Download del atomo a las particulas - Historia y Filosofía de la Ciencia

DEL ATOMO A LAS PARTICULAS
Entrevista a Michel Paty, jefe de Investigación en el CNRS Centro de Investigaciones
Nucleares de Strasbourg - Cronenbourg
EMILE NOËL: El enfoque científico de la materia sufrió
desvíos, suscitó controversias, teniendo en cuenta las líneas
filosóficas que se encontraban comprometidas en él. Pero
esto no ha impedido a la ciencia el desarrollarse y
afirmarse. ¿Cómo prácticamente se ha podido pasar del
átomo indivisible a la física de las partículas?
De hecho, la idea de una materia constituida de ladrillitos
llamó la atención muy pronto, en particular a partir de los
griegos y este pensamiento ha podido avanzar a través de
los siglos. Pero a partir de qué momento se puede hablar
seriamente de física atómica
MICHEL PATY: La física atómica en el sentido que lo entendemos hoy en día empieza a
principios del siglo XX. Se le puede incluso poner una fecha y decir que comienza en
1911. Con los experimentos de Rutherford que ponen en evidencia la existencia del
núcleo atómico. Pero obviamente las cosas no son tan sencillas y en la realidad esta fecha
que acabo de mencionar representa también una culminación. Esta culminación es, por
una parte, la de una intuición fundamental que va a tomar su pleno desarrollo; por otra
parte, de una especie de prehistoria del átomo relativa a la hipótesis atómica. La intuición
fundamental la debemos a los griegos. Como la mayoría de nuestras intuiciones
científicas. Se trata de la idea que la materia está constituida de elementos, de partículas
elementales que se combinan en formas diversas las unas con las otras. Y esta idea, que
empieza con Leucipo, Demócrito, Epicuro, Lucrecio, la retozan en el siglo XVII Gassendi,
Boyle, Newton. Luego en el siglo XIX, con Dalton, con la hipótesis atómica en Química,
esta concepción di a conocer un desarrollo sumamente importante. Quisiera subrayar, a
esta altura, que la intuición atomística es fundamental y que es la misma y corre de la
misma manera, desde los griegos hasta hoy. Pero lo que va a diferir - y que no es poco y
se parece importante en extremo - es en contenido que se le va a dar a esta teoría en el
que se basa esta concepción, esta hipótesis, o lago bien, esta Intuición. La intuición de los
griegos no la respalda una verdadera teoría física, en el sentido moderno. Se basa sobre
un razonamiento analógico que, por cierto se propone reconstituir las propiedades de los
cuerpos macroscópicos a partir de los elementos microscópicos, pero estos mismos
elementos microscópicos se conciben solamente a partir de las propiedades de lo
macroscópico, por analogía. Al contrario, el desarrollo de la física moderna y en
particular, de la física atómica moderna, nominalmente a partir de la fecha que he
mencionado, es decir 1911, procede de manera distinta.
Existe el paso de una suposición, de una hipótesis, de cierta
explicación filosófica a Un conocimiento experimental, es
decir a la aparic16n de la realidad misma del átomo.
Precisamente. Ya con Newton, por ejemplo, la hipótesis atómica no sirve en el fondo
sino como petición de principio, como soporte a la utilización del cálculo infinitesimal.
Con Dalton y la hipótesis atómica en química, l las cosas van a cambiar y poco a poco la
hipótesis atómica va a tomar cuerpo porque se presenta entonces toda la serie de los
grandes leyes de la química: Ley de Avogadro en 1811, cien años antes de Rutherford;
Ley de la Electrólisis de Faraday en 1833 que otorgan un peso considerable a esta
hipótesis. Pero aún no hemos llegado al momento en que se encara, no una hipótesis sino
una realidad indudable. Toda la es cuela llamada energética del Siglo XIX, 2 representa una
corriente del pensamiento que rechazaba la realidad de los átomos.
Esta realidad no llegará a ser una certeza hasta el descubrimiento de la explicación del
movimiento browniano por Lean Perrin y Albert Einstein al principio de este siglo,3 con
la puesta en evidencia de cierto número de fenómenos como la radiación X, la
radiactividad o el estudio de la espectroscopía de los cuerpos - que llevará al
conocimiento de la estructura de los átomos - con el descubrimiento del cuanto de
acción4. Esto representa la estructuración de un conjunto de concepciones y de resultados
experimentales, que llevan a considerar que la realidad de los átomos es, de hecho, algo
de lo que no se puede prescindir.
Estamos ahora en 1911 y la realidad del átomo se hace más
precisa.
