Ciencia, arte, filosofía (aproximación)

I


Desde mi última adolescencia, periodo en el que entré de lleno en el cuestionamiento del mundo y de mí mismo, el pensamiento ha sido algo que he tratado de encarar, y vivir. Creo que puedo considerarme filósofo. (Oficialmente, tengo grado de licenciado, aunque esa no me parece condición necesaria ni suficiente).Tengo atracción por el saber, curiosidad: «philia» por la «sophia»... Respeto por la idea, y consideración de ella. Trato de aprender. Siempre seré más estudiante que maestro, pues soy consciente de mi ignorancia, y de que mi camino recorrido y el que pueda recorrer intelectualmente antes de mi muerte sólo será la punta del iceberg. Sólo podré disfrutar de chispas de conocimiento, nunca de algo así como un bloque, un núcleo. Creo que la verdad se nos camufla, es escurridiza, velada y se presenta en sus disfraces. Sólo podemos tomar instantáneas de alguna de sus máscaras: eso es lo que creo nos ofrece, nos da, cuando menos a mí. La verdad no se deja capturar, aprehender, cosificar: no se deja adquirir. Sólo se entrega a capturas precisas y fugaces de pantalla: destellos, fogonazos, clarividencias momentáneas - en un instante que dura y vive.
Me interesa quizás la cosmología, me interesa la física pero mi obsesión, mi fijación, es el individuo, soy yo mismo, mis posibilidades -en esta vida.
En su último libro, ¿Qué es la filosofía?, Gilles Deleuze habla de la actividad filosófica de crear el concepto, crear conceptos. Y en esa misma obra expone las interrelaciones entre las tres formas del pensamiento, que son filosofía, ciencia y arte. Un científico se puede embeber del arte para desarrollar su teoría, un artista puede hacer lo mismo con ciencia y filosofía; así, un filósofo puede tener por intercesores una obra artística o un paradigma o teoría de alguna de las ciencias, o varias de ellas, por supuesto.
Si yo me intereso por la física es en cierta medida para comprender la física, por aprender cómo es el mundo desde la perspectiva de la teoría física. Para comprender la materia, el átomo, los campos de fuerzas, la noción de espacio-tiempo, etc. Pero más allá de ello, si me interesa la física es por mí: por mi fijación, por mi idea. Y ya he dicho que esa idea mía, esa fijación es el individuo, soy yo, mis posibilidades, es el ámbito que se llama a veces psicología, a veces ética. Si tenemos en cuenta los más de dosmil quinientos años de pensamiento en Occidente no creo que sea descabellado, sino todo lo contrario, seguir llamando a la preocupación por el yo, por sus posibilidades y existencia, ética . Creo que así debe ser, y clasificada históricamente como una de las ramas de la filosofía, me parece a mí, me sigue pareciendo, la más importante. A mi modo de ver la ética, uno mismo en el mundo, es el catalizador de la curiosidad, de esa philia por el saber.
Así, si yo estudio física y hago un blog como Concepto atómico, en el que me introduzco en las teorías físicas (con un bajo nivel de experiencia-conocimientos por mi parte), si trato de aprender las ciencias necesarias para comprender todo este paradigma cuántico y relativista en el que ha penetrado la física contemporánea, es desde la visión del amigo de la filosofía, del que quiere crear conceptos, y busca en la ciencia un intercesor.
Me interesa la analogía y lo metafórico: por poner un ejemplo, si me interesa la teoría científica que a partir del principio de incertidumbre de Werner Heisenberg es consciente de que todo sistema observador/(aparato de medición) afecta al comportamiento del sistema observado/(objeto sometido a medición) es más que por su realidad en el campo de la física: es por la analogía respecto a mi conducta y lo que observo en el mundo, es más por cómo este enunciado es de interés para mí en lo concerniente a una ética que en lo que atañe al ámbito de la física, en el que tan fundamental es. También me interesa la física, como he dicho, pero lo que más me interesa, y mueve mi pensamiento y mi afán filosófico (en la medida que se dé) es la analogía, lo que se puede desprender de aplicar esa situación (principio de la física contemporánea) a la vida de uno mismo, a la propia ética (o psicología).



II


He pensado dedicar esta entrada del blog a realizar una breve presentación sobre la relación arte-física contemporánea. Creo que muchos nos podemos plantear esta cuestión de las analogías física/vida (ética)... Un Kandinsky, ante la cuestión que trataban los físicos del momento de la inestabilidad del átomo, de la posibilidad de colapso del átomo, dirá:

«Para mí, el colapso del átomo fue como si colapsara el mundo en su totalidad. De repente, los pilares más firmes se desmoronaron... Parecía como si la ciencia se hubiera destruido, como si su base más importante fuera una ilusión, un error de los eruditos...»

Así, pienso, la teoría atómica, evoca imágenes del mundo del individuo, de su vida.

Esta cita aparece en el libro El siglo de la física [V.V.A.A..- El siglo de la física. Ed. Tusquets. Metatemas. 1992], concretamente en el apartado «3. El impacto de la mecánica cuántica sobre la cultura», p.156-160, del capítulo «II.Influencia social y cultural» del ensayo «Las interacciones ciencia-sociedad a la luz de la mecánica cuántica y de su interpretación», escrito por Fritz Rohrlich.

