¿Qué es un átomo?

La mejor conjetura de la antigüedad

La idea de Demócrito sobre el átomo, una idea puramente especulativa, era correcta en muchos aspectos y por ello ha merecido el calificativo de “la mejor conjetura de la antigüedad”.^[1]

Demócrito, que vivió entre los siglos V y IV a. C., observó que, si se toma una piedra y se parte por la mitad, cada mitad tiene las mismas propiedades que la piedra original. Y razonó que, si se seguía cortando la piedra en trozos cada vez más pequeños, en algún momento se llegaría a un trozo tan diminuto que ya no se podría dividir. Denominó átomos, que significa indivisible, a estos trozos infinitesimales de materia. Y les atribuyó una serie de cualidades:

• Ser extremadamente pequeños, por lo que no se pueden ver, y de consistencia sólida e indestructible.
• Toda la materia está formada por átomos, que están separados entre sí por el vacío.
• Y, además, supuso que los átomos son específicos en cada tipo de material.

En el fondo, construyó una teoría que pretendía explicar todo el mundo físico a partir de unas ideas básicas, introduciendo la idea del átomo como elemento básico de toda la materia.

Pero el planteamiento de Demócrito no repercutió en el pensamiento general. Aristóteles, que vivió cien años después, rechazó esta concepción de la realidad y su enorme influencia hizo que durante los dos siguientes milenios las ideas de Demócrito permanecieran en el olvido.

Efectivamente, así fue hasta que en 1803 el científico John Dalton resucitó la idea del átomo dando a conocer una teoría, esta vez basada en pruebas experimentales. Su primera intuición llegó al experimentar con la absorción de gases: “¿Por qué el agua no admite en su masa toda clase de gases por igual? Esta cuestión la he considerado debidamente y, aunque todavía no puedo satisfacerme completamente, estoy casi persuadido de que la circunstancia depende del peso y del número de las partículas últimas de los diversos gases: aquellos cuyas partículas son más ligeras y simples son menos absorbibles, y los otros más según aumentan en peso y complejidad.”^[2] Fruto de sus trabajos experimentales desarrolló su teoría, que plasmó mediante cuatro conceptos fundamentales:

• Toda la materia está formada por átomos, que son indivisibles.
• Todos los átomos de un elemento determinado son idénticos en masa y propiedades.
• Los compuestos son combinaciones de dos o más tipos diferentes de átomos.
• Una reacción química es una reorganización de átomos.

El átomo resulta ser divisible y extraordinariamente extraño

Los numerosos descubrimientos que se producen nada más comenzar el siglo XX destruyen la aparente simplicidad con la que Demócrito y Dalton habían descrito la constitución de la materia. Pronto veríamos que el átomo, que es efectivamente la unidad fundamental de los elementos químicos, no es indivisible, sino que, a su vez, está compuesto por partículas más pequeñas. Partículas que resultan ser extraordinariamente extrañas, mostrándose a la vez como partículas o como ondas, dependiendo de cómo se observen y midan.

Esta dualidad se describe mediante diversas fórmulas y ecuaciones, cada una de las cuales ofrece una perspectiva única de este fenómeno. La ecuación propuesta por Louis de Broglie relaciona la longitud de onda de una partícula con su momento; la fórmula de Planck-Einstein relaciona la energía de un fotón con su frecuencia; la ecuación de Schrödinger es una ecuación fundamental de la mecánica cuántica que describe la evolución temporal de la función de onda de una partícula. Las partículas se definen mediante funciones matemáticas que indican la probabilidad de que una partícula tenga diversas propiedades. Es decir, las propiedades de las partículas no derivan de sus constituyentes, sino de patrones matemáticos.

Las partículas interactúan mediante las tres fuerzas cuánticas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte. Sin embargo, esas fuerzas también se describen mediante partículas en la teoría cuántica: el electromagnetismo es transportado por fotones, la fuerza débil se rige por los bosones W y Z, y en la fuerza fuerte intervienen los gluones.

