La segunda revolución científica

La mecánica cuántica

      Este siglo que agoniza probablemente será recordado en los libros científicos del futuro, como el siglo de la segunda revolución científica. Es posible que ahora nos parezca un calificativo exagerado porque están los acontecimientos tan próximos a nosotros que no los vemos con la suficiente perspectiva, pero no cabe duda de que han ocurrido eventos y cambios en el paradigma científico de suficiente entidad como para inducirnos a pensar de este modo. 

      En los siglos XVI - XVII se consolida una nueva forma de pensar que con el devenir del tiempo se denominaría el método científico. Yo me atrevería a decir que es la mayor revolución del pensamiento que jamás haya ocurrido, o, al menos, la que mejores frutos ha otorgado a la humanidad. Basta para convencerse de ello con hojear los libros de historia y recordar cómo han vivido nuestros antepasados hasta el siglo XVII, y cómo vivimos hoy. Pero no es mi intención entrar en detalles sobre estas cosas, ni siquiera para recordar en qué consistió este gran cambio del pensamiento, sobradamente conocido. 

      La ciencia, durante los tres primeros siglos de su existencia, construyó un maravilloso edificio teórico, firme y coherente, con el que los científicos han podido hacer una descripción del Mundo clarificadora y útil. Una descripción que permitía la divulgación, y que, por tanto, podía trascender las fronteras del mundillo científico para difundirse en toda la sociedad. Un edificio al que llamaremos Física Clásica. 

      Pero he aquí que a finales del XIX, cuando los científicos ya se con- gratulaban con la obra casi terminada, surge una serie de «problemillas». Como la extraña radiación del cuerpo negro o el increíble comportamiento de la luz en el efecto fotoeléctrico, cuyas soluciones resultaron tan incongruentes con la construcción anterior que actuaron a modo de terremotos, e hicieron tambalearse al edificio de la Física Clásica. Así, para explicar el primer problemilla, Planck tuvo que admitir que la energía no era continua si no que estaba formada por pequeños cuantos, y para el segundo, Einstein explicó que la luz no era simplemente un movimiento ondulatorio sino que estaba formada por unos pequeños gránulos a los que ahora llamamos fotones. 

Después de algunos años de comprensible desconcierto, los científicos se decidieron por construir otro edificio en el que tuvieran cabida las nuevas ideas. Se le llamó Física Cuántica, es mucho más amplio que el anterior y hoy sabemos, con alivio, que el edificio antiguo no es un viejo caserón inútil, sino una parte muy importante del nuevo.

Estos nuevos descubrimientos, por tanto, no fueron simplemente algo que añadir a los anteriores, sino que nos han mostrado un mundo tan extraño, sorprendente e incomprensible que han hecho enmudecer a los científicos. Ya nadie se atreve a describir el mundo.  Ahora las hipótesis, desarrolladas mediante potentes instrumentos de cálculo matemático, bien cimentadas sobre los conocimientos anteriores, vuelan a velocidades de vértigo por delante de la experimentación, y  las conclusiones a que se llega son tan asombrosas que ya nadie se atreve a interpretarlas, sólo a escribir las ecuaciones en la pizarra. Todos piensan lo mismo: cualquier interpretación que hagamos de la ecuación puede ser errónea, la ecuación no.

¿Es esto un nuevo método científico? No me atrevería a asegurarlo, pero sin duda es una nueva forma de hacer ciencia. Para ilustrar el cambio vamos a construir un ejemplo con las teorías de gravitación. 

Para Aristóteles, el movimiento natural de los astros en su giro en torno a la Tierra era la trayectoria circular, ya que la circunferencia es la línea más perfecta. El movimiento de las piedras no tiene nada que ver con esto; suben mientras conservan la fuerza impresa por nuestro brazo al lanzarlas, y cuando ésta "se les agota", acaban cayendo a tierra, que es su lugar natural.

Doce siglos más tarde, Galileo, tras la observación de múltiples e ingeniosos experimentos sobre el movimiento, concluye que Aristóteles estaba completamente equivocado. Describiendo uno de ellos nos dice que, cuando se deja caer una bola por un plano inclinado hacia un plano horizontal, al llegar a éste, su movimiento es rectilíneo y de velocidad uniforme, y así seguiría eternamente si no existieran los rozamientos. Luego el movimiento natural es el movimiento rectilíneo y uniforme, no el circular.

En un maravilloso relevo, Newton nace cuando muere Galileo, y continúa su obra de forma genial. Newton acaba por comprender las relaciones que ligan a las fuerzas con los movimientos que estudiara su predecesor y en tres «sencillos» principios resume toda la dinámica. Llega así a la conclusión, confirmando a Galileo, que cuando no actúa ninguna fuerza sobre un cuerpo, entonces este se encuentra en reposo, o bien se mueve en línea recta y con velocidad constante (el movimiento natural). Para que un cuerpo describa una trayectoria curva es preciso que una fuerza cambie la dirección de su velocidad. (Figura 1).