Concluiremos esta parte con unos fragmentos del apartado citado, del propio Rohrlich y de algunos autores citados por él, acabando con el poema de John Lowell.


«El intuicionismo, el dadaísmo y el surrealismo son sólo algunas de las revoluciones (o movimientos) artísticas que se produjeron en aquel tiempo, y son una muestra del desmoronamiento de las antiguas ligaduras (los «pilares más firmes»).
Pero cuando pasamos al impacto de la mecánica cuántica (en los años veinte), parece como si otro pilar se hubiera desmoronado: la causalidad, el determinismo y hasta la simple visualizabilidad de las piezas elementales de la naturaleza parecen haber caído también.» [F. Rohrlich, en Op.cit., p.157]

«En efecto, en tiempos modernos el mundo del arte ha vivido una «revuelta contra el realismo», y la pintura abstracta se ha convertido en la forma de expresión más corriente. En este país, Picasso y Dalí son dos ejemplos destacados. Y así, aunque pocos artistas hayan escrito sobre arte tanto como Kandinsky, parece que hay muchas pruebas de que las opiniones expresadas por él son similares a las de otros artistas de su tiempo.
Se tenía la sensación de que la ciencia había alcanzado un nuevo nivel de abstracción, mucho más próximo al mundo abstracto de las ideas en arte de lo que había sido nunca antes. Y el arte y la ciencia se pueden ahora sintetizar en una imagen del mundo en que la matemática abstracta y el arte abstracto se dan la mano.» [F. Rohrlich, en Op.cit., p.158]

«Varias teorías nuevas de la física nos han demostrado la insuficiencia de los métodos «positivos». Estamos empezando a oir hablar del carácter simbólico de la materia física». El mundo parece estar bajo la influencia de «la acción de unos signos ideales incomprensibles», etc. Como no erudito... quizá podría preguntar... ¿nos encontramos en las vísperas de un fracaso de los métodos puramente positivos? Ciertamente ha sido necesario complementarlos con métodos desconocidos y olvidados, con la ayuda del «subconsciente» y del «sentimiento» -métodos que a menudo se han llamado «místicos»-. El inmenso muro de separación entre el arte y la ciencia se está tambaleando.» [V.Kandinsky, en Op.cit., p.158]

«Tal y como están hoy las cosas, el hecho crucial ha sido que los físicos... hayan tenido que confesar que lo encuentran incomprensible en términos de modos de pensar normales. El impacto de esta aceptación es enorme... la naturaleza -incluso la simple materia muerta que creíamos comprender bastante bien- ha resultado ser mucho más misteriosa de lo que pensábamos.» [C.H.Waddington, en Op.cit., p.158]

«La ciencia moderna ha destruido nuestra fe en la observación ingenua de los sentidos: no podemos saber siquiera, nos dice, cómo es realmente el universo físico.» [W.Auden, en Op.cit., p.159]


OLD POSSUM”S BOOK OF QUANTUM VIVISECTION, por John Lowell [Op.cit., p.160]

El gato de Schrödinger es un gato misterioso, ilustra las leyes;
Las cosas extrañas que hace no tienen causa aparente;
Confunde a los deterministas y les llena de desesperación
Pues cuando tratan de agarrarlo - ¡el gato cuántico ha desaparecido!

El gato de Schrödinger es un gato misterioso, toma decisiones al azar;
Su masa es levemente alterada por una nube de gatitos virtuales;
Las fluctuaciones del vacío dejan su huella en el aire
Pero si tratáis de encontrarlo, ¡el gato cuántico ha desaparecido!

El gato de Schrödinger es un gato misterioso, es muy pequeño y ligero,
Y si intentáis acorralarlo, desaparece por un túnel;
Así cuando el cruel científico lo confina en una caja
Con cápsulas de veneno activadas por extraños relojes atómicos,
No está ni vivo, ni muerto ni mitad y mitad: Yo juraría
Que cuando han determinado el espacio propio - ¡simplemente ha desaparecido!






III



Terminaremos con los párrafos introductorios (*)  y la conclusión (**) de Werner Heisenberg a sus «Reflexiones en torno al «Viaje del arte al interior"» . Estas reflexiones surgen en base al libro de Erich Heller Viaje del arte al interior.

[Heisenberg, Werner.- «Reflexiones en torno al «Viaje del arte al interior"», en Encuentros y conversaciones con Einstein y otros ensayos, p.139-144. Ed. Alianza. 1979.]


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«El desarrollo espiritual que Erich Heller describe en su libro Viaje del arte al interior es manifiesto en numerosos campos -pintura, música, poesía, filosofía-; no es de extrañar que en la ciencia se dé un proceso análogo, que acaso quepa llamar el viaje de la ciencia a la abstracción. Sobre la raíz común de ambas ramas de la evolución cultural llamó ya Goethe indirectamente la atención, al temerlas por igual y advertir insistentemente de sus graves consecuencias.
Dando por buena la consanguinidad de ambos procesos, lo inmediato es replantear -esta vez en relación con la ciencia- las cuestiones que han quedado incontestadas en el viaje del arte al interior, por ver si de la comparación emerge alguna luz. La cuestión más importante es de seguro la siguiente: ¿A dónde conduce este viaje? ¿No es posible definir la meta con un poco más de precisión que la que ofrecen las palabras «el interior» y «la abstracción»? Y ¿qué ocurrirá una vez alcanzada la meta? ¿Dónde estaremos?»  [Heisenberg, p.139]