Las partículas como ondas

A medida que se fue profundizando en el conocimiento de las partículas, se comprobó que su existencia y comportamiento podía ser explicado por la teoría cuántica de campos. Un campo se define como una magnitud física representada por un número que tiene un valor para cada punto del espacio. Como explica Kevin Hartnett,^[3] para entender los campos cuánticos lo más fácil es empezar por un campo ordinario o clásico. Imaginemos, por ejemplo, que se mide la temperatura en cada punto de la superficie terrestre. Combinando los infinitos puntos en los que se pueden realizar estas mediciones se forma un objeto geométrico, llamado campo, que agrupa toda esta información sobre la temperatura. Pero los campos cuánticos son fundamentalmente distintos de los clásicos. Mientras que la temperatura en un punto de la Tierra es la que es, independientemente de que se mida o no, las partículas no tienen una posición definida hasta el momento en que se observan. Antes de eso, sus posiciones sólo pueden describirse de forma probabilística, asignando valores a cada punto de un campo cuántico que refleje la probabilidad de encontrar una partícula allí o en otro lugar.

La teoría cuántica de campos nos dice que existen numerosos campos que invaden todo el Universo y que una partícula resulta ser el resultado de una vibración del correspondiente campo en un punto determinado. Los electrones son ondas en el «campo de electrones» y los quarks ondas en los “campos de los quarks”. La teoría cuántica de campos no solamente nos da cuenta de la existencia de las partículas, sino de todas sus interacciones.

Existen doce campos cuánticos que se corresponden con los doce tipos de partículas fundamentales que componen el Universo y cuatro campos de fuerza, que representan las cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. El Universo en su nivel más fundamental está constituido por dieciséis campos cuánticos. El Modelo Estándar, que no incluye la gravedad, combina estos dieciséis campos en una única ecuación que describe cómo interactúan entre sí.

Y, como ya hace años Gordon Kane afirmó: “El Modelo Estandar… [es] la teoría matemática de la naturaleza más sofisticada de la historia… Todo lo que ocurre en nuestro mundo (salvo los efectos de la gravedad) es el resultado de la interacción de las partículas del Modelo Estándar según sus reglas y ecuaciones”.^[4]

Todo es información

La consideración de la información como un nuevo enfoque de la física fundamental introduce una mayor complejidad e incertidumbre en nuestra visión de cómo funciona el mundo en sus niveles elementales.^[5]

La información sobre las leyes físicas que gobiernan nuestro Universo se puede encontrar en todas partes y en todo. Nuestra comprensión del Universo no es más que un proceso de adquisición y desciframiento de información. ¿Podría ser entonces que los verdaderos elementos fundamentales de este mundo sean pequeños fragmentos de información?

John Wheeler fue un importante físico teórico, extraordinariamente productivo en creación científica. Y fue pionero en considerar la información el elemento básico de la realidad. Él mismo, al repasar su propia evolución científica, que abarca algo más de la segunda mitad del siglo XX, habló de tres etapas. La primera fase la denominó “todo son partículas”; la segunda “todo son campos”; y la tercera “todo es información”, donde se centró en la idea de que la lógica y la información son la base de la teoría física.^[6]

Pero, ¿qué vínculo establece la relación entre la naturaleza etérea de la información y su carácter físico? A ello se llega mediante una cadena de descubrimientos que arranca con Leo Szilard. Fue el primer científico en reconocer la conexión entre la termodinámica y la teoría de la información en 1929, al proponer que la entropía física e informacional comparten la misma expresión matemática. Claude Shannon, en un influyente trabajo publicado en 1948, abunda en la idea de Szilard y reduce la noción de información a una entidad pragmática y tangible, proporcionando una definición operativa, tomando el dígito binario {0,1} como unidad fundamental de la teoría de la información.

El carácter físico de la información quedó finalmente establecido con el hallazgo de Rolf Landauer en 1961, que determinó que procesar información invirtiendo bits de cero a uno y viceversa conserva información y entropía y que sólo el borrado de información –una operación irreversible– aumenta la entropía. La información es física: al borrar su manifestación física en forma de cadenas de bits, el Universo reacciona.

