El ¨¢tomo cu¨¢ntico cumple 100 a?os

¡°El conocimiento verdadero y profundo es el de los ¨¢tomos y el vac¨ªo, pues son ellos los que generan las apariencias, lo que percibimos, lo superficial¡±, dec¨ªa Dem¨®crito hace 2.400 a?os. Sin embargo, el ¨¢tomo se empez¨® a entender solo hace 100 a?os, cuando fue protagonista de una de las mayores revoluciones cient¨ªficas: la f¨ªsica cu¨¢ntica. Toda la materia que nos envuelve est¨¢ hecha de ¨¢tomos; nuestro cuerpo contiene tantos ¨¢tomos como estrellas se cree que hay en el universo. Hace un siglo, los f¨ªsicos se enfrentaron al reto de descifrar la pieza fundamental que constituye la materia del universo.

A finales del siglo XIX, los ¨¢tomos empezaron a dar algunas pistas sobre su naturaleza. Se observ¨® que cuando un ¨¢tomo acumula un exceso de energ¨ªa emite luz de solo ciertos colores (frecuencias). En analog¨ªa con la m¨²sica, el ¨¢tomo ser¨ªa como un piano que solo puede emitir los sonidos permitidos por sus teclas, pero no sonidos de una frecuencia intermedia, como lo puede hacer un viol¨ªn. En 1897, J. J. Thomson demostr¨® experimentalmente que el ¨¢tomo no era indivisible, como dice su etimolog¨ªa, sino que conten¨ªa part¨ªculas liger¨ªsimas de carga negativa, los electrones. Thomson model¨® el ¨¢tomo como una masa de carga positiva que tiene incrustados los electrones, como si de un bizcocho de pasas se tratara. Junto a su equipo calcul¨® si la vibraci¨®n de las pasas pod¨ªa explicar la luz emitida por los ¨¢tomos. No tuvo ¨¦xito, muy a su pesar.

Poco despu¨¦s, en 1911, Ernest Rutherford demostr¨® que la masa de carga positiva del ¨¢tomo est¨¢ concentrada en su centro, descubriendo as¨ª su n¨²cleo. ?l model¨® el ¨¢tomo a imagen de un sistema planetario en el que los electrones son los planetas, y el n¨²cleo el Sol. Pero ese modelo estaba en conflicto con un fen¨®meno b¨¢sico en f¨ªsica: cuando la trayectoria de una part¨ªcula cargada, como el electr¨®n, se curva, esta pierde energ¨ªa mediante la emisi¨®n de radiaci¨®n. Es como si la part¨ªcula derrapara al girar y perdiera velocidad. Un c¨¢lculo sencillo demuestra que los electrones pierden toda su energ¨ªa, y en consecuencia el ¨¢tomo deber¨ªa colapsarse, en 0,00000001 segundos. Realmente no es as¨ª; de hecho los ¨¢tomos que conforman nuestro cuerpo son los mismos que se crearon en el interior de estrellas hace miles de millones de a?os.

En 1900, el f¨ªsico alem¨¢n Max Planck se enfrentaba a un fen¨®meno que estaba en total desacuerdo con la f¨ªsica cl¨¢sica: el perfil de la gr¨¢fica de la radiaci¨®n emitida por objetos a cierta temperatura. Planck propuso una soluci¨®n desesperada, pero incre¨ªblemente acertada: la radiaci¨®n no se emit¨ªa de forma continua, sino a trav¨¦s de peque?os paquetes de energ¨ªa, los famosos cuantos de Planck. Y en 1905, Albert Einstein utiliz¨® este hallazgo para explicar el efecto fotoel¨¦ctrico; fue su annus mirabilis en que conmocion¨® al mundo de la f¨ªsica con su teor¨ªa de la relatividad especial.

El cient¨ªfico dan¨¦s mantuvo famosos debates con Einstein sobre esta materia

Eran tiempos en que el mar de la ciencia estaba muy revuelto; parec¨ªa que los pilares fundamentales de la f¨ªsica se derrumbaban. Frente a estas situaciones hay dos tipos de f¨ªsicos, los conservadores, que se sienten angustiados, y los transgresores que se miden contra las olas y quieren que el mar no se calme. El f¨ªsico dan¨¦s Niels Bohr era de los valientes. En 1911 y con solo 26 a?os, Bohr fue a Inglaterra a trabajar, primero con el grupo de Thomson y despu¨¦s con Rutherford, que acababa de descubrir el n¨²cleo del ¨¢tomo. Bohr se pregunt¨®: ?c¨®mo podemos explicar con la f¨ªsica cl¨¢sica que un ¨¢tomo emita luz en peque?os paquetes de energ¨ªa?