Sí, la realidad del átomo se precisó en ese momento porque el átomo por una parte, había
dejado de ser una hipótesis y por otra parte, ya no era un simple punto material como se
consideraba antes prácticamente. 5
Había dejado de serlo precisamente porque Rutherford hizo evidente su estructura:
Mostró que había un núcleo duro en el interior del átomo alrededor del cual se sitúa lo
que se conoce como el séquito planetario de los electrones, en la imagen semiclásica de
esta época en que se representaba el átomo de manera análoga a un sistema solar, como
un sol rodeado por planetas.
Ya era, sin embargo, una transformación extraordinaria en
la representación si se compara a aquellos ladrillitos
indivisibles.
Es una transformación extraordinaria, en efecto, en la medida en que ese átomo y ese
núcleo empiezan a mostrar propiedades extremadamente distintas de lo que uno se
imaginaba hasta ese momento. Primero, el átomo está esencialmente vacío. Hay un
núcleo pequeño que encierra casi toda la masa del átomo - y hemos vuelto, con el núcleo,
a una estructura casi puntual - y además en un volumen vacío, gravitan los electrones. En
realidad este modelo clásico era insostenible y había que modificarlo de todos modos, y
es aquí que se abandona la intuición clásica o el menos parte de ella, pata representar las
propiedades de los átomos según la hipótesis de Bohr. En 1913, Bohr dio una
representación del átomo en la que incorpora al modelo planetario de Rutherford la
hipótesis de los quanta. La hipótesis de los quanta había sido formulada en 1900 por
Planck para dar cuenta de algunos fenómenos de radiación y había sido reformada de una
manera distinta por Einstein en 1905. Esta interpretación de Einstein condujo a la idea de
que la luz estaba conformada también por corpúsculos: lo que era en cierta forma una
generalización de la hipótesis atómica a todo elemento material (incluyendo en este
término la energía).6
Voy a pedirle volver un poco atrás. Quisiera que precisara
primero por cual proceso experimental puso Rutherford en
evidencia el átomo. Luego en qué los quanta de Bohr eran
una modificación indispensable y, por fin, si el pasar del
ladrillito lleno al átomo vacío no es también una
transformación importante en el plano epistemológico. Ya
que mi pregunta es triple, comencemos por la evidencia del
átomo y la necesidad de los quanta.
En cuanto a la evidencia, no del átomo, sino del núcleo atómico, Rutherford aplicó por
primera vez, lo que llamaría un proceso de acribillamiento que va a ser el proceso
seguido por los físicos hasta el día de hoy. De la física nuclear hasta la física de las
partículas. Se trata de hecho de bombardear materia - un cuerpo de un tipo dado -- por
proyectiles, por radiaciones.7 Entre las radiaciones disponibles en ese entonces estaban
las radiaciones α que de hecho son núcleos de átomos de helio. Rutherford al bombardear
hojas de metal con núcleos de átomos de helio, observó que algunas de estas radiaciones
se dispersaban en ángulos grandes lo que no podía explicarse por una simple distribución
estadística si el átomo fuera un medio homogéneo. Para dar cuenta de esta dispersión
dura de las radiaciones que rebotaban en la hoja, por ejemplo a 90o, como una bola de
billar que choca con otra, era de suponer que había un núcleo duro en el interior del
átomo. Esta es la respuesta a su primera pregunta.
He aquí, ahora, la respuesta a su segunda pregunta a propósito de la cuantificación de las
órbitas del átomo Bohr tomó en consideración el modelo del átomo planetario de
Rutherford adjuntándole una condición suplementaria. Para hacer una teoría de este
átomo, es decir, para aclarar su espectroscopía8 había que explicar teóricamente por qué
se tenía espectros discretos, es decir por qué se tienen líneas luminosas correspondientes
a ciertas longitudes de onda solamente y no un continuo, una distribución continua lo que
daría normalmente un sistema planetario clásico. Supongamos sencillamente una
excitación del átomo por la energía de una radiación; este átomo se desexcita a
continuación por emisión de una radiación electromagnética, es decir, de luz,
simplemente. Pues bien, para explicar el espectro observado, Bohr tuvo la idea de
importar en la teoría atómica de Rutherford el concepto de los cuanta, formulado por
Planck a principios del siglo, cuantificando las órbitas.9
En cuanto a la tercera pregunta, sobre la eventual dificultad conceptual de reemplazar una
materia llena por una materia vacía o casi, diría que, en mi concepto, lo esencial no está
allí en el sentido de que la idea del vacío ya había entrado en las concepciones científicas
y filosóficas del siglo XVII desde los famosos experimentos que evidenciaban su
existencia. Por supuesto el átomo es esencialmente vacío en cuanto al volumen, pero a
pesar de todo tiene una masa y la materia está siempre ahí ya que se concentra
esencialmente en el núcleo. No es tanto el vacío lo que me parece fundamental sino esa
dificultad de principio que consiste en incorporar a un modelo ligado a una teoría clásica
-la teoría del electromagnetismo y la mecánica clásica en las cuales se fundamenta el
concepto del átomo planetario - la idea cuántica que era totalmente distinta, Como
Einstein lo habla previsto - y como todavía era en esa época casi el único o al menos uno
de los pocos que apreciaba la importancia de esta diferencia -, esta incorporación de los
quanta exigía de hecho el modificar fundamentalmente el edificio teórico. Es en este
momento, creo, que cabe mencionar en este desarrollo histórico el artículo famoso de
Einstein aparecido en 1917 que hace una especie de síntesis de todo lo conocido de los
quanta y de los fenómenos que ¡aplican las relaciones entre materia y radiación. En este
artículo Einstein efectúa la síntesis de la hipótesis de Planck y del ´ tomo de Bohr. Ente
trabajo es fundamental porque, por una parte, se termina con él, el primer período de la
teoría cuántica y de la primera representación "semiclásica" del átomo y por otra parte es
a partir de ahí que va a empezar otra fase de esta historia la que dará luz a la mecánica
cuántica.
