Adentrarse en la física del siglo XX es emprender un viaje fascinante hacia los dos pilares que revolucionaron por completo nuestra concepción del universo: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Este libro se erige como una puerta de entrada excepcional para estudiantes universitarios y público interesado, ofreciendo un recorrido claro y riguroso por las ideas que destronaron a la física clásica de Newton. El propósito de la obra es desentrañar los misterios del cosmos a las escalas más grandes y más pequeñas, demostrando cómo dos conjuntos de reglas aparentemente incompatibles gobiernan todo lo que existe. Se busca presentar estos conceptos, a menudo percibidos como abstractos y antiintuitivos, de una manera accesible, contextualizando su desarrollo histórico y explicando su profundo impacto no solo en la ciencia, sino en la tecnología y la filosofía contemporáneas.
El recorrido comienza explorando el universo a gran escala a través de la lente de Albert Einstein. Se aborda primero la Teoría de la Relatividad Especial, nacida de la necesidad de reconciliar la mecánica de Newton con las ecuaciones del electromagnetismo. Se explican de forma conceptual sus dos postulados fundamentales: que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores en movimiento uniforme y que la velocidad de la luz en el vacío es constante e insuperable. A partir de estas ideas aparentemente simples, se derivan consecuencias asombrosas que desafían nuestra experiencia cotidiana, como la dilatación del tiempo, la contracción de la longitud y la relatividad de la simultaneidad. El texto culmina esta sección con la deducción de la ecuación más famosa de la historia, $E=mc^2$, revelando la profunda conexión entre masa y energía. Posteriormente, se da el salto a la Teoría de la Relatividad General, presentada como una nueva y revolucionaria teoría de la gravitación. Se abandona la idea de la gravedad como una fuerza para entenderla como una manifestación de la curvatura del espaciotiempo, una entidad de cuatro dimensiones que se deforma por la presencia de masa y energía.
Según esta nueva concepción de la mecánica, la radiación, caracterizada anteriormente por su continuidad, se reducía a gránulos materiales (cuantos) o cantidades discretas de energía. No obstante, al definir estados estacionarios del electrón, se le atribuía a éste un simultáneo carácter ondulatorio: a la cantidad de movimiento del electrón había que hacer corresponder una longitud de onda, con lo cual la constante de Planck, que había servido para introducir el carácter corpuscular en la teoría de la radiación, permitía trasladar también la naturaleza ondulatoria a los corpúsculos materiales.
La concepción tradicional del electrón, que lo consideraba como una simple carga puntual en un medio sin estructura, quedaba descartada y había que aceptar, por el contrario, que el electrón en movimiento está siempre acompañado por una serie de ondas que, en último término, determinan la dirección que debe seguir. El alemán Werner Heisenberg fue quien resolvió el problema de determinar la naturaleza de la onda asociada al electrón con una interpretación probabilística, según el llamado principio de incertidumbre. Según este resultado, el producto de las incertidumbres o imprecisiones con que se conocen dos magnitudes asociadas, es decir, parejas de magnitudes en las que ocurre que cuanto mejor se pretende medir una más imprecisa queda la otra, resulta ser del orden de la magnitud de la constante de Planck.
Se comprende la esencia de este principio de incertidumbre al considerar que, al realizar una medición en una partícula, es imposible no modificar el estado de la misma. Si, por ejemplo, se pudiera visualizar el electrón para estudiarlo, la luz empleada sería tan potente que modificaría su estado físico de forma radical. Llevando, pues, el principio de Heisenberg a sus últimas consecuencias cabe considerar que en mecánica cuántica se puede calcular la energía de un electrón en casos particulares, pero no es posible determinar simultáneamente su posición exacta.
Así pues, sólo se puede dar una distribución de probabilidad para las diversas situaciones posibles. Al aplicar la mecánica cuántica al estudio del átomo desaparecen las órbitas deterministas de los primeros modelos atómicos y se sustituyen por las expresiones de probabilidad o funciones onda ideadas por Erwin Schrödinger. Desarrollada con estas directrices, la mecánica cuántica no sólo eliminó las grandes dificultades de tipo lógico que presentaba la física teórica, sino que permitió también resolver nuevos problemas, tales como la interpretación de las fuerzas de valencia y de las fuerzas intermoleculares.