Gerard’t Hooft JOSÉ MANUEL SÁNCHEZ RON Partículas … · 2017. 7. 18. · Las matemáticas del...

Gerard’t Hooft, premio Nobel de Física en 1999, nos ofrece en este libro una fascinante narración personal, de corte

detectivesco, de uno de los períodos más creativos e intere-santes de toda la historia de la física: la búsqueda de la

estructura básica de la materia. En la primera parte, el autor nos ofrece un brillante resumen de todo lo que sabemos sobre el mundo de las moléculas, los

átomos y los núcleos atómicos, mientras que en la segunda se ocupa de los avances conseguidos en el estudio de las

partículas elementales durante los últimos años y de cómo se llegó a desarrollar la poderosa síntesis teórica

denominada «teoría estándar». Pero este libro no se limita a dar testimonio de los resultados alcanzados en los últimos años en una de las ramas básicas y

más innovadoras de la física. En los últimos capítulos Gerard’t Hooft también da rienda suelta a su imaginación

—una imaginación, por supuesto, perfectamente controlada e informada— especulando sobre la existencia de estructu-

ras aún más pequeñas que las que sabemos que existen, sobre agujeros negros o sobre la teoría de la gran unificación, y

señalando los posibles caminos por los que puede discurrir la investigación científica en el futuro inmediato.

Ian StewartLas matemáticas del cosmos

Luigi Luca Cavalli-SforzaGenes, pueblos y lenguas

Stephen Jay GouldLa falsa medida del hombre

Stephen HawkingAgujeros negros

James GleickViajar en el tiempo

José Mª Bermúdez de CastroEl chico de la Gran DolinaEn los orígenes de lo humano

Leonard MlodinowEl arco iris de FeynmanLa búsqueda de la belleza en la física y en la vida

Walter AlvarezEl viaje más improbableCatorce mil millones de años de historia cósmica…

Robert Boyle El químico escéptico

Gerard ‘t Hooft, profesor de Física Teórica en la Universidad de Utrech, es miembro de numerosas asociacio-nes científicas y ha colaborado con entidades de prestigio tanto europeas como norteamericanas. Además del premio Nobel de Física (1999), sus investigaciones en el campo de la física de partículas han merecido distinciones como el Premio Wolf de Israel (1982), el Pío XI del Vaticano (1983), el Spinoza (1995) o el de la Eu-ropean Physical Society (1999). Ha sido nombrado oficial de la legión de honor de Francia (2001) y doctor honoris causa por varias universidades. Sus descubrimientos han contribui-do enormemente a la visión unitaria que ahora se tiene de las partículas elementales que conforman nuestro universo.

www.ed-critica.es

PVP 13,95 € 10190260

DirectorJOSÉ MANUEL SÁNCHEZ RON

Últimos títulos publicados

Partículas elementales

Gerard’t HooftGerard’t Hooft

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t H

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Imagen de cubierta: © Jaime Fernández

Diseño de cubierta: © Jaime Fernández

Gerard’t Hooft

Partículas elementalesEn busca de las estructuras más pequeñas del universo

001-256 Particulas elementales (SC).pdf 2 14/02/2013 11:42:04

Gerard ‘t Hooft PARTÍCULASELMENTALESEN BUSCA DE LAS ESTRUCTURASMÁS PEQUEÑAS DEL UNIVERSO

Traducción castellana deIgnacio Zúñiga

BARCELONA

003-126544-PARTICULAS ELEMENTALES.indd 5 25/05/17 9:42

A mi madre

A la memoria de mi padre

A Betteke, Saskia y Ellen


Primera edición: noviembre de 2001Primera edición en esta nueva presentación: septiembre de 2017

Partículas elementalesGerard’t Hooft

No se permite la reproducción total o parcial de este libro,ni su incorporación a un sistema informático, ni su transmisiónen cualquier forma o por cualquier medio, sea éste electrónico,

mecánico, por fotocopia, por grabación u otros métodos,sin el permiso previo y por escrito del editor. La infracción

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Puede contactar con CEDRO a través de la web www.conlicencia.como por teléfono en el 91 702 19 70 / 93 272 04 47

Título original: In Search of the Ultimate Building Blocks

© Gerard’t Hooft, 1996

© de la traducción, Ignacio Zúñiga, 2001

© Editorial Planeta S. A., 2017Av. Diagonal, 662-664, 08034 Barcelona (España)

Crítica es un sello editorial de Editorial Planeta, S. A.