En lo que he oído decir hasta ahora, en fin, hay dos tipos de
enfoque y supongo obviamente, que tienen relación entre
oí. Dos tipos de enfoque es decir, por un lado, cierto
número de experimentos que evidencian ciertas cosas y por
el otro, teorías que tienden a sintetizar. ¿Será que, a partir
de esta época, hasta el concepto casi contemporáneo del
átomo, esas dos formas de pensamiento, siguen
interactuando y en ese caso, cómo?
Efectivamente, acertó en lo que es, tal vez, la característica más nítida de la originalidad
de las físicas atómica, nuclear y de partículas con respecto a las demás razas de la física o
de la ciencia contemporánea; es esa interacción estrecha, y fundamental en sumo grado,
entre la teoría y los experimentos. Por supuesto esta interacción existe en el caso de toda
ciencia, pero ha adquirido, en el campo que nos ocupa un carácter crucial desde el
comienzo. Porque, en el momento en que nos encontramos, es decir los años veinte, se
plantean dos problemas esenciales. El primero es aquel de la teoría atómica fundamental
en la que Einstein habla, puesto el dedo; él no habla encontrado esta teoría mas oí
mostrado su necesidad, é1 previó que hacía falta una teoría fundamental radicalmente
nueva que estuviera fundada sobre principios coherentes que tendrían que ser diferentes
de aquellos en los que habla estado basada hasta entonces, y no una yuxtaposición de
modelos como era el caso hasta ese momento. Esta teoría fundamental se obtendrá con el
establecimiento de la mecánica cuántica en los años 1924 - 1930 y luego de la teoría
cuántica de los campos que serán un ensayo para conciliar la electrodinámica basada en
los trabajos de Maxwell y la teoría cuántica, o sea de desarrollar una teoría
"electromagnética cuantificada" una "electrodinámica cuántica". Esta teoría cuántica de
los campos, constituirá la teoría fundamental del átomo en el sentido en que los
experimentos relativos a la estructura del átomo serán cabalmente explicados por esta
teoría.10 El segundo problema que se plantea es el del núcleo ese famoso núcleo que por
el momento es una especie de punto material del cual no se conoce la estructura.11
Es preciso saber qué se puede decir del núcleo. Esencialmente a estas alturas, asistimos a
un predominio de la búsqueda de datos experimentales. Sí quiere, la física atómica, en
cierta forma, terminó su síntesis experimento-teoría. Pero la física nuclear aparece desde
el momento en que se cuestiona la constitución de los núcleos. Por supuesto van a
plantearse en ella problemas teóricos, pero en su principio estuvo marcada sobre todo por
cierto número de problemas experimentales.
Sobre la estructura de los núcleos se disponía en esa época de cierto número de
informaciones reveladas por los fenómenos de desintegración espontánea de los cuerpos
radiactivos sobre los que se había establecido, desde principios del siglo, por Rutherford
y Soddy, que se trataba de propiedades intraatómicas; un poco más tarde, conocida la
estructura del átomo se supo que se trataba, más precisamente, de propiedades
nucleares12 por tanto uno disponía de los espectros de núcleos de distintos cuerpos. Pero
se planteaban cierto número de preguntas y permanecían cierto número de incógnitas.
Primero cuáles eran las constituyentes del núcleo, en la hipótesis de una estructura
elemental - es decir, de constituyentes elementales, cuya agregación conformaba esos
núcleos.
¿Quiere decir que ya se planteaba la pregunta de saber si el
núcleo mismo estaba constituido por partículas distintas?
Claro, porque en la medida que el núcleo se rompía y núcleos podían transmutarse los
unos en los otros, realizando el viejo sueño alquímico, era bastante natural pensar que los
núcleos estaban todos constituidos por "ladrillos" idénticos pero ensamblado en forma
distinta. Aquí vuelve la compenetración que evocábamos de la teoría y del experimento.
