Descripción

«Todas las cosas están compuestas por átomos.» Esta sería, a tenor del físico estadounidense Richard Feynrnan, la tesis más importante de la historia de la física, aquella que valdría la pena conservar en caso de que una catástrofe hiciera olvidar todos los conocimientos adquiridos hasta la actualidad. Los átomos se pueden considerar las piezas de las que está hecha la realidad. O bien se encuentran aislados, o se enlazan entre sí formando moléculas o estructuras cristalinas, o se fusionan los núcleos atómicos, dando lugar a átomos más grandes, corno ocurre en el interior de las estrellas. Corno resultado de esta variedad existe el universo tal y corno lo conocernos.

Ya en los albores de la civilización occidental, un filósofo griego se atrevió a afirmar que en el universo solo hay átomos y vacío. Se trataba de Leucipo de Mileto (siglo v a.C.). Pero no fue hasta principios del siglo xx cuando físicos como Ernest Rutherford fueron capaces de mostrarnos en qué consiste la materia. Los átomos tienen un tamaño minúsculo. Para poder expresar su tamaño es necesario recurrir a una unidad de medida llamada angstrorn. Un angstrorn es 10-10 rn, es decir, un centímetro dividido en cien millones de partes, el átomo tendría un tamaño del orden de una de esas porciones. Los físicos del siglo xx enseñaron que el átomo no era indivisible, sino que tiene una estructura interna formada por elementos más pequeños, partículas subatómicas como protones, neutrones y electrones. Hoy día se considera que la materia puede describirse como formada por un conjunto de partículas (agrupadas bajo el nombre de fermiones), entre las que se distinguen dos tipos básicos: los quarks y los leptones. Estos, a su vez, incluyen diversos subtipos con propiedades diferenciadoras y, en general, solo ciertas combinaciones de ellos conforman la materia tal como la conocemos.

Esta hipótesis se denomina «modelo estándar de física de partículas» e incluye la comprensión de las fuerzas e interacciones fundamentales entre las partículas, lo que permite explicar la formación, desintegración o variedad de los átomos. Sobre la base de esta realidad granular, es todo un desafío explicar cómo un gran número de partículas encajan unas con otras como engranajes perfectos. Se ha estimado que el universo se compone de 1078 átomos (¡un 1 seguido de 78 ceros!), por su parte, el cuerpo de un solo ser humano alberga 1027 átomos, en su mayoría de oxígeno, carbono e hidrógeno, que forman células que se renuevan casi por completo en ciclos de cinco años.

Ahora bien, si todo está hecho de átomos, ¿estudiarlos nos puede dar la clave para comprender todo el universo? Así lo señala enfáticamente el físico neerlandés Martinus Veltman: «Conocerlo todo sobre la física de partículas elementales significa conocerlo todo sobre todo». Aunque Veltman se refiere con ello a una vision parcial del «todo», gracias al estudio de los átomos se ha conseguido enunciar científicamente el origen y la evolución del universo, descubrir cómo con el Big Bang se formaron primero agregados de quarks, para constituir, por ejemplo, núcleos de deuterio y helio, que se combinarían luego con electrones para formar átomos. Densificaciones de materia y energía formarían las estrellas, las galaxias, etc., y en ellas, los procesos que conducen a la formacion de átomos más masivos y sus combinaciones, hasta ese grado sumo de complejidad que es la vida. Históricamente, el átomo constituyó un límite arbitrario al que se tenía que circunscribir la curiosidad humana. Los átomos eran partículas indivisibles, como unidades básicas semejantes a los axiomas euclídeos de la geometría.

Nuestra limitación a la hora de conocerlos en profundidad se asemeja a la dificultad con la la que nos encontramos al intentar comprender la inmensidad del universo. Darse cuenta de que el universo no se acaba donde se pensaba en la Antigüedad y comprender que los átomos no son la mínima unidad constituyente de la materia han sido algunos de los hitos decisivos en la historia de la ciencia, en especial de los últimos dos siglos. ¿Cómo estudiar los átomos? Por mucho que todo lo que percibimos como materia esté constitúido por átomos, su tamaño minúsculo hizo que durante siglos se polemizara incluso sobre la posibilidad de su existencia. A principios del siglo xx, los físicos se encontraban ante el átomo como los seis sabios ciegos de la India ante un elefante: uno palpaba la trompa, otro el costado, otro los colmillos, otro las patas, otro la cola y otro las orejas, y cada uno concebía una realidad con fenómenos radicalmente diferentes.

