En este artículo se discute el desarrollo que ha experimentado el cuadro físico del mundo desde los tiempos de Newton hasta mediados del siglo XX. En él se analizan algunas particularidades de los distintos momentos por los que ha pasado el conocimiento humano en esta rama de la ciencia. Se analiza el desarrollo de la Física Clásica y cómo se hizo necesario el replanteamiento de toda esta teoría debido al descubrimiento de nuevos fenómenos que no podían ser explicados por ella.
A través de los años la Física ha tenido un desarrollo impetuoso y una implicación directa en el desarrollo tecnológico de la humanidad.
Sin embargo, ella no ha permanecido estática, sino que sus bases teóricas han estado sujetas a cambios constantes debido a la aparición de nuevos fenómenos cuya explicación no se ajustaba a los marcos de las teorías vigentes en el momento de su aparición.
Tal es el caso, por ejemplo, de la radiación del cuerpo negro, de la constancia de la velocidad de la luz y los fenómenos relacionados con los objetos sumamente pequeños.
Esta situación hizo necesario el replanteamiento y/o sustitución de la teoría clásica vigente por otras nuevas que, en muchos casos (como el de la Teoría especial de la relatividad de Einstein) contenían a las precedentes como casos particulares.
Comencemos por analizar el importante aporte realizado por Newton al cuadro físico del mundo. Antes que él, para todas las personas el mundo se limitaba a las direcciones en que podían moverse; es decir se tenía una idea bidimensional de este.
Cuando Newton descubre y estudia las fuerzas gravitacionales y las hace ocupar su lugar dentro de las teorías físicas, le brinda a la dirección vertical la importancia que merece y establece su simetría con las restantes dos direcciones.
Con el descubrimiento de Newton de la teoría de la gravedad y su aplicación al movimiento de los cuerpos celestes logra la transformación del cuadro físico con simetría bidimensional a uno con simetría tridimensional.
La teoría newtoniana se encargó, por mucho tiempo, de dar explicación a los fenómenos de la naturaleza y estos encajaban perfectamente dentro de las predicciones de dicha teoría y los físicos se sentían complacidos con sus logros.
Sin embargo, con la aparición de fenómenos relacionados con los objetos sumamente pequeños y las inconsistencias de la relatividad Galileana respecto al carácter absoluto del espacio y el tiempo, la fachada del gran edificio de la Física Clásica se cubrió de grietas.
Esto llevó a una "crisis" de la Física a finales del siglo XIX y principios del XX. Algunos físicos, los menos, se plantearon: "Si la teoría existente no puede explicar estos fenómenos pues, peor para ellos, deberán adaptarse a la teoría o serán desechados". Otros, los más osados plantearon: "Si la teoría no puede explicar los nuevos fenómenos, tanto peor para la teoría. Con mucha más razón habrá que reestructurarla desde su base".
Dentro de los que lograron un nuevo paso de avance en las teorías físicas se encuentra el eminente Albert Einstein quien, con sus estudios, demuestra cómo pasar del cuadro tridimensional del mundo de Newton a un cuadro con simetría tetradimensional al introducir el tiempo como cuarta dimensión y explica cómo este, en muchos casos, resulta ser simétrico con las restantes tres dimensiones.
Pero no siempre estas cuatro dimensiones son totalmente simétricas aunque si existe una gran porción de simetría entre ellas. La única carencia de simetría está relacionada con las ecuaciones físicas y en especial en la aparición de un signo menos en el término relacionado con el tiempo cuando se compara con las dimensiones espaciales.
Por tanto, se pasó de un cuadro físico del mundo con simetría tridimensional a uno con simetría tetradimensional.
Al lector que no esté directamente relacionado con el mundo físico esto no le será plenamente satisfactorio por cuanto lo que realmente percibimos es una sección tridimensional del cuadro físico tetradimensional. Lo que hace el físico es analizar una sección tridimensional del cuadro físico tetradimensional para un tiempo dado y, un tiempo más tarde, analiza otra sección tridimensional.
La Teoría Especial de la Relatividad, introducida por Einstein, requiere de nosotros poner todas las leyes de la Física de manera que en ellas se evidencie la simetría tetradimensional.
Pero cuando utilizamos estas leyes para obtener resultados sobre la observación, tenemos que ofrecer la sección tridimensional que describe nuestro conocimiento del Universo en determinado tiempo.