Experimentalmente solo se conocían como ladrillos posibles el electrón y el núcleo del
átomo de hidrógeno, el protón. Desde el punto de viste teórico, se disponía de la teoría
cuántica y de la electrodinámica cuántica, es decir, fundamentalmente, del campo
electromagnético, para explicar las relaciones entre partículas, entre constituyentes
elementales. En el momento en que ahora nos situamos, hacia 1930, las cosas no eran
nada satisfactorias desde el punto de vista teórico. Bohr, el padre de la teoría cuántica,
estaba listo a considerar que había que abandonar esta teoría en el campo nuclear. Estaba
listo incluso a abandonar el sacrosanto principio de la conservación de la energía para dar
cuenta de algunas anomalías en la desintegración β, por ejemplo,13 En realidad,
felizmente esas dificultades pudieran resolverse conservando el marco teórico de la
mecánica cuántica por una parte, introduciendo una nueva partícula hipotética, de
carácter ad hoc al principio, luego llegó a legitimarse por el formalismo14 y por fin a ser
real - se trataba del neutrino; - por otra parte, descubriendo, en 1932, - fue la obra de
Chadwick15 - que el neutrón existía, y era otro constituyente del núcleo. Era por tanto
posible representar el núcleo de una manera que salvaguardaba el principio de
conservación de la energía y la teoría cuántica. La dificultad teórica a ese nivel era que el
electromagnetismo no podía ser considerado como responsable de la estructura nuclear
mientras que para el átomo, la cohesión de los electrones y del núcleo la determina el
campo electromagnético. Este no es el caso del núcleo había que inventar otra fuerza
responsable de la interacción entre protones y neutrones, es decir, bien sea, entre el
protón y el neutrón, o entre protones o entre neutrones.
¿Es esta la fuerza que mantiene las partículas nucleares las
unas contra las otras en los núcleos?
Exactamente. Es en ese momento - y ahí se ve cuánto el experimento y la teoría se
encuentran imbricados en este campo cuando se resuelven esas incógnitas experimentales
que uno se ve obligado a formularse y a postular la existencia de dos campos de fuerza
suplementarios. Se conocía hasta ese momento el campo gravitacional que no tiene
cabida aquí porque la masa de los cuerpos que consideramos es demasiado pequeña, y el
campo electromagnético.16 Era necesario en ese momento introducir el campo nuclear, o
más exactamente dos campos de interacción nuevos, relativos a los fenómenos nucleares
uno llamado campo nuclear fuerte, responsable de la cohesión de los constituyentes del
núcleo, el otro, siendo el campo nuclear débil, responsable de la desintegración β y de
cierto número de otros fenómenos, tales como la desintegración de las partículas que
conocemos hoy en día.17
El problema ya a ser producir una representación teórica de esos campos que sea tan
fundamentada, tan satisfactoria como la del campo electromagnético. Esta investigación
representa de hecho toda la historia de la física del núcleo18 - de la física de las partículas
elementales. La física del núcleo va a tratar de desarrollar modelos teóricos - y si acaso
una teoría fundamental - para representar las propiedades de los distintos tipos de
núcleos. La física de las partículas elementales, por su parte, nace mas o menos
simultáneamente.19 Se puede decir que comienza en 1935 con la hipótesis de Yukawa de
la existencia del mesón - éste siendo el análogo del fotón en transportar de un núcleo a
otro (se llama nucleón sea el protón sea al neutrón) la interacción fuerte, es decir su
campo de influencia. Se podría igualmente dar otra fecha, por ejemplo 1940 lo fecha del
descubrimiento del muón, en la radiación cósmica,20 o 1947 cuando se descubrió el
mesón π, la partícula efectivamente predicha por Yukawa unos diez años atrás.21 Es en
ese momento, más o menos, que se plantea la pregunta de saber cuáles son los agentes de
la fuerza entre nucleones y cuáles son los constituyentes de los núcleos mismos, es decir,
si quiere, cuáles son los constituyentes de los constituyentes de los núcleos.22
Pero el profano que oye hablar así, tiene realmente la
impresión de que existen dos físicas distintas: La física
propiamente nuclear y además la física de las partículas, de
las demás partículas. ¿Será así de evidente?
Tenemos aquí una cuestión bastante compleja que es la de las relaciones de un campo o,
más bien, de una disciplina con otra. La complejidad de las relaciones de distintas
disciplinas entre ellas es un problema que corre a lo largo de la historia de las ciencias, y
no es específica a lo que nos ocupa aquí obviamente. Una disciplina nace de una
disciplina que se escinde en varias razas. Es el caso en cierta forma, de la física nuclear y
la física de las partículas. Se puede decir que la física nuclear nació de la física atómica y
que la física de las partículas nació de igual manera de la física nuclear.
