LA CRISIS DE LA FÍSICA TEÓRICA

LA CRISIS DE LA FÍSICA TEÓRICA
Begues, 2 de febrero de 1985
Querida Nuria:
La Física del siglo XIX llegó a entender prácticamente todos los fenómenos perceptibles en nuestro entorno. De ahí que la atención de los científicos se fuera centrando cada vez más en fenómenos que están más allá de nuestra experiencia corriente, y que sólo se ponían de manifiesto mediante experimentos cada vez más delicados. Se perfeccionaron y multiplicaron los instrumentos de medida, y la técnica experimental se hizo cada vez más imaginativa y más precisa. Se empezaron a estudiar fenómenos de cuya existencia el hombre de la calle ni siquiera tenía noticia.
El progreso del conocimiento tuvo y sigue teniendo lugar por medio de dos vías simultáneas que han de encajar a la perfección. Por un lado, el experimentador ha de llegar a unas leyes empíricas exactas; por otro, el teórico ha de obtener el mismo resultado a partir de conceptos abstractos. Éstos últimos acabarán originando un mundo que ya no está al alcance de nuestros sentidos, pero que responde satisfactoriamente al análisis de los hechos de observación. En nuestro siglo, el mundo de la Física teórica ha reavivado el interés por viejos problemas filosóficosque ya parecían negligibles para el hombre de ciencia, y que hemos discutido en cartas anteriores al tratar los antecedentes de la revolución científica.
Tras la publicación del libro de John Dalton (1766-1844) titulado A New, System of Chemical Philosophy, la existencia de átomos y moléculas quedó sólidamente establecida. El estudio cuantitativo de las reacciones químicas llevaría a medir el pese atómico relativo. Más tarde, mediante experimentos directos, sería posible determina] el peso absoluto y las dimensiones de los átomos individuales, así como el número de átomos que hay en un centímetro cúbico de materia.
La teoría cinética de los gases se desarrolló en la segunda mitad del siglo XIX Según ella, un gas está constituido por un número muy alto de moléculas er rápido movimiento. La presión ejercida por el gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene se debe a la colisión de sus partículas con las paredes, y la temperatura del gas mide su agitación media, que aumenta con la temperatura. Las propiedades de los estados líquido y sólido de la materia se deben a una mayor proximidac entre las moléculas.
La teoría molecular de la materia dio una explicación adecuada del calor. Er contra de lo que se había propuesto, no se trataba de un fluido sino simplemente del grado de agitación molecular. Si ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, las moléculas con movimiento más rápido del cuerpo más caliente chocarán, en el límite entre ambos, con las más lentas del cuerpo más frío, y una parte de la energía cinética del primero se transmitirá al segundo. Ello proseguir hasta llegar a un estado de equilibrio en el que las moléculas de los dos cuerpos tendrán la misma energía cinética media. Los dos estarán a la misma temperatura y habrá terminado el «flujo de calor» del más caliente al más frío. Viendo de este modo la naturaleza del calor, forzosamente se deduce la existencia de una temperatura que será la más baja posible, un cero absoluto en el que todas la: moléculas permanecerán inmóviles. Ello fue establecido por William Thompson más tarde lord Kelvin (1824-1907), que tendría el acierto de relacionarlo con la cantidad de trabajo que puede realizar una máquina térmica, que no sólo depende de la diferencia de temperatura entre la parte fría y la parte caliente, sino también del valor absoluto de cada una de ellas.
El átomo se consideró portador de todas las características de cada elemento No obstante, al intentar averiguar porqué dichas características variaban entre unos átomos y otros, surgió la duda de si el átomo era realmente tan indivisible como su nombre indicaba. En ello también influyó el progreso en los conocimiento acerca de los fenómenos eléctricos, especialmente la corriente voltaica y 1
electrólisis. Sobre todo tras los estudios de Michael Faraday (1791-1867), se vio que había una especie de atomicidad de la carga eléctrica parangonable a la de la materia. Por ejemplo, el fluido eléctrico negativo podría estar constituido por una corriente de partículas con electricidad negativa, llamadas electrones. De hecho, se logró extraer electrones de la materia, y medir tanto su carga absoluta (R. A. Millikan, 1911) como su carga específnca (W. Thompson, 1897), lo que permitió determinar igualmente su masa. Ésta resultó ser pequeñísima, unas dos mil veces menor que la del átomo de hidrógeno. A comienzos de siglo, los físicos llegaron a la conclusión de que la electricidad positiva se encontraba igualmente en corpúsculos, que ahora llamamos protones. Fue entonces cuando resultó tentador plantear que los átomos podían estar constituidos por diferentes agrupaciones de electrones y protones. La idea cobraría fuerza con los geniales trabajos experimentales de lord Rutherford (1911) y los de tipo teórico de Niels Bohr (1922), pero eso es otra historia, y queda fuera del propósito de estas cartas. De todos modos, no puedo dejar de hacer constar un aspecto de esta cuestión que me parece apropiado para completar esta visión general del final del siglo XIX por lo que respecta al conocimiento de la materia. Para desarrollar satisfactoriamente su teoría del átomo, Bohr tuvo que introducir una idea extraña, inspirada en la entonces reciente teoría de los cuantos de Max Planck (1900). Dicha teoría había puesto de manifiesto que tanto la emisión como la absorción de luz sólo podían tener lugar en múltiplos de unidades discretas de energía o «quanta». Si bien el electrón, cuando viaja libremente, se comporta de acuerdo con las previsiones de la Mecánica clásica para una partícula con una determinada masa y carga eléctrica, cuando se mueve en torno a un núcleo atómico sólo puede realizar determinados movimientos, que se designaron como «cuantificados». Ello ha resultado ser la base de todas las propiedades de los átomos, pero es incomprensible dentro del mundo de la Física clásica.