[email protected]

ISBN: 978-84-17067-27-4Depósito legal: B. 15272 – 2017Fotocomposición: Víctor Igual

2017. Impreso y encuadernado en España por Huertas Industrias Gráficas S. A.

003-126544-PARTICULAS ELEMENTALES.indd 6 3/7/17 13:09

Van der Waals, fuerza de, 17, 18Van der Waals, J. D., 18Van Kampen, N. G., 11, 77-78Van Nieuwenhuizen, P., 178variables ocultas, hipótesis de las, 30vectores, 83Veltman, M. J. G., 11, 81, 87, 88, 90,

91, 103, 107, 108-109, 119, 140,158, 199

Veneziano, G., 115Veneziano, fórmula de, 115, 121-122,

207, 211, 225

W, partícula, 47, 88, 101, 102, 108,112, 147, 148, 152, 174, 179, 180,191, 194

Walters, P., 11 n.Ward, J. C., 100; véase también Wein-

berg-Salam-Ward, modelo deWeinberg, S., 101, 109, 127, 189, 190Weinberg-Salam-Ward, modelo de,

100-102, 108, 109, 111, 114, 132-133, 147, 159-160, 189

Wess, J., 178Wheeler, J. A., 220Wilczek, F., 119

WIMP (Weakly Interacting MassiveParticles), 176, 187

Wit, B. de, 180Witten, E., 212, 228Wolfenstein, L., 174

X, partícula, 193, 193, 194Xi (X), partícula, 43

Yang, C. N., 61, 85, 86, 108Yang-Mills, campos de, 85, 106,

110, 111, 119-120, 143, 151, 158,164

Yang-Mills, fotones de, 86, 87-88, 99,100, 101-102, 110, 111, 118, 120,122, 208, 211

Yang-Mills, modelo de, 85-93, 99,100, 102, 107, 110, 116, 118, 119,122, 134, 159, 199

Yukawa, H., 40-41

Z0, partícula, 47, 101, 102, 108, 112,147, 148-149, 151-153, 152, 172,174, 176, 179, 180, 191, 194

Zumino, B., 129-130, 178Zweig, G., 69

254 Partículas elementales


Índice

Prefacio: una disculpa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1. El principio del viaje hacia lo pequeño: cortando papel. . . . . . 132. Hacia las moléculas y los átomos . . . . . . . . . . . . . . 173. El misterio mágico de los cuantos . . . . . . . . . . . . . . 234. Velocidades deslumbrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 315. El zoo de las partículas elementales antes de 1970 . . . . . . . 396. La vida y la muerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517. Los locos Kaones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578. Los Quarks invisibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659. ¿Campos o cordones? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7110. La bonanza Yang-Mills . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8311. El vacío superconductor: la máquina de Higgs-Kibble . . . . . . 9512. Modelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10513. Coloreando las interacciones fuertes . . . . . . . . . . . . 11514. El monopolo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . 12915. Gypsy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13516. La brillantez del modelo estándar . . . . . . . . . . . . . . 14317. Anomalías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15718. La engañosa perfección. . . . . . . . . . . . . . . . . . 16719. Pesando neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17120. El gran desierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17721. Technicolor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18322. La gran unificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18923. La supergravedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19524. El espacio-tiempo de once dimensiones . . . . . . . . . . . 20325. Sujetando la supercuerda . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

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001-256 Particulas elementales (SC).pdf 255 14/02/2013 11:42:27003-126544-PARTICULAS ELEMENTALES.indd 255 25/05/17 9:44

26. En el agujero negro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21727. Las teorías que aún no existen . . . . . . . . . . . . . . . 22528. El dominio de la ley de lo más pequeño . . . . . . . . . . . 229

Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237Indice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247



apoyado incluso cuando esto significaba que durante las vacaciones de-dicara más atención a un pequeño ordenador portátil que a ellos. Cuandopensaba que había terminado la traducción inglesa recibí una gran ayudade Mrs. Robin Mize para corregir mi defectuoso inglés.