Pero la complejidad de acentúa aquí en la medida que todo esto ocurre en un intervalo de
tiempo extremadamente corto, y con respecto a problemas a la vez teóricos y
experimentales muy difíciles de disociar. De hecho, al principio, la física de las partículas
era puramente física nuclear23, y se puede decir que la física de las partículas se escindió,
se separó, de la física nuclear entre los años 1950 y 1960. Es en este momento cuando
aparece una nueva generación de físicos, físicos que no han mirado de muy cerca, no han
tenido que estudiar la cuestión de la constitución de los núcleos propiamente dichos. Lo
que les importa es conocer las propiedades de las partículas.24 En esos años y después va
a amontonarse cantidad de datos, de informaciones sobre objetos nuevos, sobre partículas
nuevas. Pero es bastante notorio que hoy en día, en 1980, si se pregunta cuál es la
diferencia exactamente entre la física de partículas y la física nuclear, uno se da cuenta
que esa diferencia va atenuándose, es decir que la física nuclear vuelve a encontrar,
realmente la física de las partículas, vuelve a retomar, en cierta forma, la física de las
partículas. Lo entiendo, en ese sentido, que hoy en día para dar cuenta de las propiedades
del núcleo para explicar la estructura de los núcleos, los físicos nucleares no pueden
evitar el hacer uso de las partículas que son, de alguna forma, los portadores de las
diferencias e interacciones de los constituyentes, los agentes del campo de fuerza nuclear.
Y es bastante notorio que hoy en día la física nuclear, al menos una de las razas más
interesantes y nuevas de la física nuclear, se estudió con la ayuda de partículas, de
relativamente baja energía, por supuesto, pero que son de todas formas partículas
elementales.25
NOTAS
1
Dalton formula la hipótesis atómica para dar cuenta de las leyes de combinación
de los cuerpos químicos en 1830. Es decir un siglo antes de que la realidad de los
átomos se hubiera convertido en un hecho experimental comúnmente aceptado.
2
No se trata propiamente de una escuela sino de una corriente de pensamiento. En
nombre de los descubrimientos ocurridos en física en la segunda mitad del siglo
XIX -esencialmente en termodinámica - los científicos "energéticos" oponían el
concepto de energía al de materia y sacaban de ahí conclusiones filosóficas sobre
el conocimiento que están emparentadas con el positivismo. Refiriéndose
exclusivamente a la observación y a la experimentación, negaban la realidad de
los átomos. Los termodinámicos J. Raukine y H. von Helmholtz, el químico W.
Ostwald así como los físicos filósofos E. Mach y P. Duhem son los represen
tantea más conocidos de esta corriente. La virulencia de las controversias sobre la
realidad o no de los átomos esta' probablemente al menos según algunos
comentaristas en el origen del suicidio de L. Boltzmann quien era al contrario,
partidario ardiente de su realidad.
3
Este descubrimiento fue precedido en la segunda mitad del siglo XIX por la teoría
cinética de los gases que redescubrió las leyes de la termodinámica a partir de las
del movimiento mecánico de las hipotéticas moléculas de los gases. Recordemos
que en el momento en que nos encontramos (en el paso del siglo XIX al XX) los
átomos se conciben de naturaleza distinta para cada sustancia simple.
4
El descubrimiento del electrón por J.J. Thompson tuvo lugar en 1897; su carga
fue medida por R. Millikan en 1909. Los rayos X fueron descubiertos por W.C.
Roentgen en 1895; fue solamente hacia 1910 que M. von Laue demostró su
naturaleza electromagnética y que R. Moseley determinó la relación de su
espectro con la estructura atómica, (Los rayos X son producidos a partir de la
excitación de electrones de las capas internas del átomo). El descubrimiento de la
radioactividad se debe a H. Becquerel en 1896 y su estudio proseguido por él
mismo y por Marie y Pierre Curie entre otros, quienes descubrieron en 1898 dos
nuevos elementos: el polonio y el radio, descubrimiento seguido por numerosos
otros. M. y P. Curie propusieron en 1902 la hipótesis que la radioactividad es una
propiedad atómica y en 1903 E. Rutherford y F. Soddy mostrarán que se trataba,
de hecho, de la transmutación de un átomo en otro. El mismo año, Ramsay y
Soddy observaron que el radio emite helio. Se distinguieron según su poder de
penetración las radiaciones emitidas por cuerpos radiactivos y luego se
identificaron': α (átomo de helio doblemente ionizado), β (electrones), γ
(radiación electromagnética de longitud de onda mis corta que los rayos X). La
teoría de las leyes de las transformaciones radiactivas fue enunciada hacia 1903
por Rutherford y Soddy; la ley de los desplazamientos radiactivos (es decir, de las
transmutaciones de los átomos) fue enunciada en 1913 por Russell, Soddy y
Fajans. El primer detector de estas radiaciones fue la placa fotográfica; hacía 1913
se agregaron los contadores de centelleo y luego en 1911 la cámara de ionización
de Wilson y, luego los contadores de Geiger-Müller. Posteriormente se
desarrollaron otras técnicas de detección de las partículas (cámara de burbujas, de
chispas etc.).
