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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