Cualquier aproximación a la vida y costumbres del electrón que no se quede en una descripción infantil, debe tocar un tema bastante delicado. Y no me refiero a lo que hacen los electrones para tener electroncitos. Podría pensarse que se reproducen sexualmente, porque sabemos que los hay de dos orientaciones: espín positivo y de espín negativo. Pero no, lo cierto es que no se reproducen así. Supongo que pesa más la carga eléctrica, que es en todos del mismo signo y provoca repulsión entre ellos. Quizá esta forma de expresarlo ha sonado homofóbica; me disculpo si procede. El caso es que no existen los electroncitos, como era de esperar. Solo son un producto de mi peculiar imaginación. Pero, una vez más, la naturaleza imita al arte: existen los neutroncitos. Si nunca habéis oído hablar de ellos es porque la palabra no existe, pero existe la cosa (o lo que sea), el neutroncito. Sucede que, a diferencia de los gluones, a ellos sí que se les nombra en italiano: se les llama neutrino, que es el diminutivo italiano de neutrón. Pero aquí se acaba la broma; un neutrino no es hijo de dos neutrones de diferente espín. ¡Lástima! Lo cierto es que se le llama así porque no tiene carga eléctrica, como el neutrón, y es muy, muy pequeño. ¿Cómo de pequeño? Tan insignificante que, según el Modelo Estándar de Física de Partículas, no debería tener masa. ¡Y eso que es todo un fermión! Pero empíricamente se comprueba que no es tan insignificante: tiene algo de masa. El neutrino tiene masa y los físicos tienen un problema para explicarlo. Por cierto, hablando de neutrinos: en 2011 estuvieron a punto de liarla de manera mucho más seria. Un experimento llamado OPERA detectó neutrinos viajando a una velocidad mayor que la de la luz. Eso desmontaría una pared maestra de la teoría de la relatividad, que a su vez es una pared maestra de la física actual. Pequeños pero matones, estos neutroncitos. Más tarde se descubrió que la detección se había debido a un error experimental: en esa OPERA, el tenor o la soprano habían desafinado. O la orquesta.
El tema delicado que tengo que tratar es imprescindible para explicar la actitud que mantienen los electrones alrededor del núcleo del átomo, pero también lo es para entender la naturaleza de los electrones y de todas las partículas en general, que es justamente lo que me ha traído aquí. Se trata de la dualidad onda-partícula. Lo enuncio ahora y lo explico después, si es que puedo: todas las partículas elementales son a la vez ondas. Dicho queda.
Si sois incrédulos, os entiendo muy bien: estáis leyendo a uno como vosotros. Así que dejaré que hablen los hechos. Y el hecho relevante aquí es uno y muy concreto: el experimento de la doble rendija. Según Feynman, una figura mítica de la física moderna, este experimento contiene el corazón de la mecánica cuántica. Y es muy sencillo de explicar y de entender, y muy claro. Solo requiere un par de cuestiones previas.
La primera es que el experimento se realizó originalmente utilizando luz, y tal vez a alguien le sorprenda que se utilizara la luz para entender la naturaleza de las partículas. Sin embargo, durante más de doscientos años hubo un debate entre los físicos para decidir si la luz estaba formada por ondas o por partículas; el mismo Newton defendía que se compone de partículas. El experimento original de la doble rendija, realizado a principios del siglo XIX, fue una contribución decisiva para que se aceptara mayoritariamente la teoría ondulatoria, que parecía explicar satisfactoriamente todos los fenómenos observados. Pero la irresistible pulsión de los físicos por efectuar más y más experimentos, los llevó a encontrar situaciones en las que esa teoría era insatisfactoria. Finalmente, Einstein encontró una explicación mejor de una de esas situaciones: el efecto fotoeléctrico, gracias al cual podemos convertir la luz del sol en electricidad mediante los paneles solares fotovoltaicos. Según esa explicación, la energía de la luz se contiene en paquetes mínimos, los fotones, cada uno de los cuales transporta un cuanto de energía. El fotón, como ya sabemos, es el bosón elemental que se encarga de transportar la fuerza electromagnética. Así pues, los fenómenos que no podían explicarse suponiendo que la luz son ondas, podían explicarse suponiendo que son partículas. Ahí lo dejo por ahora, pero enseguida lo recojo.
