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Historia de la física: la teoría del electrón cumple 120 años Investigación y Ciencia, junio de 2012

Frank Wilczek*

El modelo del electrón propuesto por HendrikLorentz en 1892 sirvió de nexo entre la física clásica y la moderna. Este mes se cumplen 120 años de una creación tan profunda como influyente: la teoría del electrón propuesta por HendrikAntoonLorentz. Su electrón no era solo una hipotética partícula elemental, sino la piedra angular de una ambiciosa teoría de la naturaleza. Hoy, los físicos se han acostumbrado a la idea de que una descripción completa del mundo pueda emerger a partir de unas ecuaciones (...)

El modelo del electrón propuesto por HendrikLorentz en 1892 sirvió de nexo entre la física clásica y la moderna.

Este mes se cumplen 120 años de una creación tan profunda como influyente: la teoría del electrón propuesta por HendrikAntoonLorentz. Su electrón no era solo una hipotética partícula elemental, sino la piedra angular de una ambiciosa teoría de la naturaleza. Hoy, los físicos se han acostumbrado a la idea de que una descripción completa del mundo pueda emerger a partir de unas ecuaciones simples y elegantes. Con anterioridad al trabajo de Lorentz, sin embargo, dicha posibilidad no pasaba de pura mística.

Para la mayoría de los expertos, el momento cumbre de la física del siglo XIX llegó con la teoría de los campos eléctricos y magnéticos, englobados en la síntesis matemática que James Clerk Maxwell publicó en 1864. Desde entonces, la disciplina fue cubierta por una bruma que solo se despejó cuando, a principios del siglo XX, nacieron la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Esta leyenda ensombrece el nexo que existió entre ambos momentos, un logro brillante en sí mismo y construido gracias a una labor heroica.

Para ponernos un contexto debemos, en primer lugar, admitir una blasfemia: la exposición de Maxwell sobre sus propias ecuaciones es un auténtico caos. En sus artículos no encontraremos por ningún lado la estructura clara, compacta y elegante bajo la cual los estudiantes aprenden hoy las “ecuaciones de Maxwell”. En su lugar, hallamos un cúmulo de símbolos y un torrente descontrolado de palabras y ecuaciones. Maxwell, un hombre humilde, no supo percatarse de que estaba escribiendo poesía para la posteridad, digna de ser grabada en piedra, por lo que se limitó a sintetizar en lenguaje matemático todos los conocimientos de su época sobre la electricidad y el magnetismo. En sus escritos, las ecuaciones fundamentales se mezclan con una fenomenología improvisada.

Lorentz purificó el mensaje que escondían las ecuaciones de Maxwell y separó el grano de la paja. El grano: cuatro ecuaciones que describen la respuesta de los campos eléctricos y magnéticos a las cargas eléctricas en movimiento, más otra que especifica la fuerza que estos campos ejercen sobre una carga. La paja: todo lo demás.

Desde entonces contamos con un conjunto de ecuaciones bien definidas que nos permiten describir el comportamiento de los objetos que poseen una masa y una carga dadas. Pero ¿podrían emplearse esas ecuaciones para erigir una teoría de la materia basada en un concepto idealizado de “átomo” de carga eléctrica? Esa fue la tarea que Lorentz acometió con su teoría del electrón. A partir del artículo de 1892, Lorentz y sus adeptos emplearon dicha teoría para explicar, una tras otra, las propiedades de la materia: la conducción de la electricidad y el calor, el comportamiento dieléctrico, o la reflexión y la refracción de la luz, entre otras. De esa manera se sentaban los cimientos de las disciplinas que hoy denominamos electrónica o ciencia de materiales. El broche de oro llegó en 1897, cuando Joseph John Thomson demostró experimentalmente la existencia del electrón. (Podríamos decir que este fue concebido en 1892 y que nació en 1897).

Gran parte del artículo de Lorentz de 1892 versa sobre la idea, muy tentadora pero no exenta de problemas, de que la masa del electrón se deba a su carga eléctrica. Una carga en movimiento genera campos eléctricos y magnéticos, los cuales exhiben una resistencia natural al cambio y, a su vez, afectan al movimiento de la partícula. ¿Podría ser dicha reacción del electrón a su propio campo la causante de su inercia y, por ende, de su masa? Tales ideas cuentan con una larga historia: Aristóteles ya había intentado explicar la inercia de los cuerpos a partir de la resistencia que el aire oponía a su movimiento. La idea de Lorentz acera de una “masa electromagnética” ejerció una influencia enorme. Uno de los trabajos técnicos que inspiró su propuesta, realizado junto a Henri Poincaré, anticipó buena parte de las ideas de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein.

Sin embargo, la llegada de la mecánica cuántica cambió las reglas del juego, y la idea que de la masa del electrón se debiese a una reacción a su propio campo dejó de resultar viable. Con todo, no deja de resultar sorprendente que, años después, mis colaboradores y yo lográsemos explicar la masa de los protones, neutrones y otras partículas que experimentan los efectos de la interacción nuclear fuerte a partir de una idea similar a la de Lorentz. La inercia de esas partículas se debe al efecto que sobre ellas genera su propio campo de gluones, partículas que quedan descritas por la hermana mayor del electromagnetismo: la cromodinámica cuántica. Aunque por lo general se concede a la partícula de Higgs el mérito de dotar de masa a la materia, su contribución a la masa final de la materia ordinaria resulta muy pequeña. La bella idea de Lorentz, en su versión moderna, explica la mayor parte de la masa del mundo que nos rodea.

Aunque finalmente reemplazada por otra, la teoría del electrón de Lorentz desempeñó un papel fundamental en el camino hacia la física moderna. Al identificar las respuestas correctas a las preguntas adecuadas, Lorentz allanó el camino a la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Hacia el final de su vida, Einstein le dedicó un homenaje memorable; “Para mí, él significó más que cualquier otro a quien haya encontrado en el viaje de mi vida”.

*Frank Wilczek es físico teórico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. En 2004 recibió el premio Nobel de física por su contribución al desarrollo de la cromodinámica cuántica, la teoría de las interacciones nucleares fuertes.

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