1

El principio del viaje hacia lo pequeño: cortando papel

Empecemos nuestro viaje hacia el mundo de lo pequeño con lo que po-demos ver a simple vista y con esas leyes de la física a las que esta-

mos acostumbrados. Tome un gran trozo de papel y dóblelo para hacer unavión. Puede partir el papel por la mitad y hacer dos aviones más peque-ños. También podría volver a cortar cada uno de los trozos y hacer avio-nes cada vez más pequeños. Las propiedades del papel y las reglas paradoblarlo en forma de avión no cambian excepto que los aviones seráncada vez de menor tamaño. Progresivamente, sin embargo, según se con-tinúa cortando el papel en trozos cada vez más pequeños, se irá haciendomás difícil hacer los aviones y, finalmente, se encontrará con que sólo lequedan pequeñas fibras de lo que una vez fueron trozos de papel utiliza-bles. La propiedad de «poder ser doblado en un avión» se ha perdido.

Una situación similar es la que encontramos si empezamos a repartirun cubo de agua en cubos más pequeños. Las propiedades físicas delagua tales como que fluye de arriba abajo seguirán siendo las mismashasta que, al final, no tengamos más que una gota de agua. Uno no pue-de verter gotas de agua de arriba abajo, hay que sacudirlas.

Todos los niños que juegan con coches de juguete o muñecas sabenque se puede imitar el mundo de los mayores a una escala menor. El es-critor Jonathan Swift se basó en este hecho para escribir sus famosas his-torias. Un aventurero llamado Gulliver llegó a la tierra de Lilliput, en lacual habitaban personas diminutas. Allí todo era muy pequeño: la natu-raleza, las plantas y animales, todo estaba escalado a tamaño pequeño. Élmismo se veía allí como un gigante: «el hombre montaña». Llegó inclusoa extinguir un peligroso fuego en el palacio real orinando sobre él.

•


Durante otro viaje, las fuerzas milagrosas del destino llevaron a Gu-lliver a un país llamado Brobdingnag, donde la gente y todos los seresanimados e inanimados eran mucho más grandes que él. Allí era un ena-no, mimado por una niña pequeña llamada Glumdalclitch. Al final, Gu-lliver es recogido en su jaula por un águila que lo deja caer en el mar dedonde lo rescatan unos marineros de tamaño normal que escuchan su his-toria con incredulidad.

Y tenían razón en no creerle. No importa lo bien contadas que estén,esas historias tienen puntos oscuros. Sabemos, por ejemplo, que las lla-mas de las velas pequeñas son aproximadamente del mismo tamaño quelas de las velas grandes. ¿De qué tamaño eran las llamas de las velas enLilliput? Y cuanto más se piensa más cuestiones surgen: ¿cómo eran degrandes las gotas de la lluvia en Lilliput y en Brobdingnag?, ¿eran las le-yes físicas para el agua diferentes allí que en nuestro propio mundo? Y,finalmente, los físicos preguntarían: ¿de qué tamaño eran los átomos enesos lugares?, ¿qué clase de reacciones químicas podrían tener lugar conlos átomos del cuerpo de Gulliver?

Con esas preguntas las historias fallan. La verdadera razón por la quelos mundos de Los viajes de Gulliver no pueden existir es que las leyesde la naturaleza no permanecen exactamente iguales cuando se cambia laescala. A veces esto es evidente en las películas de desastres, donde qui-


Figura 1. Cortes de papel y los aviones que se hacen con ellos.


zá se ha construido una maqueta a escala para simular una gran ola o unrascacielos incendiado. Los mejores resultados se obtienen cuando elfactor de escala para el tiempo se elige igual a la raíz cuadrada de la es-cala espacial. Así, si el rascacielos se construye a escala de 1:9, hay querodar la película a un 1/3 de su velocidad real. Pero incluso así, el ojo en-trenado notará las diferencias entre lo que sucede en la película y lo quese observaría en el mundo real.