**
Diríase que nuestro espíritu se defiende con todas sus fuerzas contra la idea de que el camino de la comprensión se aleja de lo intuitivo y visualizable, para al cabo de un número finito de pasos, conducir a la meta. Y junto a ese rechazo quizá vibre el temor de que alcanzada la meta se termine también la ciencia. Craso error. Porque clausurar sólo se pueden sectores aislados de la ciencia -citemos la mecánica, la electricidad, la teoría del calor-, pero nunca la ciencia entera. Cuando hablábamos de «lo visualizable» en las anteriores reflexiones nos referíamos a ese mundo de representaciones que nos impone la experiencia cotidiana y que desde la infancia constituye el presupuesto de que nos podamos mover con soltura en el mundo. No es extraño que nos resistamos con fuerza a sacrificar esa cualidad. Exagerando un poco las cosas quizá quepa decir que en la meta del viaje no habrá mundo ni habrá ya vida, pero sí comprensión y claridad acerca de las ideas con las cuales está construido el mundo.
Mas como quiera que de toda comprensión viva entra siempre a formar parte la cualidad de lo intuitivo y visualizable, llegados a la meta del viaje surge una claridad implacable acerca de las fronteras que limitan la comprensión racional - una aporía que conoce perfectamente la psicología moderna. Sobre la penuria y soledad de la meta nos habla Erich Heller en las últimas páginas de su libro, cerrando con una cita de las reflexiones filosóficas de Wittgenstein que suena a grito de desesperación: «¿Cuál es tu meta en la filosofía? Mostrar a la mosca la salida de la botella.» Y Erich Heller añade: «Aquí no hay salida.» Quizá sea bueno oponer a esta cita unas palabras del físico y filósofo Niels Bohr, en las que los claros y los oscuros se reparten equitativamente: «El sentido de la vida estriba en que no tiene ningún sentido decir que la vida no tiene sentido.» También aquí se formulan las fronteras del pensamiento racional con precisión implacable, pero al mismo tiempo vibra la idea de que cualquier fin es a la vez principio. La circunstancia de que en la ciencia natural se pueda alcanzar la meta tras un número finito de pasos deja abierta la esperanza de que a partir de ahí nazca una clase nueva de pensamiento, una clase que por el momento sólo cabe intuir, pero no describir. [Heisenberg, p.143-144]






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Ondas y corpúsculos. Nubes de probabilidad

Transcribo a continuación los dos primeros apartados del capítulo «Las leyes del mundo submicroscópico», del volumen «Los átomos» [texto de Amadeo Montoto. Ed.Salvat. Grandes temas. 1973].



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1. Ondas y corpúsculos

Los conocimientos actuales sobre la estructura del átomo son siempre de origen indirecto.
Los modelos acerca de la organización de los electrones corticales han sido elaborados a partir de los datos proporcionados por los espectros, y el conocimiento del núcleo deriva de la observación de sus propiedades radiactivas, o bien de la observación de los fenómenos que se producen cuando se le somete a un bombardeo con partículas. En todos los casos, al interpretar lo observado se tiende a usar las imágenes que proporciona la experiencia cotidiana. Los protones, neutrones y electrones son imaginados como pequeñas bolitas extraordinariamente diminutas, el núcleo viene a resultar un agregado, supuestamente ordenado, de éstas, y para describir el movimiento de los electrones se acude a imágenes como la del sistema solar.
Pudiera esperarse que aumentando la potencia de los microscopios se consigan ver, o por lo menos fotografiar, los átomos. Sin embargo, esto es imposible. A partir de cierto límite la única forma de hacer más potente un microscopio es usar radiaciones cuya longitud de onda sea cada vez menor, lo que supone usar fotones cada vez más energéticos. Para llegar a individualizar un átomo se tendrían que usar rayos y de energía elevadísima, o recurrir a microscopios electrónicos o protónicos.
Con ello, se obtendrían precisamente resultados contrarios al buscado: tales radiaciones arrancarían los electrones corticales y probablemente provocarían la destrucción del núcleo. La situación sería muy similar a la que se produciría si, para averiguar lo que hay en el interior de un edificio, se empezara por dinamitarlo, procediendo luego a investigar sus escombros. Ciertamente, se averiguarían muchas cosas, pero escasas conclusiones podrían extraerse acerca de la organización que existía cuando el edificio estaba intacto.
Al hablar de los fotones se ha visto que es imposible explicar su comportamiento, a menos que se le imagine unas veces como ondas y otras como corpúsculos. Con los electrones y demás partículas subatómicas sucede exactamente lo mismo. La observación de un destello luminoso en una pantalla de sulfuro de cinc hace pensar inmediatamente en que algo ha chocado contra la misma, una partícula α o quizás un protón. De la misma forma la fotografía de las trayectorias en una cámara de Wilson sólo puede explicarse pensando que correspondan a las trazas dejadas por algún objeto material. Sin embargo, existen fenómenos en los cuales las partículas subatómicas tienen un comportamiento que sólo puede explicarse si se supone que son ondas en movimiento. Ahora bien, un corpúsculo está localizado en el espacio y en el tiempo, mientras que una onda es extensa y dispersa. ¿Cómo compaginar ambos hechos? La respuesta admitida por la mayoría de los científicos podría expresarse afirmando que “de ninguna forma”. La medida de cualquier magnitud física exige un aparato adecuado, y la operación de medir supone una interferencia entre el aparato de medida y el objeto a observar. Cuando se opera con grandes agrupamientos de materia (macrocosmos) la interferencia resulta despreciable, pero a nivel atómico o subatómico (microcosmos) esto no es cierto.
No es correcto, por tanto, decir que una partícula se comporta como una onda o como un
corpúsculo, sino que el comportamiento observado, en unas determinadas condiciones, es éste o aquél. Onda y corpúsculo son aspectos complementarios, imágenes de una misma realidad inasequible, que la mente humana construye a partir de percepciones macroscópicas.
No faltan contradictores acerca de esta cuestión. Para algunos científicos la dualidad onda-corpúsculo quedaría eliminada introduciendo determinadas hipótesis: los fotones serían siempre ondas y los electrones y demás partículas con masa serían corpúsculos. Para otros se trata de un problema de parámetros, de variables desconocidas a nivel macroscópico, cuya introducción podría solventar tales problemas. Finalmente, para otros se trataría de asignar a cada corpúsculo una onda, algo semejante a la estela que acompaña a un buque que se mueve sobre el agua.