5
Antes del Modelo de Rutherford, el modelo del átomo comúnmente admitido era
el de J.J. Thomson con electrones imbuidos en una esfera homogénea. Fue para
probar ese modelo, que Rutherford realizó sus experimentos de desviación de los
rayos a. En el modelo de Rutherford se interpreta el número atómico como el
valor de la carga eléctrica (positiva) del núcleo compensado por aquel (negativo)
de los electrones planetarios.
6
Según la hipótesis de los quanta (Planck, 1900) las transformaciones mutuas de
materia y de radiación sólo pueden ocurrir en cantidades discontinuas ("discretas'')
de energía, según la fórmula: ∆E (intercambio de energía) - n (número entero) x h
(constante universal bautizada constante de Planck o quantum de acción x ν
(frecuencia de la radiación emitida o absorbida). Einstein en 1905 considera que
la radiación emitida (por ejemplo la luz) posee ella misma una energía
cuantificada lo que equivaldrá decir que la luz es de naturaleza corpuscular.
7
Por proceso de lo acribillamiento» entiendo la búsqueda de los constituyentes de
la materia cada vez más pequeños. Esta búsqueda se efectúa dirigiendo
radiaciones sobre la materia estudiada y analizando las radiaciones o corpúsculos
emitidos.
La investigación de regiones de espacio cada vez más pequeñas necesita radiación
de energía cada vez más elevado o de longitud de onda cada vez más corta (esta
correlación resulta de las propiedades cuánticas de la materia y la radiación tales
como la mecánica cuántica desarrollada a partir de 1924 -nos las ha hecho
conocer).
8
Es decir, la observación de la distribución de las distintas longitudes de onda de la
radiación electromagnética (luminosa y X) ya sea emitidas por átomos excitados
ya sea absorbidas.
9
La hipótesis de Bohr es la siguiente: a cada órbita electrónica del modelo del
átomo planetario está asignada una energía (es la energía de los electrones que
gravitan en esta órbita en el potencial atómico), y esta energía, como la de los
osciladores de Planck, no puede tomar sino ciertos valores (discretos). El electrón
de un átomo excitado es promovido a una órbita de energía E; el átomo se
desexcita por el paso de este electrón a una órbita de una energía inferior E2 y la
emisión de una radiación electromagnética de frecuencia ν de tal forma que ∆E =
El - E2 = hν. La teoría de Bohr considera el átomo antes y después de la absorción
de la radiación. Bohr no se ocupa de describir la transición en sí. Este problema
será el de la mecánica cuántica la cual no se desarrollará sino diez años más tarde.
10
La interacción responsable de las propiedades atómicas no es otra que la
interacción electromagnética entre los electrones cargados negativamente y el
núcleo cargado positivamente. La electrodinámica cuántica que no será
completamente elaborada sino a principios de los años cincuenta, da cuenta de los
fenómenos de emisión y de absorción de la radiación electromagnética - los
fotones - por los átomos. Sus predicciones acerca de las propiedades atómicas de
las propiedades electromagnéticas de las partículas alcanzan una precisión
considerable.
11
Al menos en cuanto a sus "ingredientes esenciales" ya que algunas
incertidumbres teóricas importantes no fueron clarificadas sino más tarde como se
dejó entender en la nota anterior.
12
La difusión de los rayos α por los núcleos livianos estudiada por Rutherford, había
develado que la ley de Coulomb entre las cargas eléctricas no era suficiente para
explicar la interacción entre las partículas α incidentes y el núcleo bombardeado.
Se trataba de la primera manifestación de las fuerzas nucleares que solo se revelan
para distancias tan pequeñas como 10-13 cm (las fuerzas nucleares, distintas de las
fuerzas electromagnéticas, son de corto alcance). En 1919, Rutherford logró
romper el núcleo del átomo de nitrógeno bombardeándolo con rayos α; y mostró
que se emitía un núcleo de átomo de hidrógeno el cual fue bautizado protón,
concebido desde ese momento como uno de los constituyentes fundamentales del
núcleo.
Este descubrimiento fue seguido de numerosos experimentos de transmutaciones
artificiales (transformaciones provocadas por el bombardeo de núcleos a otros
núcleos distintos). Antes, en 1913, se había descubierto la existencia de isótopos
(es decir de átomos químicamente idénticos pero de número de masas o de pesos
distintos).
