

No es necesario explicar aquí la importancia práctica de la obra de Faraday, que desde luego ha aportado una rica fuente de ingresos a los gobiernos. A los cincuenta años de hacer Faraday ese comentario, los trenes eléctricos ya circulaban por Alemania, Gran Bretaña y Estados Unidos. Aunque no hubiera hecho nada más, Faraday (que tenía cuarenta años en 1831) habría sido recordado como uno de los científicos más importantes del siglo
XIX
. Sin embargo, después de 1831, en vez de desarrollar las aplicaciones prácticas de sus descubrimientos (tarea que dejó a otros), Faraday se interesó profundamente por la naturaleza del vínculo existente entre la electricidad y el magnetismo, y por cómo estas fuerzas podían atravesar el espacio consiguiendo influir en objetos con los que no tenían contacto directo. Desde el principio observó la similitud de este alcance con el modo en que actúa la gravedad, por cuyo efecto el Sol es capaz de llegar a través del espacio a mantener los planetas en sus órbitas.

En el experimento de las limaduras de hierro dispersas en una hoja de papel, las líneas que dibujan las limaduras muestran el camino que seguiría un diminuto polo magnético si fuera libre para recorrer una trayectoria que va desde un polo del gran imán hasta el otro. Esto indujo a Faraday a pensar en términos de «líneas de fuerza» (un término que inventó en 1831) que se propagaban desde cada polo del imán y, de forma similar, desde cada partícula con carga eléctrica. Según este modelo, si un cable se mueve en relación con un imán, el cable corta las líneas de fuerza, y es este corte lo que hace que fluya la corriente eléctrica.

Hasta ese momento, los científicos se imaginaban que fuerzas como la gravedad operaban como una «acción a distancia». No se consideraba que la fuerza que el Sol ejerce sobre la Tierra y los otros planetas tardara tiempo en llegar a través del espacio, sino que se pensaba que actuaba de forma instantánea y a distancia, para mantener su atracción sobre los planetas. Sin embargo, Faraday reflexionó sobre cómo podrían propagarse las líneas de fuerza y construyó lo que llegó a llamarse un campo de fuerzas, que es lo que se produce cuando una corriente se pone a circular por una bobina de cable.

Según su razonamiento estaba claro que esto llevaría tiempo. Una bobina de cable que esté dispuesta adecuadamente y transporte una corriente eléctrica produce un campo magnético que, a cierta distancia, no se puede distinguir del campo que produce un imán de barra. Pero, cuando no hay ninguna corriente que circule por la bobina, tampoco hay campo magnético. Faraday estaba convencido de que, cuando se pusiera en marcha la corriente en la bobina, el campo magnético se propagaría hacia el exterior a partir de dicha bobina, de tal modo que se desviarían en primer lugar las agujas de las brújulas que estuvieran cerca de ella, y después, cuando el campo magnético se propagara hacia el exterior, las agujas de las brújulas que estuvieran más alejadas. Sabemos actualmente que esta influencia se propaga a la velocidad de la luz, demasiado rápido como para que se pudiera medir el intervalo de tiempo con los medios de un laboratorio del siglo
XIX
. Sin embargo, Faraday seguía una línea de razonamiento correcta.

No obstante, la idea resultaba tan atrevida en aquella época, que Faraday no la hizo pública al principio. En vez de eso, en 1832 dejó una nota sellada en una caja fuerte de la Royal Society, con el encargo de que no se abriera hasta después de su muerte. Entre otras cosas, la nota exponía la teoría de Faraday de que cuando un imán actúa sobre otro imán o sobre un trozo de hierro que se encuentran a cierta distancia, la causa influenciante (que, por el momento, voy a llamar magnetismo) opera gradualmente desde los cuerpos magnéticos y requiere un tiempo para su transmisión … Estoy inclinado a pensar que la difusión de las fuerzas magnéticas desde un polo magnético se puede comparar con las vibraciones que se producen en la superficie del agua cuando hay una perturbación, o con las del aire en los fenómenos relacionados con el sonido: es decir, estoy inclinado a pensar que la teoría vibratoria es aplicable a estos fenómenos, como lo es al sonido y, con toda probabilidad, también a la luz.

Doce años más tarde Faraday hizo públicas estas teorías, que prepararon el camino para los trabajos que James Clerk Maxwell llevó a cabo en la década de 1860 sobre la naturaleza del electromagnetismo y la luz.

Maxwell halló un conjunto de ecuaciones que describen cómo los campos eléctrico y magnético producen interacciones mutuas. Existen en total cuatro ecuaciones, que juntas pueden decimos todo lo que podríamos necesitar por lo que se refiere al electromagnetismo, salvo que nos decidamos a aventuramos en el terreno de la física cuántica. Todo fenómeno en el que intervengan la electricidad y el magnetismo se puede resolver a nivel de la física clásica utilizando las ecuaciones de Maxwell; además, éstas llegaron con un plus incluido.

Entre otras cosas, las ecuaciones de Maxwell explican cómo se desplaza una onda electromagnética. Imaginemos una onda eléctrica que se desplaza por el espacio, dotada de energía, quizá, por un electrón que baila arriba y abajo en un cable. Cuando la onda eléctrica oscila subiendo y bajando, está experimentando variaciones. Por lo tanto tiene que crear una onda magnética, que se desplaza junto a la onda eléctrica. Pero esta onda magnética también experimenta variaciones, porque la onda eléctrica varía. En consecuencia la onda magnética debe crear una onda eléctrica que se desplazará junto a la onda magnética. El efecto global, descrito con precisión por las ecuaciones de Maxwell, es el de una onda electromagnética combinada que se desplaza a través del espacio de tal modo que las componentes eléctrica y magnética van al paso la una con la otra. El plus que llevan las ecuaciones de Maxwell es un número que especifica la velocidad a la que se desplaza la onda. Este número se puede calcular mediante experimentos en los que se miden las propiedades de campos eléctricos y magnéticos aislados. Y resulta que el número que se obtiene en estos experimentos es la velocidad de la luz, a pesar de que, como dijo Maxwell, «lo único para lo que se utilizó la luz en el experimento fue para poder ver los instrumentos».