2. ¿Describen órbitas los electrones?

Una de las consecuencias de la interacción entre los aparatos de medida y los objetos de la medición es la imposibilidad de determinar simultáneamente y con precisión la posición y la velocidad de una partícula subatómica (principio de indeterminación de Heisenberg).
Una medida exacta de la posición de un electrón, por ejemplo, supone una perturbación tal de su velocidad que hace imposible conocer su valor. Lo mismo sucede con la posición cuando lo que se mide es la velocidad. De aquí se sigue la imposibilidad de hablar de trayectorias: una trayectoria significa el conocimiento simultáneo de la posición de una partícula, en cada instante, y de la velocidad correspondiente a cada posición. Con esta óptica, los modelos de Bohr y Sommerfeld, muy intuitivos, han de parecer forzosamente limitados.
La hipótesis ondulatoria de la materia, propuesta por De Broglie en 1924, y el principio de indeterminación, formulado por Heisenberg en 1927, alteraron los conceptos de posición, velocidad y orbital electrónico. La solución de los problemas planteados tenía que venir por vías de una innovación, capaz de asociar los nuevos hechos con los resultados positivos de los primeros modelos atómicos. Nació así un nuevo dominio de la física, la mecánica cuántica, que explica coherentemente los fenómenos del microcosmos.
El estado de una partícula o de un sistema subatómico se describe mediante la llamada función de onda, que obedece a la ecuación de Schrödinger, postulada en 1926. Por la resolución de esta ecuación se obtiene en cada caso una función de onda que proporciona información respecto al sistema sometido a estudio. En el caso del átomo de hidrógeno la ecuación de Schrödinger reproduce los niveles de energía de Bohr, pero nada aporta acerca de las trayectorias. La información contenida en la función de onda es de carácter estadístico; para cada nivel de energía, lo único que permite deducir es la probabilidad que los electrones estén en una o en otra posición. Las órbitas electrónicas quedan sustituidas por nubes de probabilidad distribuidas alrededor del núcleo. Todavía se pueden forzar imágenes intuitivas, aunque ello es poco correcto, y pensar que estas nubes son los propios electrones, distribuidos en una zona extensa (imagen ondulatoria), o suponer que representan simplemente las posiciones posibles de un electrón en continuo movimiento,muy densas en las posiciones más probables y difusas en las otras (imagen corpuscular).




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El problema de la materia según Werner Heisenberg

Con el análisis del concepto de la materia en referencia al estudio de la estructura atómica, conjuntamente con el descubrimiento einsteiniano de la teoría de la relatividad, se lleva a cabo la disolución del rígido sistema de la física clásica vigente en el siglo XIX.

En su artículo «El papel de la física moderna en el actual desarrollo del pensamiento humano», incluído en el libro «Física y filosofía»,  el físico Werner Heisenberg comenta la situación del siguiente modo:


«Volviendo ahora a las contribuciones de la física moderna, puede decirse que el cambio más importante producido por sus resultados consiste en la disolución de este rígido sistema de conceptos del siglo diecinueve. Muchas tentativas se hicieron antes, naturalmente, a fin de salir de este marco rígido que parecía evidentemente demasiado estrecho para una comprensión de las partes fundamentales de la realidad. Pero no se veía qué habría de erróneo en conceptos tales como materia, espacio, tiempo y causalidad, que tan grandes éxitos obtuvieron en la historia de la ciencia. Sólo la investigación experimental misma, llevada a cabo con todo el refinado equipo que la ciencia técnica pudo ofrecer, y su interpretación matemática, proporcionaron las bases para un análisis crítico —o, podría decirse, obligaron al análisis crítico— de estos conceptos, y terminaron finalmente con la disolución del sistema rígido.
La disolución se llevó a cabo en dos etapas distintas. La primera fue el descubrimiento, mediante la teoría de la relatividad, de que hasta los conceptos fundamentales tales como los de espacio y tiempo podían ser cambiados, y que de hecho debían ser cambiados, de acuerdo con la nueva experiencia. Este cambio no concernía a los conceptos más bien vagos de espacio y tiempo del lenguaje ordinario, pero sí a su precisa formulación en el lenguaje científico de la mecánica de Newton, que fue equivocadamente aceptada como definitiva. La segunda etapa fue el análisis del concepto de la materia impuesto por los resultados experimentales concernientes a la estructura atómica. Es probable que la idea de la realidad de la materia haya sido la parte más firme de ese rígido marco de conceptos del siglo diecinueve, y esta idea tenía por lo menos que ser modificada en relación con la nueva experiencia. Una vez más los conceptos, en tanto pertenecían al lenguaje ordinario, permanecían intactos. No hubo dificultad para hablar de la materia, o de los hechos, o de la realidad, cuando había que describir los experimentos atómicos y sus resultados. Pero la extrapolación científica de estos conceptos dentro de las partes más pequeñas de la materia no podía hacerse de la sencilla manera sugerida por la física clásica, aun cuando había determinado equivocadamente la perspectiva general sobre el problema de la materia.»