13
La desintegraciónβ, que consiste en una desintegración radiactiva de un núcleo
atómico con emisión de un electrón (rayoβ), parecía no satisfacer el balance de
energía: una parte de la energía nuclear inicial parecía desaparecer
espontáneamente al no encontrarse en la energía final del electrón. La hipótesis
del neutrino se debe a W. Pauli. La hipótesis propuesta desde 1930, fue
incorporada en 1932 por E. Fermi en su construcción de una teoría de las
interacciones débiles, interacciones responsables de la desintegración β
14
Consultar el estudio epistemológico sobre este tema en mi artículo "Modeles
Mathématiques et réalíté physique", la Pensée, No.200, aóut 1978, p.86-101.
15
Este descubrimiento del neutrón por Chadwick representa la culminación de una
serie de investigaciones sobre una radiación penetrante emitida en la
desintegración de núcleos livianos provocada por los rayos α del polonio,
investigaciones efectuadas por W. Bothe, y H. Becker, I. Curie y P. Joliot. Las
propiedades de esta radiación, penetrante podían difícilmente explicarse si se las
asumía de naturaleza electromagnética. J, Chadwick, mostrando con ayuda de la
cámara de ionizaci6n de impulsión, que se trataba de partículas neutras de masa
igual a la del protón, había retozado la hipótesis propuesta desde 1920 por
Rutherford - en el mismo laboratorio Cavendish donde trabajaba. Este
descubrimiento atestigua la influencia de una tradición científica sobre el
desarrollo de las ideas en investigación. Resultó de ahí entre otras, una
simplificación de la representación del núcleo que contiene, de ahora en adelante,
únicamente protones y neutrones. Desde ese momento se hizo posible el
desarrollo de modelos nucleares más precisos (modelo del gas de Fermí, de la
gota de agua, modelos en capa, etc.).
16
La interacción gravitacional es responsable de la fuerza ejercida por masas sobre
la otra. La masa es aquí el análogo para esta interacción de la carga eléctrica para
la interacción electromagnética. Los dos nuevos tipos de interacciones requeridos
por el desarrollo de la física nuclear difieren de los anteriores primero por su
alcance (campo de acción) que es muy corto (del orden de 10-13cm para la
interacción fuerte y todavía mucho más pequeño para la interacción débil) - lo
cual explica que no fueran detectadas hasta que no se estudiaran esas pequeñas
dimensiones de la materia. Difieren además en lo que sería para ellas el análogo
de lo que son la masa y la carga eléctrica para las primeras y que solo se
caracterizaran recientemente. (En la década del 70 se pudo avanzar hacia una
unificación, al menos parcial de las interacciones electromagnéticas y débil y la
carga responsable de la interacción electrodébil es lo que llama hoy "sabor" (o
"perfume" o "aroma" según una terminología fluctuante traducida del inglés
"flavour"); en cuanto a la interacción fuerte, se considera engendrada por la carga
de ''color'' característica de las interacciones entre quarks. Para más detalles ver el
capítulo sobre partículas). Difieren, finalmente, por su intensidad expresada por
una constante de acoplamiento (constantes de gravitación, de estructura fina - o
electromagnética -, de Fermi o de interacción débil, de interacción fuerte).
17
De hecho las partículas tales como se conocen hoy en día, pueden desintegrarse en
tres formas distintas. Sea por interacción fuerte (se trata de las partículas "meta
estables" llamadas "resonancias" de vida media extremadamente corta conocidas
desde los años 50) sea por interacción electromagnética (es el caso de las
partículas cuasiestables de vida media corta), sea por interacción débil (partículas
cuasiestables de vida media lo suficientemente larga para que sean susceptibles de
observación directa). Es sobre todo por estas últimas desintegraciones que se ha
podido estudiar el campo débil; hoy en día disponemos, además, para ese estudio,
de haces de neutrinos.
18
Algunos datos suplementarios sobre los descubrimientos en física nuclear - sin
pretender ser completo - en 1934 Irene Curie y Frederic Joliot descubren la
radiactividad artificial, es decir la formación por bombardeo de isótopos
radiactivos de elementos estables conocidos anteriormente. Un poco más tarde se
dan cuenta (Fermi, Pontecurvo, Segré, etc.) que es posible desintegrar núcleos con
ayuda de neutrones lentos (llamados "térmicos") y en 1938 Hahn y Strassmann
consiguen la fisión del uranio. La continuación es, por un lado, mejor conocida
(obtención de la reacción en cadena, utilización de la energía nuclear, etc.) y de
toda forma pertenece al presente... Mencionemos sin embargo la importancia,
para un estudio sistemático de las propiedades de los núcleos (especialmente por
la producción de nuevos isótopos) y más tarde, de las partículas elementales, de la
construcción de los primeros aceleradores, (Cockroff y Walton en 1930, ciclotrón
de Lawrence, en 1931, etc.) que confieren a los núcleos energías elevadas.
