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La tristeza de ser un electrón

22 Ago

Hace 100 años, el físico Robert Millikan alcanzó la gloria con la publicación del artículo en el que demostraba la existencia de la carga del electrón. Diez años más tarde sería distinguido con el Nobel, y su experimento calificado como uno de los más hermosos de la historia de la ciencia.

Fue durante los primeros años del siglo XX que Robert Millikan decidió que ya era hora de hacer algo importante en física. Algo que lo llevara a un sitial de honor en la historia de la ciencia. Estaba por cumplir 40 años y no había publicado ningún resultado científico por el que pudiese ser recordado. Llevaba una década dedicado fundamentalmente a la docencia. Era un gran profesor. Había escrito varios libros, populares entre académicos y estudiantes por su refrescante y poco convencional mirada de la física.

El 2 de junio de 1913, hace exactamente un siglo, firmó el artículo que haría realidad sus anhelos de gloria. Aparecería poco tiempo después en la prestigiosa revista The Physical Review, y se transformaría rápidamente en un clásico. Su título: “Sobre la carga eléctrica elemental y la constante de Avogadro”. El artículo era definitivo respecto a la existencia de una carga eléctrica elemental: la carga del electrón. Millikan pudo medirla con un error inferior al 0,2%. Todo en la naturaleza debía poseer carga eléctrica en múltiplos enteros de este valor fundamental. La existencia de “sub-electrones”, partículas con carga eléctrica menor que la del electrón, que el controvertido físico austriaco Félix Ehrenhaft decía haber detectado, quedaba así descartada.

Millikan recibiría el Premio Nobel de Física en 1923 gracias a este experimento, uno de los diez más hermosos de la historia de la ciencia según una encuesta hecha hace algunos años por el New York Times.

LA DANZA DE LAS GOTAS DE ACEITE

El electrón había sido descubierto por Joseph John Thomson en 1897. Hacía décadas que se conocían y utilizaban los tubos de rayos catódicos, incluso para realizar demostraciones públicas de gran impacto visual, pero nadie entendía a ciencia cierta de qué estaban hechos. Se veían afectados en presencia de un imán, de modo que estaban cargados eléctricamente, pero su masa era más de mil veces menor que la del átomo más liviano. Thomson aventuró la posibilidad de que se tratara de partículas que constituyen a los átomos, en una época en la que se pensaba que éstos eran indivisibles, y fue capaz de medir con mucha precisión la razón entre su masa y su carga eléctrica, pero no estas cantidades individualmente. Una medición de la carga eléctrica implicaba, por lo tanto, poder conocer su masa. Para Millikan era el desafío perfecto.

El experimento consta de dos placas paralelas metálicas que se disponen horizontalmente. Por un agujero de la placa superior se dejan caer pequeñísimas gotas de aceite producidas por un atomizador. El movimiento de cada gota es observado a través de un microscopio. Si se conecta una batería entre las placas, el campo eléctrico producido es capaz de frenar la caída, e incluso empujar las gotas hacia arriba. Estudiando el movimiento de las gotitas mientras se conecta y desconecta la batería, Millikan fue capaz de determinar la carga acumulada en cada una de ellas. Inexorablemente, resultaba ser un múltiplo de una unidad de carga elemental.

La idea del experimento nació en una conversación que mantuvo con Louis Begeman, profesor en Chicago, y con Harvey Fletcher, un estudiante que buscaba un tema para desarrollar su tesis doctoral bajo la dirección de Millikan. Hablaron de los intentos de medir la carga eléctrica que Thomson y sus colegas habían efectuado en Cambridge. Era un experimento muy similar al descrito, pero en el que se usaba agua en lugar de aceite. Las gotas se evaporaban muy rápido, haciendo muy difíciles y poco precisas las mediciones. De hecho, Millikan y Begeman lo habían reproducido en su laboratorio. En la conversación se sugirió que quizás otra sustancia podría mejorar las condiciones experimentales. “Allí está tu tesis -le dijo Millikan a su estudiante-. Anda y prueba con mercurio o con aceite, que no se evaporarán”.

Esa misma tarde Fletcher fue a una farmacia, compró un atomizador y una botella de aceite de reloj e hizo un primer montaje del experimento. Al mirar por el microscopio quedó impactado: “Vi un paisaje maravilloso. El campo de visión estaba cubierto de estrellitas, que tenían todos los colores del arcoíris. Las más grandes caían pronto al fondo del recipiente, mientras las más pequeñas se mantenían suspendidas en el aire por casi un minuto, ejecutando una danza fascinante. (…) las pequeñas gotas estaban siendo empujadas primero en una dirección y luego en otra por las moléculas de aire que las rodeaban”.

EL ROL DEL PADRE DEL SONIDO ESTÉREO

Cuando Millikan vio el montaje de Fletcher quedó impresionado. Siguieron trabajando durante dos años, codo a codo, mejorando el experimento. Publicaron cinco artículos entre 1909 y 1910. Le dijo a su estudiante que para su tesis debía tener artículos como único autor, por lo que determinaron que dos serían firmados por él, dos por ambos y sólo uno por Millikan. Claro que se trataba del primero y, por lo tanto, el más importante. Esto ha propiciado un debate sobre el rol de Fletcher en el descubrimiento. Muchos dicen que debió haber recibido el premio Nobel junto a Millikan.

Fletcher siempre se mantuvo al margen de la discusión. A pesar de que en 1911, tras su graduación, dejó la Universidad de Chicago, mantuvo una larga amistad con Millikan, que perduró hasta su muerte. Es posible que hubiese merecido el premio. Pero también parece claro que fue Millikan el gran arquitecto del experimento. Trabajó por muchos años sobre la idea y, ya sin la ayuda de Fletcher, fue el autor único del artículo publicado hace cien años.