En 1913, Bohr respondi¨® a esta pregunta en tres art¨ªculos que describ¨ªan su modelo del ¨¢tomo, del que este a?o se celebra su centenario. El primero de ellos conten¨ªa la idea m¨¢s transgresora: la energ¨ªa de los electrones que orbitan alrededor del n¨²cleo tambi¨¦n viene dada en paquetes, es decir, est¨¢ cuantizada. Con este supuesto y, dado que la energ¨ªa del electr¨®n depende de la distancia a la que orbita del n¨²cleo, concluy¨® que el electr¨®n solo puede orbitar a determinadas distancias, o niveles, del n¨²cleo. Cuando un ¨¢tomo gana energ¨ªa, el electr¨®n se desplaza hacia las ¨®rbitas m¨¢s alejadas, y al perderla, salta de ¨®rbita en ¨®rbita, como si bajara los pelda?os de una escalera. Estos saltos, que pueden ser de uno o varios escalones, emiten luz, fotones, cuya frecuencia es proporcional a la diferencia de energ¨ªa que existe entre los dos niveles orbitales.

De esta manera, tan sencilla, Bohr consigui¨® explicar muchos de los experimentos sobre la emisi¨®n de luz de los ¨¢tomos. No le importaba que los electrones derraparan al girar y perdieran energ¨ªa, simplemente postul¨® que eso no suced¨ªa en estas ¨®rbitas, ya que estas eran estables por alguna raz¨®n desconocida. El modelo, pese a sus limitaciones, explicaba muchos resultados de las l¨ªneas espectrales de los gases y del orden de los elementos en la tabla peri¨®dica. Hoy sabemos que el ¨¢tomo de Bohr es demasiado simple, pero introduce rasgos importantes de la f¨ªsica at¨®mica. Aunque al visualizar el mundo cu¨¢ntico hay que ser siempre precavido, en el caso del ¨¢tomo es m¨¢s correcto imaginar los electrones, no como part¨ªculas, sino como nubes difusas alrededor del n¨²cleo, cuya densidad en cada punto representa la probabilidad de encontrar el electr¨®n en ese sitio.

Bohr fue un cient¨ªfico emblem¨¢tico que aglutin¨® en su instituto a los mejores f¨ªsicos cu¨¢nticos. Famosas fueron sus discusiones con Einstein sobre la interpretaci¨®n de la f¨ªsica cu¨¢ntica. En desacuerdo con ¨¦l, Bohr cre¨ªa que la naturaleza, en su expresi¨®n m¨¢s ¨ªntima, est¨¢ indeterminada, o sea, que s¨ª juega a los dados. Y acert¨®.

Hoy, en numerosos laboratorios de todo el mundo, miles de f¨ªsicos y f¨ªsicas investigan y experimentan acerca de esos fen¨®menos cu¨¢nticos. Los ¨¢tomos que Bohr imagin¨® hace 100 a?os se manipulan como si fueran marionetas: se atrapan individualmente con pinzas ¨®pticas, se enfr¨ªan hasta casi el cero absoluto y se manejan sus estados internos con enorme precisi¨®n. Hace un siglo, la f¨ªsica cu¨¢ntica estableci¨® un nuevo paradigma y el conocimiento del ¨¢tomo supuso un cambio revolucionario en la historia cient¨ªfica y tecnol¨®gica del mundo. Ahora, la f¨ªsica cu¨¢ntica es un recurso sin precedentes para avanzar a¨²n m¨¢s en la nueva tecnolog¨ªa: desde construir relojes at¨®micos ultraprecisos o encriptar informaci¨®n muy sensible de manera absolutamente segura, hasta el desarrollo lejano, pero alcanzable, del ordenador cu¨¢ntico capaz de c¨¢lculos hoy d¨ªa dif¨ªciles de imaginar.

Oriol Romero-Isart es investigador en el Instituto Max-Planck de ?ptica Cu¨¢ntica en Garching (Alemania).