[Heisenberg, Werner.- «Física y filosofía», p. 169-170. Ed. La isla. Buenos Aires. 1959.]




Transcribo a continuación los pasajes centrales entorno a la cuestión de la interpretación de la materia que lleva a cabo Werner Heisenberg en el artículo «La teoría cuántica y la estructura de la materia», también incluído en su libro «Física y filosofía».



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Cuando la ciencia natural investiga el problema de la materia, sólo puede hacerlo mediante el estudio de las formas de la materia. La infinita variedad y mutabilidad de las formas de la materia deben constituir el objeto inmediato de la investigación, y los esfuerzos deben orientarse hacia la búsqueda de algunas leyes naturales, de algunos principios unificadores que puedan servir de guía a través de este inmenso campo. Por consiguiente, la ciencia natural —y especialmente la física— ha concentrado su interés, durante largo tiempo, en un análisis de la estructura de la materia y de las fuerzas responsables de esta estructura.

[FyF, p.124]


A comienzos del siglo diecinueve se encontraron algunas pruebas de la relación entre los diferentes elementos en el hecho de que los pesos atómicos de los diferentes elementos parecían ser múltiplos enteros de la unidad más pequeña próxima al peso atómico del hidrógeno. La similaridad del comportamiento químico de algunos elementos fue otra manifestación que llevaba en la misma dirección. Pero solamente el descubrimiento de fuerzas mucho más poderosas que las aplicadas en los procesos químicos podía establecer realmente la relación entre los diferentes elementos y, consecuentemente, conducir a una precisa unificación de la materia.
En realidad, estas fuerzas se encontraron en el proceso radiactivo descubierto por Becquerel en 1896. Las investigaciones sucesivas de Curie, Rutherford y otros, revelaron la trasmutación de los elementos en el proceso radiactivo. En esos procesos, las partículas alfa eran emitidas como fragmentos de los átomos con una energía de más o menos un millón de veces mayor que la energía de una sola partícula atómica en un proceso químico. Por consiguiente, estas partículas podían utilizarse como herramientas para la investigación de la estructura íntima del átomo. El resultado de los experimentos de Rutherford sobre la dispersión de los rayos alfa fue el modelo nuclear del átomo de 1911. La imagen más importante de ese tan conocido modelo fue la separación del átomo en dos partes bien diferenciadas, el núcleo atómico y los haces electrónicos de su contorno. En el medio del átomo, el núcleo sólo ocupa una fracción extremadamente reducida del espacio ocupado por el átomo (su radio es unas mil veces más pequeño que el del átomo), pero contiene casi toda su masa. Su carga eléctrica positiva, que es un múltiplo entero de la llamada carga elemental, determina el número de los electrones del contorno —el átomo, como un todo, debe ser eléctricamente neutro— y las formas de sus órbitas.

[FyF, p.125-126]


Las propiedades químicas y otras de los átomos podían explicarse con la aplicación del esquema matemático de la teoría cuántica a los haces electrónicos. Partiendo de esta base era posible extender el análisis de la estructura de la materia en dos opuestas direcciones. Se podía estudiar la interacción de los átomos, su relación con unidades más grandes, como las moléculas, los cristales o los objetos biológicos; o se podía, mediante la investigación del núcleo atómico y sus componentes, tratar de penetrar la unidad final de la materia.

[FyF, p. 127]


Las fuerzas existentes entre los átomos vecinos son primariamente fuerzas eléctricas, las de la atracción de las cargas opuestas y las de repulsión de las cargas iguales; los electrones son atraídos por los núcleos y se repelen entre sí. Pero estas fuerzas no actúan de acuerdo con las leyes de la mecánica de Newton sino según las de la mecánica cuántica.
Esto conduce a dos diferentes tipos de relaciones entre los átomos. En uno de ellos el electrón de un átomo se traslada al otro, por ejemplo, para llenar un hueco en su corteza electrónica casi completa. En este caso, ambos átomos están finalmente cargados y forman lo que los físicos denominan iones, y, puesto que sus cargas son opuestas, se atraen mutuamente.
En el segundo tipo, un electrón pertenece, de un modo propio de la teoría cuántica, a ambos átomos. Usando la imagen de la órbita electrónica, puede decirse que el electrón gira en torno de ambos núcleos empleando una parecida cantidad de tiempo tanto en uno como en otro átomo. Este segundo tipo de relación corresponde a lo que los químicos llaman enlace de valencia.
Estos dos tipos de fuerzas, que pueden presentarse en cualquier mezcla, provocan la formación de varios grupos de átomos y parecen ser finalmente responsables de todas las complicadas estructuras de la materia macroscópica, que se estudian en la física y la química. La formación de los compuestos químicos tiene lugar mediante la formación de pequeños grupos cerrados de átomos diferentes, constituyendo cada grupo una molécula del compuesto. La formación de los cristales es debida al ordenamiento de los átomos en enrejados regulares. Los metales se forman cuando los átomos están tan apretadamente compactos que sus electrones exteriores pueden abandonar su corteza y errar por todo el cristal. El magnetismo se debe al movimiento centrífugo de los electrones, y así sucesivamente.
En todos estos casos, el dualismo entre materia y fuerza puede aún ser retenido puesto que los núcleos y los electrones pueden ser considerados como fragmentos de la materia que se mantienen unidos en virtud de fuerzas electromagnéticas.