En resumen, las leyes que gobiernan el mundo físico tienen dos ca-racterísticas importantes: muchas leyes de la naturaleza permanecen in-variables cuando cambia la escala, pero hay otros fenómenos, tales comouna vela encendida o las gotas de agua, que no cambian del mismomodo. La implicación final es que el mundo de los objetos muy peque-ños será completamente diferente del mundo ordinario.

El principio del viaje hacia lo pequeño: cortando papel 15



2

Hacia las moléculas y los átomos

Justamente en el mundo de los seres vivos la escala crea importantesdiferencias. En muchos aspectos, la anatomía de un ratón es una co-

pia de la de un elefante, pero mientras que un ratón puede trepar por unapared de piedra prácticamente vertical sin mucha dificultad (y se puedecaer desde una altura varias veces mayor que su propio tamaño sin ha-cerse gran daño), un elefante no sería capaz de realizar semejante haza-ña. Con bastante generalidad se puede afirmar que los efectos de la gra-vedad son menos importantes cuanto menores sean los objetos queconsideramos (sean vivos o inanimados).

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que para ellos no haydistinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del aguaes mucho más importante que la fuerza de la gravedad. Basta observarque la tensión superficial es la fuerza que da forma a una gota de agua ycomparar el tamaño de esa gota con los seres unicelulares, muchísimomenores, para que sea evidente que la tensión superficial es muy impor-tante a esta escala.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculasy los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamosfuerza de Van der Waals. Esta fuerza de Van der Waals tiene un alcancemuy corto. Para ser precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza auna distancia r es aproximadamente proporcional a 1/r7. Esto significa quesi se reduce la distancia entre dos átomos a la mitad, la fuerza de Van derWaals con la que se atraen uno a otro se hace 2�2�2�2 �2�2�2 =128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mu-cho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza.

•


Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) se graduó en 1873 enLeiden con una tesis que le haría famoso. Estaba escrita en holandés y setitulaba «Over de continuïteit van de gas- en vloeistoftoestand» (Sobre lacontinuidad del estado líquido y gaseoso). En esa época la existencia delas moléculas y los átomos no estaba completamente aceptada, pero Vander Waals demostró que las propiedades de los gases y los líquidos se po-dían entender muy bien suponiendo que esas pequeñas partículas ocupancierto volumen en el espacio y que en cuanto se separan suficientementeunas de otras, se atraían. El famoso físico inglés James Clerk Maxwell,muy impresionado con este trabajo, resaltó que había sugerido a unoscuantos investigadores que empezaran a estudiar holandés.[5] En 1910Van der Waals recibió el premio Nobel, pero el holandés nunca llegó a seruna lengua científica internacionalmente aceptada como lo fueron, siglosantes, el latín y el griego, y, después, el alemán, el francés y el inglés. Hoyen día, para pesar de algunos, toda la ciencia se hace en inglés.

Los tamaños de los seres unicelulares, animales y vegetales, se midenen micrómetros o «micras», donde una micra es un 1/1.000 de un milíme-tro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pue-den observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios esfascinante, pero no es el objeto de este libro. Nosotros debemos continuarnuestro viaje hacia el mundo de lo pequeño y llegar hasta los átomos y alas moléculas mismas. En este punto, la fuerza de Van der Waals nos abrepaso a un reino de fuerzas mucho más sofisticado: las de la química.

El químico ve los átomos como objetos más o menos esféricos de undiámetro de uno a varios ángstrom, donde un ángstrom es 1/10.000 deuna micra, es decir, 10–10 metros (una diez mil millonésima parte de unmetro). Prácticamente toda la masa[6] de un átomo se encuentra en un pe-queño grano situado en su centro, llamado núcleo, sobre el que hablare-mos más adelante.