Con el tiempo, Fletcher se transformaría en director de investigación de Bell Telephone Laboratories. Allí fueron particularmente famosos los trabajos bajo su liderazgo en las áreas de percepción de sonido, grabación electrónica y sonido estereofónico. De hecho, es más conocido hoy como el padre del sonido estéreo que por sus contribuciones en el experimento de Millikan.

UNA CARGA DE MISTERIO

Uno de los grandes misterios de la naturaleza sigue siendo por qué la carga eléctrica siempre se manifiesta en múltiplos de la carga que corresponde a un electrón. El protón, por ejemplo, tiene exactamente la misma carga, pero con signo opuesto. Mucha de la materia que observamos en el firmamento está tan distante que jamás pudo haber estado en contacto entre sí. ¿Qué clase de conspiración universal está detrás de este reparto de la carga eléctrica en paquetes que no admiten ser fraccionados?

Al recibir el Nobel de Física, Richard Feynman contó una anécdota al respecto. Su director de tesis en Princeton, John Archibald Wheeler, lo había llamado por teléfono muy excitado diciéndole: “¡Ya sé por qué todos los electrones tienen la misma masa y carga! ¡Porque son todos el mismo electrón!”. Borges escribiría tiempo después una idea parecida: “Y los tigres que fueron y serán (…) el tigre arquetipo, ya que el individuo, en su caso, es toda la especie”. Wheeler imaginó a un único electrón que, yendo y viniendo hacia atrás y adelante en el tiempo, sería capaz de pasar por el presente muchas veces en distintos lugares. Cada vez que lo hiciera hacia el futuro, veríamos un electrón, mientras que al hacerlo hacia el pasado, observaríamos un antielectrón o positrón, de igual masa pero de carga eléctrica opuesta. Feynman le contestó que no podía ser así, pues había muchos más electrones que positrones.

Si bien la idea no prosperó de inmediato, como lo reconoció el propio Feynman en su discurso ante la academia sueca, fue el germen de su audaz propuesta de que las antipartículas pueden interpretarse como partículas viajando hacia el pasado, idea que está en el corazón de su teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas, por la cual recibió el premio Nobel. El misterio de la atomización de la carga eléctrica, como vemos, ha obsesionado a las mentes más brillantes durante el último siglo. Hoy se conocen otras partículas que llevan carga eléctrica. Todas siguen satisfaciendo este mágico principio, con la única excepción de los quarks, partículas de las que están hechos, por ejemplo, los protones y neutrones. Éstos tienen cargas eléctricas que son múltiplos de la tercera parte de la del electrón. Sin embargo, los quarks no existen en soledad: siempre se presentan en grupos de dos o tres, formando partículas compuestas que tienen una carga compatible con la observación de Millikan.

MONOPOLOS MAGNÉTICOS Y CARGA ELÉCTRICA

En 1931, Paul Dirac propuso una idea desconcertante que, entre otras cosas, podía explicar la atomización de la carga eléctrica. Dirac era un obsesivo de la estética formal de las teorías físicas. A partir de esta clase de argumentos había predicho la existencia de la antimateria poco tiempo antes. Y la simetría es belleza. Por ello, la presencia de una sutil asimetría en la teoría de la electricidad y el magnetismo, formulada por Maxwell a fines del siglo XIX, le producía una inquietud perturbadora. Hay dos ingredientes en esta teoría: los campos eléctrico y magnético, que impregnan el espacio, y la materia que les da origen e interactúa con ellos. A pesar de que los campos entran en las ecuaciones de forma simétrica -es decir, son esencialmente intercambiables-, la materia que los genera presenta una asimetría estrepitosa: no existen cargas magnéticas. Esto es algo bien sabido. Los imanes siempre tienen dos polos. Es imposible conseguir un imán, digamos, que sólo tenga un polo norte.

Para el refinado paladar de Paul Dirac resultaba una afrenta estética intolerable que la naturaleza tuviera semejante mal gusto. En uno de los artículos teóricos más geniales de la historia de la ciencia, Dirac decidió dar la espalda a los hechos experimentales y postular la existencia conjetural de cargas magnéticas, comúnmente denominadas monopolos, para indagar sobre sus posibles consecuencias. Sabía que la existencia de monopolos magnéticos era incompatible con la propia definición de los campos eléctrico y magnético. Siguiendo un hilo de razonamiento cuya originalidad e ingenio sobrecogedores no caben en estas líneas, Paul Dirac demostró que las leyes de la física cuántica son suficientes para demostrar que la existencia de un solo monopolo magnético garantizaría que todas las cargas eléctricas del universo, no importa cuán remoto sea el rincón en el que se encuentren, deban ser múltiplos enteros de una unidad de carga fundamental.

No deja de ser irónico que cuando Paul Dirac, antes de cumplir los 30 años, entró en el Olimpo de la ciencia al confirmarse experimentalmente la existencia de la antimateria, Robert Millikan se erigiera, casi en solitario, en uno de sus críticos más contumaces. A su vez, Felix Ehrenhaft, crítico consuetudinario de Millikan, aseguró haber observado monopolos magnéticos en los años 40. No hay, sin embargo, evidencias hasta la fecha de la existencia de al menos un monopolo, que por sí solo respondería el gran misterio secular que Millikan nos heredó.

vía Qué Pasa.

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Publicado por en 22 agosto, 2013 en Ciencia y Tecnología, Tecnología

 

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