[FyF, p.127-128]



Ahora tenemos que emprender el camino inverso, y seguir la línea de investigación desde las partes exteriores del átomo hacia las interiores y desde el núcleo hasta las partículas elementales. Es esta dirección la que posiblemente ha de conducirnos a una comprensión de la unidad de la materia; y aquí no tenemos por qué asustarnos si destruimos las estructuras características con nuestros experimentos. Al poner en marcha la tarea de probar la unidad última de la materia, podemos exponer la materia a las mayores fuerzas posibles y a las condiciones más extremas para ver si una materia cualquiera puede ser finalmente trasmutada en cualquier otra materia.
El primer paso en esta dirección fue el análisis experimental del núcleo atómico. En el período inicial de estos estudios, que ocuparon casi las tres primeras décadas de nuestro siglo, las únicas herramientas aprovechables para los experimentos fueron las partículas alfa emitidas por los cuerpos radiactivos. Con la ayuda de estas partículas, Rutherford consiguió, en 1919, la trasmutación de los núcleos de los elementos livianos; pudo, por ejemplo, trasmutar un núcleo de nitrógeno en un núcleo de oxígeno agregando la partícula alfa al núcleo de nitrógeno y expulsando al mismo tiempo un protón. Este fue el primer ejemplo de procesos en escala nuclear que recordaron los procesos químicos, pero que condujeron a la trasmutación artificial de los elementos. El siguiente progreso sustancial fue, como bien se sabe, la aceleración artificial de los protones con equipos de alta tensión que les imprimían energías suficientes para provocar la trasmutación nuclear. Para esto se requieren voltajes de cerca de un millón de voltios, y Cockcroft y Walton lograron, en sus primeros experimentos decisivos, trasmutar los núcleos del elemento litio en los del helio. Este descubrimiento inició una rama de investigación completamente nueva, que puede llamarse apropiadamente física nuclear, y que muy pronto condujo a una comprensión cualitativa de la estructura del núcleo atómico.

[FyF, p.130-131]


Así se ha obtenido finalmente una descripción de la materia en la cual, en vez de los numerosos elementos químicos, sólo se presentan tres unidades fundamentales: el protón, el neutrón y los electrones. Toda materia consiste en átomos y, por consiguiente, está construida con esas tres piedras básicas. Esto no era aún la unidad de la materia pero sí un gran paso hacia la unificación, y quizá hacia algo todavía más importante: la simplificación. Quedaba todavía por recorrer un largo trecho desde el conocimiento de las dos piedras básicas del núcleo hasta la completa comprensión de su estructura. El problema era aquí algo distinto del correspondiente a las envolturas atómicas exteriores que había sido solucionado a mediados de la segunda década. En los haces electrónicos, las fuerzas existentes entre las partículas se conocían con gran exactitud, pero había que encontrar las leyes dinámicas, y éstas se hallaron en la mecánica cuántica. Bien pudo suponerse que para el núcleo las leyes dinámicas fueran precisamente las de la mecánica cuántica, pero las fuerzas existentes entre las partículas no se conocían por anticipado; tenían que derivar de las propiedades experimentales de los núcleos. Este problema aún no ha sido solucionado por completo. Probablemente las fuerzas no tengan una forma tan simple como las de las fuerzas electrostáticas de los haces electrónicos y, en consecuencia, la dificultad matemática de computar las propiedades de esas fuerzas complicadas y la imprecisión de los experimentos obstaculizó el progreso. Pero se había logrado una definitiva comprensión cualitativa de la estructura del núcleo.

[FyF, p.131-132]


Quedaba entonces el problema final, el de la unidad de la materia. ¿Son estas piedras básicas —protón, neutrón y electrón— unidades en último término indestructibles de la materia, átomos en el sentido de Demócrito, sin ninguna relación como no sea con las fuerzas que actúan entre ellas, o sólo son formas diferentes de la misma clase de materia? ¿Pueden a su vez trasmutarse unas en otras, y posiblemente también en otras formas de materia?

