CRONOLOGÍA PARA ESTUDIANTES AVANZADOS #4

Einstein nunca aceptó la visión indeterminista y aleatoria de la mecánica cuántica. De ahí su famosa frase: «Estoy convencido de que él [Dios] no juega a los dados».

Si la teoría era correcta, entonces mientras no observamos una partícula esta no tiene propiedades definidas: está en superposición, ocupando a la vez todos los valores posibles.

Para Einstein, aquello era inaceptable.

Para visualizar esta idea, usemos un sencillo juego perceptivo. Consideremos un dibujo de un cubo en dos dimensiones .

Según cómo lo miremos, podemos ver la cara frontal a la izquierda o a la derecha: ambas interpretaciones son igual de válidas, pero nunca vemos las dos al mismo tiempo.

Si tapamos el dibujo, no tiene sentido preguntarnos cuál es la cara frontal. La pregunta carece de respuesta: hasta observarlo, el cubo está en una especie de superposición perceptiva .

No es un fenómeno cuántico real, pero sirve como analogía.

En 1935, Einstein, Podolski y Rosen (EPR) formularon un experimento mental pensado para mostrar que la cuántica debía estar incompleta. El argumento comienza con dos partículas entrelazadas: sus propiedades están correlacionadas de tal manera que conocer una equivale a conocer la otra.

Para seguir con la analogía, imaginemos dos cubos entrelazados : si vemos que en el primero la cara frontal es la izquierda, el segundo debe mostrar la misma cara frontal. Pero mientras no los observemos, ambos permanecen indefinidos.

Ahora rompemos la hoja por la mitad: un cubo te lo quedas tú y el otro se lo enviamos a un amigo que está en la otra punta del mundo.

Si seguimos las reglas cuánticas, en el momento en el que tú mires tu cubo y determines qué cara es la frontal, el de tu amigo colapsará instantáneamente al mismo resultado, sin importar la distancia que os separa.

Para Einstein esto era inaceptable: parecía implicar que la información de la cara ganadora viajaba más rápido que la luz, violando la relatividad especial.

Además, EPR creían haber encontrado una manera de derrotar el principio de incertidumbre: si uno mide la posición de su partícula y el otro, la velocidad de la suya (y ambas propiedades están correlacionadas), entonces las dos quedarían simultáneamente determinadas.

Así podríamos saber exactamente su posición y su velocidad.

Su conclusión era demoledora: la mecánica cuántica era incompleta; las propiedades físicas deberían existir antes de ser medidas.

Sin embargo, en 1964, John Bell formuló un criterio experimental para comprobar si Einstein tenía razón o si, por el contrario, la naturaleza se comportaba como predecía la cuántica. Estas son las que hoy se conocen como las desigualdades de Bell.

En 1982, Alain Aspect llevó a cabo en Francia los experimentos que pondrían a prueba las desigualdades de Bell. Su resultado fue concluyente: la cuántica volvía a ganar y, con ello, no solo nos demostraba que es una teoría completa, sino que nos imponía vivir en un universo no local.

Uno de los puntos que merece la pena puntualizar es que los experimentos de EPR no implican que se mande información más rápido que la velocidad de la luz.

En el proceso de colapso, por culpa del azar inherente de la teoría, se pierde la capacidad de controlar el resultado y, por tanto, de enviar información.

No se viola el límite de velocidad cósmico impuesto por la relatividad.

El entrelazamiento dejó claro que el mundo cuántico desafía profundamente nuestra intuición. Einstein lo consideró una «acción fantasmal a distancia».

La cuántica nos obliga, simplemente, a aceptar que la realidad, en su nivel más profundo, no se comporta como la imaginamos.

El despertar del núcleo: las fuerzas nucleares.

El experimento de la lámina de oro de Rutherford no solo reveló dónde se escondía casi toda la masa del átomo, sino que inauguró una nueva disciplina: la física nuclear .

El átomo ya no era una esfera uniforme, tenía un corazón. Un corazón pequeño, denso y misterioso.

Durante los primeros años, ese núcleo era apenas una intuición.

Nadie sabía qué lo componía ni qué fuerzas actuaban en él, pero abrir aquella puerta desencadenó una de las revoluciones científicas más profundas del siglo XX .

El desarrollo de la física nuclear, desde el descubrimiento del neutrón en 1932, hasta la detonación de las bombas atómicas en 1945, es vertiginoso.

En este recorrido, la física cuántica desempeña un papel crucial, pues sus leyes son las que rigen el interior de los átomos.

1896 — Henri Becquerel descubre la radiactividad.

Casi por accidente, Becquerel descubre la radiactividad cuando estudia la fluorescencia del uranio. Recibirá el Premio Nobel en 1903, junto con el matrimonio Curie.

1898 — Marie y Pierre Curie descubren el polonio y el radio.

En 1898, los Curie descubrieron dos nuevos elementos químicos mucho más radiactivos que el uranio: el polonio, nombrado en honor al país de origen de Marie, y el radio.

Fueron ellos quienes acuñaron el término « radiactividad ».