La segunda cuestión consiste en repasar un poco el comportamiento de las ondas. Seguramente las lectoras y lectores surfistas pueden leer este párrafo en diagonal sin perder información, porque solo hablaré de las olas. Viene una ola: una línea de agua se levanta sobre la superficie y avanza hacia la playa. No es el agua lo que avanza, sino el movimiento: las gotas de agua que componen el mar se quedan más o menos en el mismo sitio después de pasar la ola. Si hay movimiento es porque inicialmente se le ha aplicado una fuerza, como puede la ser el viento o la de una embarcación que se mueve, y esa fuerza va transmitiéndose de cada gota a la siguiente. Al recibir el impulso, la gota se levanta; al transmitirla, desciende. Así, un mar con oleaje se ve ondulado: la superficie se levanta en la cresta de las olas y desciende inmediatamente después, en los valles.
Ahora resulta que se juntan dos olas que avanzaban en diferentes direcciones. Esto sucede, por ejemplo, cuando hay varias embarcaciones navegando próximas y cada una de ellas crea las correspondientes olas. ¿Cuál es el resultado de la combinación de dos olas que se encuentran? Depende de qué partes de la ola se encuentren. Si coinciden cresta con cresta, se levanta una ola mayor. Si se encuentra la cresta de una con la depresión de la otra, el resultado es una ola menor. En el primer caso, las energías de cada una se suman; en el segundo, se restan. La superposición, o interferencia, de las olas, tiene un efecto constructivo si las olas están en fase (cresta con cresta) o destructivo si las olas están desfasadas (cresta contra valle), llegando a anularse por completo si eran completamente iguales y el desfase era total: el pico de la cresta contra el fondo del valle. Pues bien, esto mismo es lo que sucede con toda clase de ondas, incluyendo las de la luz.
Y en eso se basa el experimento de la doble rendija: en hacer chocar unas ondas contra otras. En el fondo creo que los físicos son como niños grandes: les gusta hacer chocar cosas entre sí. A mí me gustaba golpear cáscaras de almendra y a ellos les gusta golpear átomos, electrones, ondas… todo lo que pueden. En realidad, no los estoy criticando. Mantener el espíritu curioso de los niños es esencial en la ciencia y en la vida.
Volvamos al experimento. El nombre casi lo dice todo: el experimento consiste en proyectar luz contra una superficie que contiene dos rendijas, estrechas, paralelas y próximas, y captar después el resultado en una superficie fotosensible. Si se hace pasar luz solo por una de las rendijas, el resultado que se observa es una forma alargada de una cierta anchura, más brillante en el centro y menos en los bordes: la mayor parte de la luz se ha acumulado en el centro, pero una parte menor se ha dispersado hacia los bordes. Ninguna sorpresa. Abramos ahora la segunda rendija y observemos. Podría esperarse el resultado anterior duplicado: dos formas alargadas. Pero no se ve exactamente eso. Enfrente de cada rendija hay una forma alargada brillante, como se espera que pase, pero entre ambas lo que observamos no es una disminución progresiva de la intensidad, sino una serie de franjas alternativamente iluminadas y oscuras, como en un código de barras. El resultado sorprende a primera vista (nunca mejor dicho), pero si uno piensa que la luz está formada por ondas y conoce un poco el comportamiento de las ondas, lo entiende. Al haber dos fuentes de luz próximas, algunas de las ondas que provienen de una rendija se superponen con algunas de las ondas que provienen de la otra, creando los fenómenos característicos de la interferencia: en las zonas en que las ondas se superponen en fase, la intensidad se suma y hay mayor luminosidad; en las que se superponen en contrafase, la intensidad se resta y hay oscuridad. ¿Qué demuestra esto? Que la luz son ondas. ¿Podría explicarse este resultado si la luz estuviera formada por partículas? No parece fácil. ¿Cómo se explicarían, entonces, las franjas? ¿Dónde habrían ido a parar las partículas que deberían estar en las zonas oscuras? Vale, pues si no hay explicación para eso, debe ser que la luz son ondas. Pero…
Pero si uno observa atentamente las figuras que se han formado en la superficie fotosensible, verá que están compuestas de puntos diminutos, como los que produciría el impacto de partículas luminosas. En las franjas más brillantes, se observa una mayor densidad de puntos; en las menos brillantes, hay una densidad menor. Si la luz son ondas, ¿cómo se explican esos puntos? De ninguna manera. Tampoco parece posible explicar eso. Y las dos cosas suceden a la vez. Lo más sorprendente: el mismo resultado se produce si se envían los fotones uno a uno, lo que descarta cualquier influencia directa de un fotón sobre otro, algo así como choques y rebotes que los acaban acumulando en ciertas zonas. Si los enviamos uno a uno, cada uno produce un único impacto, observable en el instante en que se produce, pero poco a poco los impactos individuales van agrupándose para formar las franjas de interferencia. Conclusión: la luz es, a la vez, onda y partícula.