[FyF, p.132]


Además de las tres piedras básicas de la materia —electrón, protón y neutrón—, se han encontrado nuevas partículas elementales que pueden ser creadas en esos procesos de altísimas energías para volver a desaparecer tras corto tiempo. Las nuevas partículas poseen propiedades similares a las de las antiguas, excepto en lo que hace a su inestabilidad. Hasta las más estables tienen una vida de casi sólo una millonésima de segundo, y la vida de las otras es hasta mil veces más reducida. Actualmente se conocen alrededor de veinticinco diferentes partículas elementales nuevas; la más reciente es el protón negativo.
A primera vista estos resultados parecen sugerir el abandono de la idea de la unidad de la materia, puesto que el número de unidades fundamentales parece haber vuelto a aumentar hasta valores comparables con la cantidad de diferentes elementos químicos. Pero esta no sería una interpretación apropiada. Al mismo tiempo, los experimentos han mostrado que las partículas pueden crearse a partir de otras partículas o simplemente de la energía cinética de tales partículas, y pueden volver a desintegrarse en otras partículas. En realidad, los experimentos han demostrado la completa mutabilidad de la materia. Todas las partículas elementales pueden, sometidas a energías suficientemente elevadas, ser trasmutadas en otras partículas o pueden ser simplemente creadas de la energía cinética y desaparecer en energía, por ejemplo, en radiación. Por consiguiente, con esto tenemos, en realidad, la prueba final de la unidad de la materia. Todas las partículas elementales están hechas de la misma sustancia, que podemos llamar energía o materia universal; ellas no son más que las diferentes formas en que puede presentarse la materia.

[FyF, p.133-134]




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Los inicios de la teoría atómica moderna (explicación de Louis V. de Broglie)

Transcribo a continuación un fragmento de una entrevista al físico Louis Victor de Broglie, premio Nobel de Física en 1929 que expusiese una teoría sobre las ondas de materia que daría origen a la mecánica ondulatoria desarrollada por Schrödinger. Aquí de Broglie describe los inicios de la teoría atómica moderna.


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¿Cómo se pasó de los planteamientos atomistas a las consideraciones científicas respecto al átomo?

Con la química del siglo XIX y el descubrimiento de las leyes de discontinuidad química. Por otra parte, los químicos de la segunda mitad del siglo XIX también le dedicaron su atención, y de ahí partió la teoría atómica de la materia, más o menos basada en la teoría cinética de los gases. Los físicos llegaron a la certeza de que el átomo era un complejo edificio del que había que determinar la estructura, y para esta labor pusieron a contribución sus conocimientos sobre la naturaleza de la electricidad. Desde el siglo XVIII sabemos que hay electricidad positiva y electricidad negativa, y que la electricidad se relaciona con el fenómeno del magnetismo. Se planteó para la electricidad la misma cuestión que para la materia: saber si poseía una estructura discontinua. Las leyes de la electrólisis, descubiertas por Faraday, parecían indicar la existencia de esta discontinuidad; al descubrir los electrones (corpúsculos elementales de electricidad negativa) la discontinuidad de la electricidad negativa se hizo patente. Hacia 1900 se planteó si la electricidad positiva poseía, como la negativa, una estructura granular. Después de la experiencia de E. Rutherford, hacia 1910 los físicos se pusieron de acuerdo para adoptar su modelo, en el que se consideraba el átomo como un sistema solar en el cual el núcleo desempeñaba el papel del Sol, y los electrones el de los planetas.


¿Cómo se diferencian los átomos?

En su estado normal, un átomo debe ser neutro y contener tanta electricidad positiva como negativa. Por tanto, si en un átomo hay un número Z de electrones cuya carga negativa es -e, el núcleo debe de tener la carga + Ze. Lo que diferenciará, entonces, los distintos tipos de átomos (por ejemplo, un átomo de plomo de un átomo de plata) es el valor del número entero de los electrones periféricos. El número atómico no es otra cosa que el número de orden de elementos químicos en una clasificación de elementos establecida desde 1896 por Mendeleev. Esta serie contiene 92 elementos, que normalmente se hallan en la naturaleza y de los que el más ligero es el hidrógeno y el más pesado el uranio, cuyo peso atómico se aproxima a 238. A partir del modelo atómico de Rutherford, Niels Bohr desarrolló en 1913 su teoría científica del átomo, que luego, junto a las nuevas ideas de la mecánica ondulatoria, proporcionó a los físicos una interpretación muy completa de lo que ocurre en la periferia del átomo. Sólo hacia 1930 se empezó a conocer lo que ocurría en el núcleo atómico.




De Broglie, Louis Victor, en Montoto, Amedeo.- Los átomos, p.10-14. Ed. Salvat. 1973.