Movimiento de los planetas según Newton

Estas conclusiones no solo contradecían completamente las ideas aristotélicas sino que obligaron a Newton a explicar qué fuerza es entonces la que obliga a los planetas a girar en trayectorias circulares, o elípticas. Y resolvió el problema ideando la Teoría de la Gravitación Universal, según la cual, dos cuerpos se atraen siempre con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de sus distancias. Es pues la fuerza gravitatoria la responsable del movimiento circular de los planetas. El Sol «tira» de la Tierra con una gran fuerza que la obliga a girar eternamente a su alrededor. La otra gran virtud de esta teoría fue la de poder explicar de la misma forma los movimientos sobre la superficie de la Tierra. También las piedras son atraídas por la fuerza gravitatoria terrestre (su peso) y siguen trayectorias de caída que dependen de su estado de movimiento anterior siguiendo las mismas leyes que los planetas.
 (Fig. 2). 

Fig. 2.- Newton pensaba que si lanzamos piedras cada vez con mayor impulso, las trayectorias de caída se irían alejando hasta llegar a no chocar con la Tierra. Así colocamos hoy los satélites en órbita.

Las leyes de Newton han explicado satisfactoriamente toda la dinámica del Sistema Solar; permitieron a matemático Le Verrier descubrir la existencia de Neptuno haciendo ecuaciones sobre un papel; con ellas hemos podido comprender el movimiento y la evolución de las galaxias... únicamente no pudieron explicar el movimiento de precesión del perihelio de Mercurio (el eje mayor de la órbita de Mercurio gira 43 segundos de arco al año, sin que nadie supiera por qué), pero esto era un detalle "insignificante". 

Todo parecía estar bastante bien cuando surgió la mente inquieta del hombre más significativo de la nueva era científica, el gran revolucionario Albert Einstein, quien inició realmente la era cuántica con su Teoría del Efecto Fotoeléctrico. El mismo año, al publicar su Teoría de la Relatividad Especial (1905) sumió en la perplejidad a todos los pensadores de la época, explicando que el espacio y el tiempo son relativos (dependen de quién los mida) mientras que la velocidad de la luz es absoluta (no depende de la velocidad con que se mueva quien la mide). Y por si esto no fuera suficiente, solo dos años más tarde, publicó la Teoría de la Relatividad General que es en el fondo una teoría de la Gravitación Universal en la que se enmendaba la plana seriamente a Mr. Newton.

Fig. 3.- Símil bidimensional del espacio-tiempo curvo de Einstein, donde la distancia más corta entre dos puntos es una geodésica.

Einstein nos dijo que las cosas que existen en este mundo se mueven en un escenario que es el espacio-tiempo. Un escenario hecho de: largo, ancho, alto y de tic, tac, tic, tac, tic, tac… Este espacio-tiempo tiene una determinada estructura métrica, una determinada “forma” imposible de describir con palabras ¡ni de imaginar!, solo sus ecuaciones lo describen.

Para poder continuar hablando del tema es preciso que hagamos una drástica simplificación: reduzcamos este e-t tetradimensional en uno de solo dos dimensiones, como una hoja de papel. En este supuesto, cuando no hay objetos masivos presentes, el e-t sería un plano, de modo que la distancia más corta entre dos puntos sería la línea recta. Un cuerpo que se moviera en este e-t lo haría como decían Galileo y Newton: con movimiento uniforme (el movimiento natural).

Fig.4.- El e-t curvo de Einstein

Pero cuando en este e-t hay un objeto masivo como el Sol, la Tierra, etc., entonces se modifica su estructura métrica, se “deforma”. En el símil de dos dimensiones, el papel se habría convertido en una superficie cónica invertida, en un embudo cuyas generatrices no serían tampoco rectas sino curvas (Fig. 4). Cualquier objeto que se mueva en este e-t solo podría describir trayectorias curvas: Aquí la distancia más corta entre dos puntos es la geodésica, una línea curva. En este e-t no existe la línea recta ni el plano. El Sol genera un e-t de estas características  y los planetas son “canicas” girando en círculos o elipses a su alrededor (Fig. 4), sin que nadie “tire” de ellos. En un e-t curvo el movimiento natural es siempre una línea curva, más o menos complicada según la distribución de masas presentes en el escenario.

Pero no olvidemos que todo esto es una simplificación, sin duda excesiva, de la teoría, donde ni siquiera es correcto hablar de la “curvatura” del e-t ya que estas curvas solo han surgido en el símil imaginario del plano bidimensional. ¿Cómo es realmente la estructura del espacio-tiempo que contiene el Universo…? Ni el mismo Einstein podría imaginarlo.

Concluyendo:

1. Hay tantos movimientos naturales como “formas” para el e-t.
2.    La fuerza gravitatoria no existe. Fue un invento de Newton para poder explicar las trayectorias curvas de los planetas. El Sol no “tira” de la Tierra. Como tampoco existe el peso, porque la Tierra no “tira” de nosotros. Cuando nuestros sentidos captan que pesamos, en realidad están captando la “deformación”  del  e-t en el que estamos inmersos.
3. Las ecuaciones de Einstein que nos han servido de ejemplo, siguen siendo casi intocables un siglo después, y describen al Mundo con una precisión como jamás habíamos logrado antes (incluido el perihelio de Mercurio), pero nadie es capaz de describir con exactitud  su significado, por eso los investigadores de finales del siglo XX solo escriben ecuaciones en la pizarra.
4. Los profesores de ciencias del siglo XX tenemos un serio problema…

Manuel Reyes Camacho

NOTA: Este artículo se publicó en la Revista del Instituto Padre Manjón en junio de 1998.