Desde frentes distintos, ya fueran la radiación, el movimiento browniano, o los espectros de absorción y de emisión, se tenían indicios sobre su existencia, pero siempre era de forma indirecta, de tal modo que para muchos científicos la hipótesis atómica resultaba incluso metafísica o, expresándolo de otro modo, palabrería. Emest Rutherford, hombre corpulento y amante del rugby, fue el físico que logró descerrajar la caja fuerte que hasta ese momento había constituido el átomo para, efectivamente, llegar a conocer su interior. Esta es una de las razones por las que está considerado como el físico experimental más importante del siglo xx. Gracias a su metodología y a sus técnicas de investigación, pudo conocer la estructura fundamental que comparten todos los átomos. Para ello se sirvió de unos medios sencillos y elegantes. En la actualidad, por ejemplo, usamos sofisticados aceleradores de partículas y avanzados detectores para estudiar los elementos todavía mucho más fundamentales de la materia mediante colisiones, de forma extremadamente controlada y precisa. Rutherford no contaba con nada parecido ni remotamente.

Aun así, descubrió que el interior de los átomos contenía una estructura todavía más minúscula, de un tamaño con relación a aquel semejante al de una mosca en una catedral, o a la cabeza de un alfiler en un estadio de fútbol, y le puso el nombre de «núcleo». Con este descubrimiento se dio cuenta de la siguiente paradoja: en el núcleo estaba contenida casi toda la masa del átomo. Solo los electrones cruzaban el inmenso vacío que constituye el átomo. Dar con el núcleo fue, por su trascendencia, un acontecimiento históricamente comparable al descubrimiento de América o a pisar la Luna por primera vez. Este físico neozelandés demostró también que sobre el átomo se ignoraba todo, que se trataba de un vasto territorio que merecía la pena explorar.

No era el final del camino, sino más bien un punto de acceso a un mundo que más tarde se descubriría que sigue leyes absolutamente düerentes a las que podemos observar de forma cotidiana. Las piezas empezaron a encajar gracias a la contribución de otros físicos, empezando por el danés Niels Bohr. El átomo dejó de entenderse entonces de forma clásica para pasar a formar parte, definitivamente, del extraordinario y enigmático mundo cuántico. Pero Rutherlord no solo consiguió descubrir un universo entero en cada uno de los átomos, sino que además logró lo que parecía un sueño de locos: transmutar un elemento en otro. La transmutación era una antigua aspiración medieval alrededor de la cual se había desarrollado la alquimia. Tomar latón para convertirlo en oro no era más que un timo del doblador de cucharas de turno, hasta que llegó Rutherlord para demostrar que la transmutación química era en realidad un fenómeno físico que podía darse de forma natural y que también podía provocarse artificialmente.

La transmutación ponía en evidencia, por encima de todo, que en los átomos reinaba un orden y que estaban hermanados. Los elementos (hierro, oro, oxígeno, etc.) no eran categorías ajenas entre sí e incompatibles. A pesar de las diferencias, había extraordinarias similitudes que permitían convertir un átomo de un elemento en otro. De la misma manera que Darwin hizo patente que los seres vivos tienen un ascendente común, los átomos derivan todos ellos del hidrógeno. La transmutación sugería además que el núcleo se podía fragmentar y dividir en dos mitades. Para Rutherford, este proceso -llamado fisión y que sería formalizado por Otto Hahn, físico que trabajó a las órdenes de Rutherlord, y Lise Meitner- era casi irrelevante y apenas desataría energía. Sin embargo, como expresa la conocida ecuación de Einstein (E=mc2), existe una relación directa entre la masa y la energía que puede dar una idea de los fenómenos energéticos que comprenden cambios en la masa y en la estructura íntima de la materia.

El premio Nobel concedido a Rutherford en 1908, que para su sorpresa fue el de Química, se debió a «sus investigaciones en la desintegración de los elementos, y la química de las sustancias radiactivas». Fue uno de los muchos honores con los que se reconoció su labor. Rutherford también fue capaz de distinguir entre radiaciones alfa, beta y gamma. Estas radiaciones son un fenómeno que solo se comprendió tras algunas casualidades. En sus investigaciones, el nombre de Rutherford estuvo a la altura de otros físicos eminentes de la época, como los Curie o Antoine Henri Becquerel. Rutherford fue un físico experimental, amante del trabajo de laboratorio y reacio a los modelos puramente teóricos, alérgico a las dificultades matemáticas. Era una persona disciplinada, metódica, con capacidad para relacionar conceptos y fenómenos. Determinó, por ejemplo, la edad de la Tierra por primera vez gracias a la radiactividad.

La radiactividad daba la pista en una cuestión geológica ciertamente fundamental y respecto a la cual no existía acuerdo. Rutherford formó parte de una generación de científicos que trabajaba en solitario o bien en equipos de pocos miembros. Además, era una personalidad con capacidad de atraer el talento y de inspirar a los investigadores que tenía a su alrededor, lo cual explica que once de sus colaboradores fueran reconocidos con el premio Nobel. Su valioso y cuantioso trabajo motivó decisivamente a las siguientes generaciones para que se vieran obligadas a trabajar en equipos cada vez más grandes, desarrollando su labor en colaboraciones, con frecuencia internacionales, y que necesitaban de mayores inversiones, infraestructuras e instalaciones. Todo ello sitúa a Ernest Rutherford en una posición histórica clave: sus contribuciones no solo aportaron nuevos datos y conocintientos, sino que además lucieron entender la labor del científico de una manera nueva.