La luz, que puede viajar a gran velocidad a través de espacios inmensos y vacíos, es una realidad independiente de la materia. Tras los trabajos de Thomas Young (1773-1829) y sobre todo de Auguste Jean Fresnel (1782-1827), la teoría corpuscular de la luz sería definitivamente abandonada a favor de la teoría ondulatoria que, como ya sabemos, había sido propugnada por Huygens en el siglo XVII. Valiéndose de esta última, se dio una explicación rigurosa a todos los fenómenos luminosos conocidos, incluidas las interferencias, la difracción y la polarización, que eran totalmente incompatibles con la hipótesis corpuscular de Newton. Como la luz se propaga en el vacío, Fresnel imaginó la existencia de unaespecie de medio sutil, el éter, que impregnaría todos los cuerpos materiales llenaría los espacios vacíos y serviría de soporte a las ondas luminosas.
La luz blanca, como la que emiten los cuerpos incandescentes, está formad por la superposición de una sucesión continua de luces simples de colores, qu varían progresivamente, y con transiciones indetectables, desde el rojo al violeta Ello constituye el llamado «espectro». La teoría ondulatoria de la luz ha permitid caracterizar cada tipo de luz por medio de una longitud de onda. Dichas longitudes d onda se pudieron determinar perfectamente por medio de fenómenos de interferencia De este modo sabemos que el espectro visible va de 400 a 800 nanometros.
La teoría de las ondas, pese a sus grandes éxitos en el plano experimenta topó con enormes dificultades en el campo teórico. Los grandes físicos teóricos d la segunda mitad del XIX –Poisson, Green, MacCullagh, F. Neumann y más tard lord Rutherford, C. Neumann, lord Rayleigh y Kirchhoff– intentaron sin éxil elaborar una teoría mecánica que explicara las vibraciones del éter. Sin embargo hacia 1870 la concepción ondulatoria se desarrolla de un modo completameni nuevo, a costa de renunciar totalmente a su representación intuitiva. En esa época. James Clerk Maxwell (1831-1879), ahondando en una idea de Faraday, crea 1 teoría electromagnética. La teoría de Maxwell se basa en el concepto de campo electromagnético, irreductible a un estado de éter. De hecho, Maxwell mostró que la luz puede ser incluida en una categoría de fenómenos más generales: h perturbaciones electromagnéticas. Gracias a la genial visión de Maxwell, la óptica fue fagocitada por el electromagnetismo.
A finales de siglo, la interacción entre luz y materia se convirtió en r espectáculo lleno de patetismo. H. A. Lorentz (1853-1928) desarrolló su teor matemática del electrón, y la ley de interacción de los electrones con el campo electromagnético, pero ni la teoría electromagnética de Maxwell ni la electrón( de Lorentz servían para explicar la distribución de energía en el espectro. Pa resolver el problema, Planck introdujo la idea, radicalmente nueva, de que materia sólo puede emitir energía radiante en cuantos iguales a hv, siendo
frecuencia emitida, y h una nueva constante universal. El mismo autor trató de explicar que, aunque la emisión de luz fuera discontinua, no ocurriría lo mismo con su absorción por la materia (Zweite Fassung der Quantentheorie). Fue fracaso. Poco después, Albert Einstein, al explicar el efecto fotoeléctrico, most que había que volver a la hipótesis inicial de Planck (Erste Fassung). Había qi llegar a una especie de compromiso: los intercambios de energía entre materia
radiación se pueden explicar desde el aspecto corpuscular, pero para entender la propagación libre de la luz hay que recurrir a la teoría ondulatoria.