Tal vez cuesta imaginarse la situación que acabo de explicar. Un vídeo vale más que mil palabras, dicen. Aquí os dejo el enlace a uno.
Pues bien, cuando quedó demostrada la doble naturaleza de la luz, pasó poco tiempo hasta que la idea se intentó generalizar y se postuló que todas las partículas tienen esa doble naturaleza. Experimentos posteriores confirmaron que se produce el mismo resultado al hacer pasar electrones por la doble rendija, e incluso partículas mayores. Con lo cual se considera demostrada la naturaleza dual de todas las partículas. Por tanto, cuando se dice que todo está formado por partículas, se está olvidando que las partículas son también ondas. Con la misma propiedad, o falta de propiedad, podría decirse que todo está formado por ondas. ¿Por qué les las llaman partículas si podrían llamarlas ondas?
Esta doble naturaleza permite introducir otro aspecto fundamental de la teoría cuántica: su naturaleza probabilística. Si nos preguntamos qué trayectoria ha seguido un fotón determinado o un electrón concreto en su viaje desde el emisor, pasando a través de una de las rendijas, hasta llegar a la pantalla posterior, la respuesta es que no se puede saber con seguridad. Si calculamos todas las posibles trayectorias de acuerdo con las fórmulas de la física clásica, la de Newton, la que se entiende desde la experiencia cotidiana, no podemos encontrar ninguna combinación de trayectorias viables que dé como resultado el patrón de interferencia observado. Esto hace pensar que la partícula se muestra como tal cuando la detenemos, pero mientras viaja, lo hace como onda. Su trayectoria solo puede conocerse recurriendo a una onda de probabilidad, que no nos da en ningún momento una ubicación exacta, sino solo la probabilidad mayor o menor de que la partícula se encuentre en una posición determinada en un momento determinado. Calculando así las trayectorias de todas las partículas, las probabilidades de que en el momento del impacto final se encuentren en una zona u otra de la pantalla se corresponde con la densidad de los impactos individuales que se observan en esa zona. En las zonas en que el cálculo establece una mayor probabilidad, hay más impactos; en las que la probabilidad es menor, hay menos impactos. Todo encaja.
Así pues, cuando se habla de los electrones girando alrededor del núcleo del átomo, la expresión “nube electrónica” resulta apropiada, pero no solo porque se quiera decir que son pequeños, que hay muchos, que se mueven muy rápido, y que, por todo eso, crean la imagen visual de una nube, sino que más bien se dice en un sentido parecido a cuando decimos que un hada o algún otro ser sobrenatural se aparece rodeado de una nube: como algo que a la vez es material y no lo es, como algo que a la vez es real e irreal. En este caso, como algo que a la vez es onda y partícula.
Pero todo esto es muy raro, ¿no? Mucho. Muchísimo. Es inevitable preguntarse: ¿seguro que es así? Así lo creen los físicos desde hace más de un siglo, y lo demuestran con sus cálculos y lo confirman con sus observaciones y experimentos. Y… ¿no hay explicación alternativa, otra teoría menos rara que también encaje con los datos? Me alegra que haya salido el tema. La hay. Las hay, de hecho. Alguna menos rara (aunque rara también) y otras más raras. Creo que nos iría bien conocer alguna de ellas antes de seguir con los electrones: siempre va bien ampliar horizontes y sopesar diferentes posibilidades.