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Una fecha importante en la historia - o prehistoria -de la física de las partículas
elementales es él descubrimiento del positrón (o electrón positivo, "antipartícula"
del electrón) en 1932 por C.D. Anderson en una cámara de Wílson. Esta partícula
había sido, de hecho, predicha desde 1930 por la teoría de Dirac (ecuación
relativista del movimiento de una partícula cuántica), cuyo formalismo asocia a
cada partícula la existencia de una antipartícula - es decir, de una partícula
idéntica pero de carga opuesta. La producción de pares electrones - positrones por
rayos γ de alta energía resultó ser, entre otras cosas la explicación de algunas
observaciones - como el de "haces en cascada" - hechas sobre la radiación
cósmica (radiación estudiada desde el principio del siglo pero cuya existencia no
fue admitida sin discusión sino a partir de 1926). La radiación cósmica primaría
está esencialmente constituida por protones que interactúan en la atmósfera y
producen partículas secundarias de diversa naturaleza.
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El muón (descubierto en realidad desde 1938) es una especie de electrón pesado
(su masa vale aproximadamente 200 veces la del electrón), que resulta de la
desintegración del mesón π (mesón de Yukawa) con el que se confundió en un
principio. En 1940 se observó su desintegración en electrón.
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Conversi, Pancini y Riccioni establecieron en 1946 que la partícula primero
descubierta no podía ser el mesón π: ¡interactuaba débilmente con la materia, lo
que era paradójico para una partícula supuestamente responsable de las
interacciones nucleares fuertes! El mesón π se observó en 1947 en Bristol por
Lattes, Occhialini y Powell.
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La continuación es una historia más reciente jalonada por numerosos
descubrimientos: nuevas partículas como las partículas extrañas desde 1944, las
resonancias, etc., o nuevos fenómenos como la no conservación de la paridad en
las interacciones débiles en 1957. En realidad se trata, cada vez más de una
imbricación estrecha de descubrimientos experimentales y desarrollos teóricos,
que parecen conducir, a finales de los años 70, a una unificación simplificación
aunque todavía problemática.
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Los físicos trabajaban indistintamente en uno u otro campo usando los mismos
detectores, y se planteaban poco más o menos los mismos problemas teóricos.
La comparación de las generaciones de físicos es muy diciente a ese respecto. Los
que hoy en día están en sus sesenta y más contribuyeron tanto en investigaciones
de física nuclear como de física de partículas.
Un ejemplo: Los físicos participantes en el simposio internacional sobre la
historia de la física de las partículas (que tuvo lugar en el Fermilab, Batavia, USA
en mayo de 1979) venidos a intercambiar sus recuerdos sobre "las partículas
elementales, los rayos cósmicos y la teoría cuántica de los campos en los años 30
y 40 antes de la era de los grandes aceleradores" son más o menos los mismos que
los que intercambiaron recuerdos análogos durante una " retrospectiva sobre la
física nuclear de los años 30".
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Es decir enfrentar el estadio ulterior del análisis detallado de la materia. Es
significativo que este período sea precisamente el del desarrollo y la explotación
sistemática de los grandes aceleradores de partículas. Disciplina altamente teórica,
la física de las partículas está sin embargo esencialmente determinada por la
posibilidad de utilizar aparatos muy poderosos que descansan sobre una tecnología
altamente desarrollada. Lo cual, me parece, justifica la expresión de
acribrillamiento empleada anteriormente, que traduce a la vez un programa teórico,
una línea de enfoque conceptual y una metodología experimental característica.
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Es interesante anotar que este nuevo recubrimiento de la física de partículas y la
física nuclear como disciplina está acompañado por un recubrimiento teórico; en
efecto, los desarrollos teóricos más recientes de la física de las partículas
conciernen la formulación de una teoría fundamental del campo de interacciones
nucleares fuertes ("cromodinámica cuántica") que sería también, precisamente la
teoría fundamental de los núcleos mismos. Por otra parte aunque la investigación
en física de las partículas prosigue según el proceso de acribillamiento" con la
investigación de partículas más masivas, usando energías más grandes, el estatuto
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de los quarks y de los leptones (aquellas partículas consideradas actualmente
como las más elementales) parece excluir - al menos por el momento - la apertura
de un nuevo campo "subparticular".
Para una discusión sumaría de los problemas conceptuales en juego, consultar mi
artículo "La matiere derobée" (La materia violada) La Pensée No.202, Dic 1978,
pag 16-37, y para un estudio más completo, un trabajo con el mismo título, en
preparación. Pero ya no estamos aquí en la historia, ni incluso en el presente sino
ya en el... futuro. Quizás la originalidad mayor de la física de las partículas,
marcada ante todo por previsiones y proyectos, sea el ser - y siempre haber sido una "física del futuro"...