Ganarían el Premio Nobel en 1903. Marie Curie se convierte en la primera mujer en recibir este galardón, y cuando en 1911 le otorgan el de Química, en la primera persona en ganar dos Premios Nobel.

1919–1932 — Ernest Rutherford y James Chadwick. Las piezas del núcleo: protón y neutrón.

Con los trabajos de Becquerel, el matrimonio Curie y el descubrimiento del electrón por Thomson en 1897, la visión del átomo se transforma ; ya no es indivisible ni inmutable.

En 1919, Rutherford identifica experimentalmente el protón, una partícula cargada positivamente que emerge de reacciones nucleares inducidas.

El protón se convierte en el primer habitante confirmado del núcleo.

Sin embargo, la masa de los átomos no encaja. Falta algo.

En 1920, Rutherford propone que debe de existir una partícula neutra, pesada, oculta entre los protones.

Doce años más tarde, en 1932, James Chadwick confirma esa predicción con el descubrimiento del neutrón.

Rutherford recibe el Nobel de Química en 1908, y Chadwick, el de Física en 1935.

Por primera vez, la estructura del núcleo puede describirse con claridad: protones y neutrones unidos por fuerzas desconocidas . A la pregunta ¿qué mantiene los protones unidos en el núcleo?, se le añade otra que nace de la radiactividad: ¿qué fuerza provoca las desintegraciones?

La respuesta a la primera nos llevará a la fuerza nuclear fuerte , la segunda, a la fuerza nuclear débil .

1933 - 1934 — Enrico Fermi. La fuerza nuclear débil: la fuerza que transforma un núcleo en otro.

Mientras la mayoría de los científicos buscaban la fuerza que mantiene unido el núcleo, otro misterio nuclear reclamaba explicación: la desintegración beta .

En esa desintegración, un neutrón se transformaba en un protón, y en el proceso un electrón salía disparado del núcleo. ¿De dónde salía ese electrón si estas partículas no habitan en el núcleo?

En 1933-1934, Enrico Fermi propuso la primera teoría coherente para describir este fenómeno.

Sugirió que la desintegración beta no era una forma más de radiactividad, sino el resultado de una interacción fundamental distinta, la que se llegará a conocer como fuerza nuclear débil.

Un neutrón se transforma en un protón emitiendo un electrón y una nueva partícula llamada antineutrino .

Aunque su teoría sería refinada décadas después, Fermi estableció el fundamento de lo que hoy conocemos como la interacción débil, esencial para entender la radiactividad, la estructura de los núcleos, las reacciones que alimentan el Sol y la evolución del universo primitivo.

En 1934, el grupo de Enrico Fermi, apodados «los chicos de la Via Panisperna», consigue la primera reacción nuclear artificial.

Fermi ganará el Premio Nobel de Física en 1938.

La fuerza nuclear débil, silenciosa pero decisiva, completa el conjunto de fuerzas que gobiernan el interior del átomo.

1935 — Hideki Yukawa y la fuerza nuclear: el pegamento del núcleo.

La otra gran pregunta de la física nuclear es: ¿qué mantiene unidos a protones y neutrones?

Los protones tienen carga positiva, y su fuerza de repulsión electroestática es mucho más fuerte que su atracción gravitatoria. Así pues, debe existir en el núcleo una fuerza desconocida que mantiene su cohesión.

En 1935, el joven físico japonés Hideki Yukawa propuso que esa cohesión se debía a una fuerza nuclear fuerte, transmitida por una partícula masiva a la que llamó mesón.

Esta fuerza fuerte debía de tener corto alcance, pues afecta solo al núcleo y actúa como pegamento que mantiene unidos a protones y neutrones.

Años después, en 1947, se descubrirían experimentalmente los piones, que confirmaron la intuición de Yukawa. Este recibió el Premio Nobel de Física en 1949.

Yukawa había encontrado el pegamento del núcleo.

1938 - 1939 — Otto Hahn y Fritz Strassmann en Berlín, Otto Frisch y Lise Meitner desde el exilio. La fisión nuclear: la ruptura del átomo.

En diciembre de 1938, Otto Hahn y Fritz Strassmann consiguen la primera reacción nuclear de fisión. Al bombardear uranio con neutrones, aparecían residuos mucho más ligeros, átomos de xenón y estroncio.

En enero de 1939, Lise Meitner, exiliada en Suecia por las leyes antisemitas nazis, y su sobrino Otto Frisch comprendieron lo impensable: el núcleo de uranio podía romperse en dos, liberando una cantidad gigantesca de energía.

Habían descubierto la fisión nuclear .

La noticia recorrió el mundo científico como un rayo. Por primera vez, la energía encerrada en el átomo —esa E = mc² escrita por Einstein en 1905— dejaba de ser un símbolo teórico y se convertía en una posibilidad real.

Una posibilidad poderosa… Y peligrosa.

La carrera por el átomo — La primera guerra de la física

La fisión nuclear coincidió con el ascenso del nazismo y con el estallido de la Segunda Guerra Mundial.

Los físicos comprendieron de inmediato que, si se conseguía una reacción en cadena, era posible liberar una energía sin precedentes.

1933 — Hitler es nombrado canciller en Alemania.