La física teórica de nuestro tiempo, tras el espectacular éxito de la física clásica, parte de la crisis originada por la estructura atómica y por la doble naturaleza de las radiaciones, que he intentado esbozar en los párrafos precedentes. Hay que reconocer que en lo que llevamos de siglo los avances han sido fascinantes, pero quedan al margen de nuestro objetivo.
El desacuerdo entre determinados datos experimentales de gran sutileza y la teoría física también dio lugar a la Relatividad. En este caso, el problema fue la imposibilidad de medir el movimiento absoluto de la Tierra con respecto al éter. La mecánica clásica enseña que mediante la observación no se puede saber si un observador está en reposo o en movimiento uniforme y rectilíneo con respecto al conjunto de estrellas fijas. Pero en los fenómenos ópticos la cosa es diferente. Según la teoría electromagnética, los campos eléctricos y magnéticos que se propagan en el espacio han de tener el éter como soporte, pero no hubo manera de determinar la naturaleza del éter. Sin embargo parecía que, si el éter exisitiera realmente, los fenómenos electromagnéticos y ópticos no podrían producirse del mismo modo para un observador que estuviera inmóvil con respecto al éter y para uno que estuviera en movimiento. Ahora bien, cuando Michelson y Morley intentaron medir el movimiento de la Tierra con respecto al éter, hallaron que el viejo planeta estaba inmóvil, lo cual es obviamente absurdo. Inicialmente se propusieron explicaciones poco satisfactorias, como la llamada contracción de Fitz-Gerald, pero fue Einstein quien resolvió el problema en 1905. Para observadores dotados de un movimiento de traslación uniforme unos con respecto a otros, todos los fenómenos de la naturaleza, tanto ópticos y electromagnéticos como mecánicos, obedecen a las mismas leyes, de modo que ninguno de los observadores puede detectar su propio movimiento de traslación haciendo observaciones desde dentro del sistema. Todos tienen el mismo derecho a considerar que están en reposo absoluto. De este «principio de la relatividad» Einstein dedujo, gracias a un penetrante análisis, que las coordenadas de espacio y tiempo empleadas por cada observador están relacionadas entre sí por fórmulas de transformación conocidas como «transformación de Lorentz». Más tarde, dichas relaciones fueron consideradas por Minkowski como un continuo de cuatro dimensiones: el universo o el espacio-tiempo. En todas las fórmulas relativistas, el espacio y el tiempo tienen un papel totalmente simétrico. Entenderlo queda al margen de nuestra intuición, ya que para ella las variables de espacio pueden tener dimensiones diversas, pero el tiempofluye siempre en la misma dirección. ¿Y con el éter qué ocurre? ¡No se habla más de él, y es una lástima! ¡Es tan bonito todo lo que es intuitivo y a la vez misterioso! El éter fue sustituido por algo mucho más fastidioso, quizá mucho más claro perc completamente abstracto.
Una consecuencia importante de la teoría de la relatividad es el concepto de inercia de la energía, según el cual a toda cantidad de energía W está asociada una masa W/c2, siendo c la velocidad de la luz. Por tanto, si dicha cantidad de energía tiene una velocidad y, también tendrá una cantidad de movimiento W/c2 x v. El principio de la relatividad también implica modificaciones en la mecánica clásica del punto material, y de modo general nos dice que la mecánica clásica no es válida para cuerpos dotados de grandes velocidades. Las fórmulas de la mecánica relativista han sido repetidamente verificadas en el terreno experimental, pon ejemplo en los experimentos de Guye y Lavanchy.
En su forma inicial, la teoría de la relatividad no comparaba las coordenada: de espacio y de tiempo más que para observadores en movimiento rectilíneo uniforme. Más tarde Einstein elaboraría la relatividad generalizada, que ha: proporcionado una explicación de la gravitación.
Está claro que para entender la Relatividad hay que profundizar en el tema. S sólo la contemplas superficialmente, quizá llegues a la chocante conclusión que, después de la Relatividad, ya no sabemos dónde estamos, ni dónde vamos, n qué hora es. Ello sería lamentable.
Lo que he escrito hoy me recuerda mucho las trifulcas intelectuales de rni juventud. Incluso di algunas conferencias sobre estos temas, en los ya lejanísimo años cuarenta, en el apogeo de la dictadura franquista. Luego me interesaron má los microbios, y de hecho son el único campo en el que he podido profundizar u poco. De forma totalmente subjetiva, para mí el final de la Historia de la Cienci se sitúa en aquella época, aunque lo que yo pudiera atisbar entonces correspondier en realidad a la ciencia de veinte o treinta años antes.
Afectuosamente,