La hipótesis cuántica: Max Planck y Albert Einstein

Comenzaremos este blog dedicado a realizar una aproximación conceptual a la física contemporánea exponiendo el que fue su momento inaugural, a buen seguro. Éste vino dado por el descubrimiento por Max Planck de la Ley de radiación calórica (Ley de Planck).
La ley de Planck habría de tener unas consecuencias que ya estaba viendo su conservador descubridor. Aunque Planck tratase de hacer coincidir sus concepciones surgidas de la nueva ley encontrada con las concepciones de la física clásica, pronto vio que tal cosa no sería posible, que la física habría de entrar en un nuevo paradigma, rompedor con lo anterior, que «afectaba a los fundamentos de nuestra descripción de la naturaleza» [Heisenberg, Werner. Física y filosofía, p.18 (Ed. La isla. Buenos Aires, 1959)]. Fue en diciembre de 1900 cuando Planck publicaría la hipótesis del cuanto.
Según la idea de Planck la energía sólo podía ser emitida o absorbida en cuantos discretos de energía. «Al mismo tiempo éste fue, para Planck, el comienzo de un intenso trabajo de investigación teórica. ¿Cuál era la correcta interpretación física de la nueva fórmula? Puesto que a partir de sus primeros trabajos Planck pudo traducir fácilmente su fórmula en una afirmación acerca del átomo radiante (llamado el oscilador), pronto debió haber encontrado que su fórmula parecía indicar que el oscilador sólo podía poseer cantidades discretas de energía.» [Heisenberg, W. Ibid.] Planck había transformado el problema de la radiación, que no se lograba solucionar mediante los fallidos intentos de Jeans y Lord Raileigh, en el problema del átomo radiante. Así, de un problema que no provenía de lo esencial de la física atómica, el siglo XX se verá introducido en la cosmovisión de la teoría cuántica.
Desarrollaría las concepciones revolucionarias de la hipótesis cuántica, cinco años más tarde, Albert Einstein, en torno a los problemas de 1) el efecto fotoeléctrico y 2) el calor específico de los cuerpos sólidos.
1) Según las experiencias de Lenard la energía de los electrones emitidos por los metales bajo la influencia de la luz no dependía de la intensidad de la luz sino de su frecuencia. «Esto no se podía entender sobre la base de la teoría tradicional de la radiación. Einstein pudo explicar las observaciones interpretando que la hipótesis de Planck asevera que la luz consiste en cuantos de energía que atraviesan el espacio. La energía de un cuanto de luz debía ser, de acuerdo con las suposiciones de Planck, igual a la frecuencia de la luz multiplicada por la constante de Planck.» [Heisenberg, W. Op.cit., p.19]
2) Si la tradicional fórmula de Raileigh-Jeans se ajustaba a observaciones a altas temperaturas, mas no a bajas, Einstein demostró que los valores de calor específico podían comprenderse aplicando la hipótesis cuántica a las vibraciones elásticas del átomo del cuerpo sólido.
Heisenberg explica la importancia que tendrían estos hechos para el porvenir de la física cuántica: «Estos dos resultados significaron un notable avance, puesto que revelaron la existencia del cuanto de acción de Planck —como acostumbran los físicos a llamar su constante— en varios fenómenos que no se relacionaban directamente con la radiación de calor. Revelaban, al mismo tiempo, el carácter profundamente revolucionario de las nuevas hipótesis, ya que la primera de ellas conducía a una descripción de la luz completamente diferente de la imagen ondulatoria tradicional. Podía interpretarse que la luz consistía, bien en ondas electromagnéticas, según la teoría de Maxwell, bien en cuantos de luz, paquetes de energía que atraviesan el espacio con la velocidad de aquélla. ¿Pero podía consistir en ambas cosas? Einstein sabía, naturalmente, que los fenómenos bien conocidos de difracción e interferencia sólo podían explicarse sobre la base de la imagen ondulatoria. No podía refutar la contradicción que existía entre esta imagen ondulatoria y la idea de cuantos de luz; y no intentó siquiera eliminar la inconsistencia de su interpretación. Tomó, simplemente, la contradicción como algo que quizá habría de entenderse sólo mucho más tarde.»  [Heisenberg, W. Opus.cit., p.19-20]


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Ley de Planck (wikipedia)

Presentación

En Concepto atómico nos aproximaremos a las concepciones de la física (en especial la contemporánea) y de ciencias interrelacionadas como estudio de unas perspectivas abiertas y fecundas para la forja de un pensamiento conceptual. A mi modo de ver no hay filosofía que pueda desarrollarse lejos de las concepciones físicas que dieron un vuelco paradigmático al pensamiento del siglo XX, principalmente a partir de una teorización de lo relativo a los átomos.
Como filósofo vuelvo sobre esta materia a partir del estudio del atomismo de los antiguos griegos: me refiero a la filosofía que surje a partir de Demócrito y que llega a su cénit con Epicuro. El epicureísmo me parece un sustrato filosófico muy aplicable dentro del ámbito de la filosofía y del pensamiento actuales. No obstante, toda esa teorización que se llevó a cabo en la Antigua Grecia ha encontrado radicales, destacados desarrollos desde el surgimiento de la ciencia moderna y muy principalmente desde que se estudiara en profundidad el mundo atómico y sus consecuencias dentro de la cosmovisión física contemporánea con Einstein, Planck, Schrödinger, Heisenberg y demás físicos. Es desde entonces que se ha hecho posible restablecer un puente entre el pensamiento filosófico y el científico, también asociado plenamente al mundo del arte. Hablamos de una tríada que permanece, debe permanecer interconectada en todas sus dimensiones.
Para esta aproximación al mundo de la física partiremos de mi visión, que tiene escasos conocimientos y disposiciones actualmente dentro del ámbito de la formulación matemática y física. Si bien trataremos de ir adquiriendo paulatinamente algunos conocimientos en este sentido, nos dedicaremos en este blog, en mayor medida, a aproximarnos a las ideas de los científicos en cuanto que puedan afectar a nuestra cosmovisión y problemática ética, filosófica, más que en su detalle argumentativo. Esta aproximación tratará de ser, pues, una conceptualización -que es lo propio de la filosofía. Entenderemos aquí que la ciencia nos da claves aplicables a la vida, la propia vida, y es en este sentido que considero estar tratando de filosofía. Trataremos de átomos y relatividad, y con ello de naturaleza y vida.


Gracias y saludos cordiales.

Átomo (foto-manipulación: Nacho Millet)