Teorías Físicas: dificultades y
evolución
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.