A pequeñas distancias, las fuerzas entre átomos se hacen extremada-mente complicadas; parece como si estuvieran equipados con ganchos y


[5]. Véase H. B. G. Casimir, Haphazard Reality, Harper & Row, Nueva York, 1983.[6]. El lector que no esté familiarizado con el concepto de «masa» puede apañarse

con la receta de que todos los objetos sobre la Tierra tienen masas iguales a sus pesos(las masas también se miden en gramos o kilogramos), pero el peso es la fuerza con lacual la Tierra atrae el objeto hacia su interior. En una nave espacial su masa es la mismaque en la Tierra pero su peso es prácticamente cero.


hembrillas con los cuales se pueden unir unos a otros. Los grupos volu-minosos de varios átomos que se pueden formar de esta manera se lla-man moléculas.

Consideremos, por ejemplo, el átomo de oxígeno, O, que tiene dosganchos, y el átomo de hidrógeno, H, que tiene una sola hembrilla. Un

Hacia las moléculas y los átomos 19

Figura 2. Tamaños relativos.

ratón

10 metros

edificio universitario

seres unicelulares

núcleo atómico con protones y neutrones

quarks

átomo

grandes moléculas

1 cm. = 10-2 m

1000�

1000�

1000�

100.000�

100�

10 micras = 10-5 m

100 ángstrom = 10-8 m


1 fermi = 10-15 m


Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) se graduó en 1873 enLeiden con una tesis que le haría famoso. Estaba escrita en holandés y setitulaba «Over de continuïteit van de gas- en vloeistoftoestand» (Sobre lacontinuidad del estado líquido y gaseoso). En esa época la existencia delas moléculas y los átomos no estaba completamente aceptada, pero Vander Waals demostró que las propiedades de los gases y los líquidos se po-dían entender muy bien suponiendo que esas pequeñas partículas ocupancierto volumen en el espacio y que en cuanto se separan suficientementeunas de otras, se atraían. El famoso físico inglés James Clerk Maxwell,muy impresionado con este trabajo, resaltó que había sugerido a unoscuantos investigadores que empezaran a estudiar holandés.[5] En 1910Van der Waals recibió el premio Nobel, pero el holandés nunca llegó a seruna lengua científica internacionalmente aceptada como lo fueron, siglosantes, el latín y el griego, y, después, el alemán, el francés y el inglés. Hoyen día, para pesar de algunos, toda la ciencia se hace en inglés.

Los tamaños de los seres unicelulares, animales y vegetales, se midenen micrómetros o «micras», donde una micra es un 1/1.000 de un milíme-tro, aproximadamente el tamaño de los detalles más pequeños que se pue-den observar con un microscopio ordinario. El mundo de los microbios esfascinante, pero no es el objeto de este libro. Nosotros debemos continuarnuestro viaje hacia el mundo de lo pequeño y llegar hasta los átomos y alas moléculas mismas. En este punto, la fuerza de Van der Waals nos abrepaso a un reino de fuerzas mucho más sofisticado: las de la química.

El químico ve los átomos como objetos más o menos esféricos de undiámetro de uno a varios ángstrom, donde un ángstrom es 1/10.000 deuna micra, es decir, 10–10 metros (una diez mil millonésima parte de unmetro). Prácticamente toda la masa[6] de un átomo se encuentra en un pe-queño grano situado en su centro, llamado núcleo, sobre el que hablare-mos más adelante.

A pequeñas distancias, las fuerzas entre átomos se hacen extremada-mente complicadas; parece como si estuvieran equipados con ganchos y


[5]. Véase H. B. G. Casimir, Haphazard Reality, Harper & Row, Nueva York, 1983.[6]. El lector que no esté familiarizado con el concepto de «masa» puede apañarse

con la receta de que todos los objetos sobre la Tierra tienen masas iguales a sus pesos(las masas también se miden en gramos o kilogramos), pero el peso es la fuerza con lacual la Tierra atrae el objeto hacia su interior. En una nave espacial su masa es la mismaque en la Tierra pero su peso es prácticamente cero.


hembrillas con los cuales se pueden unir unos a otros. Los grupos volu-minosos de varios átomos que se pueden formar de esta manera se lla-man moléculas.