Durante algún tiempo se pensó en la importancia de expresar toda la Física en forma tetradimensional pero se sabe que esto no es realmente importante por cuanto la descripción de la naturaleza, en ocasiones, puede simplificarse cuando nos apartamos de ella.
Detengámonos ahora en el análisis del desarrollo que ha experimentado la Teoría Cuántica, teoría que trata del estudio de los fenómenos relacionados con el micromundo y que ha sido objeto de estudio de los físicos durante mucho tiempo.
Para su desarrollo ha sido necesario el análisis de gran cantidad de datos experimentales y al establecimiento de la una teoría congruente para dar explicación a esos datos. Esto llevó a un cambio en el cuadro físico del mundo.
A inicios del siglo XX se estudia el fenómeno de la radiación del cuerpo negro y es entonces que Max Planck descubre la necesidad de suponer que la energía de la onda electromagnética puede ser considerada como una magnitud discreta, es decir, que puede existir como múltiplos una cantidad que está estrechamente vinculada a la frecuencia de las ondas.
Del mismo modo Einstein plantea que la energía es emitida y absorbida en esas mismas porciones y utiliza esto para dar explicación al fenómeno del Efecto Fotoeléctrico lo cual le valió la obtención del premio Nobel. A esta cantidad de energía se le conoce con el nombre de QANTUM.
Otro paso de avance es el relacionado con los modelos atómicos. Recordar que entre estos se pueden destacar el de Rutherford y el de Bohr. Estos modelos sirvieron, en su momento específico, para dar una explicación lo más plausible posible de la estructura del átomo.
El modelo atómico de Rutherford (también conocido como modelo planetario) plantea que el átomo está formado por un núcleo central con carga positiva y que a su alrededor giran los electrones (cargas negativas).
A este modelo se le atribuye como dificultad que no es capaz de explicar el mecanismo de absorción y emisión de energía por el átomo.
Otra dificultad de este modelo es el hecho de que el electrón, al girar en una órbita circular alrededor del núcleo, emitirá continuamente energía por lo que el radio de su órbita irá disminuyendo hasta que caiga en el núcleo. En otras palabras, este modelo no puede explicar la estabilidad del átomo.
El modelo atómico de Bohr es un modelo en el que se tienen electrones girando en órbitas bien definidas alrededor del núcleo y que ocasionalmente realizan cambios de una órbita a otra.
Bohr elimina la inestabilidad del átomo según el modelo de Rutherford postulando que los electrones girarán en órbitas bien definidas y que no pasarán de una órbita a otra a menos que se absorba o emita energía y que esta emisión o absorción de energía se hará en porciones bien definidas y que deben ser múltiplos enteros del Quantum de Planck.
Este modelo tiene como limitación fundamental el hecho que sólo es aplicable a átomos como el de hidrógeno con un solo electrón de importancia para el problema que se analiza.
La teoría cuántica tiene su máximo momento cuando en 1925 se establece la llamada Mecánica Cuántica.
Este avance fue realizado de forma independiente por dos hombres que trabajaron desde diferentes puntos de vista : Heisemberg y Schrodinger.
Es válido aclarar que el término "Mecánica" está más relacionado con un método de trabajo que con el sentido que comúnmente se le da en Física.
Heisemberg desempeñó su trabajo a través del estudio y análisis de los resultados experimentales existentes sobre los espectros y demostró cómo esa información experimental podía ser enmarcada dentro de un sistema de ideas que se dio en llamar Mecánica Matricial.
Los estudios de Schrodinger fueron realizados desde un punto de vista más matemático y encaminados al establecimiento de una teoría armoniosa para describir los fenómenos del micromundo. Tuvo como base para su trabajo las ideas de Louis D´Broglie sobre las ondas asociadas a las partículas y llegó a obtener una bella ecuación conocida como Ecuación de onda de Schrodinger utilizada para la descripción de los fenómenos relacionados con el micromundo.
Schrodinger, inmediatamente después de establecer su ecuación, la aplicó al comportamiento del electrón en el átomo de hidrógeno (átomo más simple existente, posee un solo electrón girando alrededor del núcleo) y obtuvo resultados que no concordaban con el experimento. Esta no concordancia se debió a que en esa época no se conocía de la existencia del spin del electrón.