Todo ello conduce a una nueva jerarquía conceptual, que el físico Paul Davies resume así: “el Universo trata de información y procesamiento de la información, y es la materia la que surge como concepto secundario”^[7]. En lugar de considerar que las matemáticas son lo primario, seguidas de la física y luego de la información, habría que invertir la imagen en nuestro esquema explicativo, de modo que nos encontremos con la jerarquía conceptual: información → leyes de la física → materia.^[8]

Estas ideas sobre la información y su papel en la comprensión del Universo son sugerentes e influyentes en los campos de la física y la teoría de la información, pero siguen siendo conceptos teóricos y filosóficos. Son ideas que no han dado lugar a predicciones concretas comprobables ni a pruebas experimentales que las establezcan firmemente como principios fundamentales del mismo modo que las leyes físicas establecidas. Así lo resume el premio Nobel Anton Zeilinger, que ha dedicado su vida a la información cuántica: “A menudo digo que la teoría cuántica es teoría de la información, y que la separación entre realidad e información es artificial. No se puede pensar en la realidad sin admitir que lo que se maneja es información. Así que necesitamos un nuevo concepto que englobe las dos cosas. Aún no lo hemos conseguido.”^[9]

Una explicación cada vez más compleja

De la idea clara y rotunda de una materia constituida por pequeñísimas partículas sólidas e indestructibles hemos pasado a explicar todo lo que vemos como algo mucho más abstracto: sustancias parecidas a fluidos llamadas “campos”. Lo que entendemos como partículas son excitaciones puntuales de esos campos. Y como tales partículas muestran una serie de propiedades: masa, carga eléctrica, espín, carga de color… Somos incapaces de imaginar cómo es una partícula. Intuimos su existencia mediante modelos matemáticos, como afirma David Tong, un físico de la Universidad de Cambridge: “Las teorías cuánticas de campos son, con diferencia, los objetos más complicados de las matemáticas, hasta el punto de que los matemáticos no tienen ni idea de cómo darles sentido”^[10]; pero, como él mismo reconoce con admiración, nos han permitido verificar experimentalmente los resultados obtenidos: “Podemos hacer experimentos y medir cosas con trece decimales y coinciden los trece decimales. Es lo más asombroso de toda la ciencia”.^[11]

Ante este panorama, no tenemos más remedio que sentirnos solidarios con la reflexión de nuestro rey medieval Alfonso X el Sabio, quien, después de atender una explicación de las complicadísimas matemáticas necesarias para demostrar la teoría de la astronomía de Ptolomeo, se expresó así: “Si el Señor Todopoderoso me hubiera consultado antes de embarcarse así en la Creación, le habría recomendado algo más sencillo”.^[12]

Manuel Ribes - Instituto Ciencias de la Vida

Observatorio de Bioética - Universidad Católica de Valencia

 

^[1] Esta frase, aunque nunca fue pronunciada textualmente por Richard Feynman, ha quedado acuñada a partir de la admiración que manifestó este influyente físico por Demócrito y su teoría atómica, expresada en diferentes obras.

^[2] John Dalton (1766-1844) On the Absorption of Gases by Water and Other Liquids – Le Moyne College

^[3] Kevin Hartnett The Mystery at the Heart of Physics That Only Math Can Solve  Quanta Magazine  June 10, 2021

^[4] Marco Antonio Moreira Modelo Estándar de la Física de Partículas Universidade Federal do Rio Grande do Sul

^[5] Manuel Ribes  Información, ¿un nuevo paradigma? Observatorio Bioética UCV Enero 2024

^[6] John Archibald Wheeler, 1911-2008 | Department of Physics Princeton University

^[7] Robert Lawrence Kuhn Forget Space-Time: Information May Create the Cosmos  Space.com May 23, 2015

^[8] Paul Davies and Niels Henrik Gregersen Information and the Nature of Reality  Cambridge University Press 2010  ISBN 978-0-521-76225-0

^[9] Eric Powell Discover Interview: Anton Zeilinger Dangled From Windows, Teleported Photons, and Taught the Dalai Lama Aug 29, 2011

^[10] Kevin Hartnett The Mystery at the Heart of Physics That Only Math Can Solve  Quanta Magazine  June 10, 2021

^[11] Ibid.

^[12] Parece ser que Alfonso X efectuó diferentes afirmaciones en este sentido, aunque ninguna figura en sus escritos. Así mismo, la leyenda indica que esto fue aprovechado por sus enemigos, que le tildaron de blasfemo. Ver el artículo La leyenda sobre la blasfemia de Alfonso X:  un episodio de la conflictiva relación entre especulación teórica y razón de estado de Antonio Rivera García en ISSN 1540 5877  eHumanista 31 (2015): 426-451