Consideremos, por ejemplo, el átomo de oxígeno, O, que tiene dosganchos, y el átomo de hidrógeno, H, que tiene una sola hembrilla. Un


Figura 2. Tamaños relativos.

ratón

10 metros

edificio universitario

seres unicelulares

núcleo atómico con protones y neutrones

quarks

átomo

grandes moléculas

1 cm. = 10-2 m

1000�

1000�

1000�

100.000�

100�

10 micras = 10-5 m



1 fermi = 10-15 m


átomo O y dos átomos H se pueden unir para formar una molécula deagua, H2O. Dos hembrillas también se pueden unir entre ellas (por ejem-plo, H2 es una molécula de gas de hidrógeno), y lo mismo puede ocurrircon dos ganchos (O2 es una molécula de gas oxígeno), pero esta unión noes tan rígida. Los dos ganchos en el átomo de oxígeno no están situadosuno enfrente de otro, sino que forman un ángulo de unos 104º, y algo si-milar se puede decir de muchos otros tipos de átomos. Consecuentemen-te, las moléculas adquieren formas complicadas. Una de las piezas deconstrucción más interesantes es el átomo de carbono, C, que tiene cua-tro hembrillas que se enganchan bastante bien con las hembrillas de otrosátomos de carbono. Muchas de las moléculas en los seres vivos están for-madas por cadenas de átomos de carbono.

Hay más de 100 clases diferentes de átomos y en cada una de esasclases las fuerzas de los átomos son características y, en mayor o menormedida, diferentes de las de los otros átomos. Las sustancias formadaspor una sola clase de átomos se llaman elementos químicos. La palabra«átomo» procede del griego ©tomo$, que significa «indivisible» y el usode la palabra «elemento» sugiere que hemos llegado a los ladrillos bási-cos con los que está formada la materia. De hecho, esta es la imagen que


alcohol

agua

Figura 3. Los átomos se pueden unir entre ellos como si tuvieran ganchos y hembrillas.


se tenía a mediados del siglo xix cuando se acuñaron estos términos,pero hoy sabemos que esto es falso, que los átomos se pueden dividir yque, de esta manera, los elementos han dejado de ser verdaderamenteelementales. Nosotros continuamos con esta nomenclatura, aunque seaformalmente incorrecta, porque ya nos hemos acostumbrado a ella. ¡Perono espere que la humanidad haya aprendido esta lección! Las palabras«partículas elementales» son igualmente inadecuadas. De la misma ma-nera, ¿qué se puede pensar de palabras como «música moderna» o « mú-sica post moderna», etc.? Seguramente llegará el día en el que volvere-mos a tener que lamentar la introducción de semejante terminología.

Quizá la imagen de los átomos como pequeñas esferas con ganchitosy hembrillas no le parezca suficientemente científica. Es cierto, nosotroshablamos de «fuerzas de enlace químico» cuando nos referimos a la for-ma en que los átomos se unen unos a otros. Mi descripción de estas fuer-zas ha sido de alguna manera fantasiosa porque hay un aspecto de ellasque quiero resaltar: ¡las leyes de la naturaleza que rigen las fuerzas delenlace químico son perfectamente conocidas! Seguramente esta afirma-ción le sorprenda. Podría preguntarse ¿está toda la química terminadaaunque los periódicos nunca hayan mencionado ese descubrimiento tanrevolucionario? Bien, mi respuesta es no; lo que ocurre es simplementeque las ecuaciones fundamentales que describen las fuerzas del enlacequímico están perfectamente establecidas, pero desgraciadamente todoslos cálculos que se realizan a partir de esas ecuaciones son tan enorme-mente complicados que estamos obligados a utilizar técnicas aproxima-tivas. No siempre es fácil estimar la precisión de estas técnicas matemá-ticas, que a menudo es muy pobre. Incluso las moléculas más sencillascomo las del agua o el alcohol, se estudian mejor mediante sencillas me-diciones experimentales con las propias sustancias que haciendo cálcu-los ab initio a partir de nuestras ecuaciones. Actualmente, las técnicasmatemáticas aproximativas, que están muy desarrolladas, vienen a decir-nos que la descripción de los átomos como esferas con ganchitos y hem-brillas no está tan mal después de todo.