Esto, por supuesto, fue un gran desengaño para el científico y trajo como consecuencia que abandonara el trabajo por algunos meses. Entonces advirtió que si aplicaba la teoría en forma más aproximada y sin tener en cuenta los refinamientos requeridos por la relatividad, su trabajo concordaba con la observación. Él publicó en un artículo su ecuación con esta aproximación y de esta forma la ecuación de onda de Schrodinger fue presentada al mundo.
Cuando el spin del electrón fue descubierto, la ecuación relativista de Schrodinger concordó plenamente con los resultados experimentales.
De este modo fue establecida la Mecánica Cuántica. Esto llevó a un drástico cambio en el cuadro físico del mundo, quizás el más grande ocurrido en toda la historia de la Física.
Esta teoría nos lleva directamente al establecimiento de un Cuadro Determinista de la naturaleza.
Debemos señalar que esta teoría no obtiene resultados exactos de lo que ocurrirá en el futuro sino que sus resultados son totalmente probabilísticas.
Esto no es del agrado de muchos científicos incluyendo a uno que fue de los que más aportó a esta teoría: Albert Einstein. Pero las reglas de la Mecánica Cuántica son definitivas.
La Teoría Cuántica no está exenta de dificultades. Pero cabe aclarar que el estado actual de las cosas no representa un estado final del problema; es, solamente, un estado más en nuestro cuadro de evolución de la naturaleza del mismo modo que la evolución biológica continuará en el futuro.
El lector que no sea experto en esta materia, pensará que la Teoría Cuántica no es una buena teoría debido a este cúmulo de dificultades. Pero realmente esto no es así.
Como se sabe, y el propio desarrollo histórico de la ciencia lo ha demostrado, siempre se establecerá una nueva teoría que de explicación a las dificultades de la que la precede y que la contenga como caso particular.
En otras palabras, estas dificultades serán el motor impulsor del desarrollo ulterior de esta teoría y ella podrá dar respuesta a muchos nuevos problemas.
Hablemos de un tipo de dificultad que presenta la teoría cuántica.
Estas son las que siempre se mencionan: ¿Cómo podemos formar un cuadro físico consistente amparados en las reglas de la Teoría Cuántica presente?.
Estas dificultades realmente no preocupan a los físicos. Si el Físico sabe cómo calcular resultados y comparar estos con el experimento, estará completamente feliz si existe concordancia plena entre estos y esto es todo lo que ellos necesitan.
Otro tipo de dificultad emana del hecho de que las leyes actuales de la Teoría Cuántica no son siempre adecuadas para dar algún resultado si se aplican a fenómenos que involucren altas energías o pequeñas distancias. En estos casos se obtienen resultados no del todo válidos.
Entonces queda claro que se deben extender los límites de aplicación de la teoría y que algún desarrollo posterior se hace necesario.-
Cabe pensar entonces que en el futuro deberá surgir una teoría que no presente las inconsistencias de la Teoría cuántica (fundamentalmente la relacionada con la decisión de cuáles constantes – la constante de Planck (h), la velocidad de la luz (c) o la carga del electrón (e) – serán fundamentales o no).
Independientemente de que se encuentre o no esta nueva teoría no habrá un retorno al determinismo de la Física Clásica. La evolución sólo avanza hacia delante.
Tendrá que existir un nuevo desarrollo que será completamente inesperado, de modo que no podemos hacer ninguna conjetura sobre esto y que nos tomará todavía amparados en las ideas clásicas.
Este fue el desarrollo del cuadro físico del mundo hasta mediados del siglo XX. El propio tiempo se ha encargado de demostrar que las predicciones aquí hechas fueron acertadas y que los científicos han logrado desarrollar adecuadamente la Teoría Cuántica de modo que pueda explicar los distintos fenómenos que han ido apareciendo en el decursar del tiempo.
1.- Física para estudiantes de ciencias e ingeniería. Parte 2. R. Resnick, D. Halliday. Edición Revolucionaria. Cuba. 1965
2.- Curso de Física General. Tomo 3. S. Frish, A. Timoreva. Editorial MIR. Moscú. 1968.
3.- Cuestiones filosóficas de la Física Moderna. A. V. Shugailin. Ediciones Pueblos unidos. Montevideo. 1962.
4.- The Project Physics Course. Unit 5: models of the atom. Published by Holt, Rinehart and Wiston Inc. New York.
Manuel Ballester Boza
Lic. En Educación en Física.