Desde luego que no existen ni los ganchitos ni las hembrillas. Lo queda al átomo su forma casi esférica son los electrones, partículas cargadaseléctricamente que se mueven alegremente alrededor del núcleo. El elec-trón es muy ligero: su masa es solamente 1/1.836 de la del núcleo más li-gero (el del hidrógeno). La carga eléctrica del electrón es de signo opues-



to a la del núcleo, de manera que los electrones están fuertemente atraí-dos al núcleo y se repelen mutuamente. Si la carga eléctrica total de loselectrones en un átomo iguala a la del núcleo, para lo que generalmentese necesitan varios electrones, se dice que el átomo está en equilibrio oque es eléctricamente neutro.

La fuerza a la que obedecen los electrones, la denominada fuerzaelectrostática o de Coulomb, es matemáticamente bastante sencilla y, sinembargo, los electrones son los responsables de las importantes propie-dades a las que nos hemos referido como «enlace químico». Esto se debea que las leyes de movimiento de los electrones son muy especiales por-que están regidas completamente por «la mecánica cuántica». La teoría quellamamos mecánica cuántica se completó a principios del siglo xx. Esuna teoría paradójica, difícil de entender o explicar, pero al mismo tiem-po interesante, fantástica y revolucionaria. La física teórica actual no sepuede imaginar sin la mecánica cuántica, que es también el centro detoda la física teórica de las partículas elementales. Tendré que hablar mu-cho más de la mecánica cuántica más adelante, pero no haré ningún in-tento de explicar las fuerzas del enlace químico usando esta teoría (¡aun-que sea posible!).

No solamente los electrones, sino también el núcleo atómico y losátomos en su conjunto obedecen a las leyes de la mecánica cuántica, perocomo el núcleo y los átomos son mucho más pesados que los electroneslas consecuencias de ello son menos drásticas. Para casi todos los propó-sitos, el químico puede considerar los átomos como bolas de billar entrelas que surgen fuerzas muy especiales cuando se aproximan mucho unasa otras.



3

El misterio mágico de los cuantos

La física del siglo xx empezó exactamente en el año 1900, cuando elfísico alemán Max Planck propuso una posible solución a un pro-

blema que había estado intrigando a los físicos durante años. Es el problema de la luz que emiten los cuerpos calentados a una cierta tem-peratura, y también la radiación infrarroja emitida, con menos intensi-dad, por los objetos más fríos.

Estaba bien aceptado entonces que esta radiación tenía un origenelectromagnético y que se conocían las leyes de la naturaleza que regíanestas ondas electromagnéticas. También se conocían las leyes para elfrío y el calor, la así llamada «termodinámica», o al menos eso parecía.Pero si usamos las leyes de la termodinámica para calcular la intensidadde la radiación, el resultado no tiene ningún sentido. Los cálculos nosdicen que se emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioletamás lejano, y, desde luego, esto no es lo que sucede. Lo que se observaes que la intensidad de la radiación muestra un pico a una cierta longi-tud de onda característica, y que la intensidad disminuye tanto para lon-gitudes mayores como para longitudes menores. Esta longitud caracte-rística es inversamente proporcional a la temperatura absoluta delobjeto radiante (la temperatura absoluta se define por una escala de tem-peratura que empieza a 273 ºC bajo cero). Cuando a 1.000 ºC un objetose pone al «rojo vivo», el objeto está radiando en la zona de la luz vi-sible.

Lo que Planck propuso fue simplemente que la radiación sólo podíaser emitida en paquetes de un tamaño dado. La cantidad de energía deuno de esos paquetes, o cuantos, es inversamente proporcional a la lon-

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Gerard’t Hooft JOSÉ MANUEL SÁNCHEZ RON Partículas … · 2017. 7. 18. · Las matemáticas del...

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