Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Nobel cuánticos

Solía decir D. Miguel de Unamuno que "Si un hombre nunca se contradice, será porque nunca dice nada". Esta frase es muy adecuada para recordar la situación de la Física, a principios del presente siglo, en relación con la comprensión de la naturaleza de la materia y de la energía. La Física decía muchas cosas, pero parecían contradictorias.

La Física Clásica no lograba explicar diversos hechos, como eran los relacionados con los espectros luminosos emitidos por los gases calentados o sometidos a descargas eléctricas. O la coexistencia de dos teorías para la luz: la corpuscular y la ondulatoria. Tampoco, el hecho de no encontrar una base molecular para la Termodinámica.

La solución de todo ello se alcanzó con la formulación de la Teoría Cuántica, que ha permitido que el conocimiento de nuestro mundo material sea mucho más profundo. Como claro exponente de ello, el Premio Nobel de Física de 1998 se ha ligado a uno de los descubrimientos físicos consecuencia de la Teoría Cuántica, concretamente "al descubrimiento de una nueva forma de fluido cuántico con excitaciones cargadas fraccionalmente". Y el Premio Nobel de Química de 1998, básicamente, por "el desarrollo de los métodos computacionales en la Química Cuántica". Parece, pues, oportuno que repasemos los fundamentos de la Teoría Cuántica e intentemos comprender el significado del trabajo de los galardonados Nobel 1998 en los campos de la Física y de la Química.

HISTORIA. El científico alemán Max Planck (Premio Nobel de Física de 1918) fue quien, por primera vez, introdujo el concepto de cuanto, al indicar que las radiaciones poseen carácter de partícula, pero también de onda, de modo que la materia puede emitir y/o absorber energía en pequeñas unidades discretas denominadas cuantos.

El gran Albert Einstein (Premio Nobel de Física de 1921) demostró la interconexión existente entre materia y energía, como dos caras de una misma moneda, así como que el espacio y el tiempo son inseparables. Utilizó el concepto de cuanto, de Planck, para explicar las propiedades del efecto fotoeléctrico, es decir, lo que sucede cuando se emiten electrones desde una superficie metálica en la que incide una radiación tal como la luz.

El físico danés Niels Böhr (Premio Nobel de Física de 1922), en 1913 realizó una de sus numerosas y grandes contribuciones científicas, su modelo atómico, en el que los electrones se desplazan en órbitas determinadas, correspondiendo el cambio de órbita a la absorción o emisión de cierto número de cuantos de radiación.

En 1924, el físico francés Víctor de Broglie (Premio Nobel de Física de 1929) había expuesto muy precisamente el concepto de la dualidad onda-corpúsculo, lo que permitió que el físico austriaco Erwin Schrödinger (Premio Nobel de Física de 1933) desarrollase su ecuación de onda, para describir las propiedades ondulatorias de las partículas.

Las bases de la teoría cuántica quedaron asentadas en 1927, cuando el físico alemán Werner Heinsenberg (Premio Nobel de Física de 1932) estableció el principio de incertidumbre, es decir, que es imposible especificar simultáneamente con exactitud la posición y el momento lineal de una partícula. Dicho de otra forma sería que no se puede determinar la posición de una partícula sin modificar su velocidad. El carácter ondulatorio y corpuscular de la materia y de la radiación son dos propiedades complementarias.

El desarrollo de la Mecánica Cuántico pronto posibilitó una mejor comprensión de los átomos y de las partículas elementales, así como el desarrollo de nuevos campos de la Física: estado sólido, superconductividad, Física nuclear, etcétera.

NUEVO FLUIDO. La Real Academia de Ciencias de Suecia ha galardonado con el Nobel de Física de 1998 a los científicos americanos Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer y Daniel C. Tsui por sus descubrimientos de que, bajo los efectos de fuertes campos magnéticos y bajas temperaturas, los electrones pueden condensarse para formar una nueva forma de fluido cuántico. Ello da lugar a nuevas formas de partículas con cargas que son fracciones de la carga propia del electrón. Este nuevo fluido cuántico está relacionado con los fluidos cuánticos que se dan en el caso de la obtención del helio líquido o en el proceso de la superconductividad. Los hallazgos al respecto comenzaron a plasmarse en el año 1982 y están permitiendo conseguir un conocimiento más profundo de la estructura interna general y de la dinámica de la materia.

Clásicamente, es conocido el efecto Hall que describe ciertos comportamientos peculiares de los electrones sometidos a moderados campos magnéticos y temperatura ambiente. El efecto Hall es medido usualmente en muchos laboratorios que estudian los conductores y los semiconductores. A temperaturas extremadamente bajas y campos magnéticos muy intensos, a finales de los 70, se descubrió una forma cuántica íntegra del efecto Hall, que presentaba una resistencia cuantizada, explicable por las leyes de la Física cuántica. Los Nobel de este año, al estudiar este fenómeno, con temperaturas aun más bajas y campos magnéticos más altos, descubrieron un nuevo y sorprendente comportamiento de los electrones bautizado como forma cuántica fraccional del efecto Hall. Poco después llegó la explicación en forma de que lo que se formaba era una nueva forma de fluido cuántico resistente a la comprensión, incomprensible, ya que reacciona a la comprensión formando más cuasipartículas, cargadas fraccionalmente.

QUÍMICA CUÁNTICA. Los premiados con el Nobel de Química de 1998 han sido el científico americano Walter Kohn "por su desarrollo de la teoría funcional de la densidad" y el británico John Pople, por "su desarrollo de métodos computacionales en Química Cuántica". Los químicos siempre han soñado en comprender cómo funcionan en las moléculas los enlaces entre los átomos, lo que permitiría interpretar y predecir las propiedades de las moléculas. La mecánica cuántica abrió nuevas posibilidades teóricas al respecto, pero la complejidad de los tratamientos hacía totalmente inviable su utilización.

El desarrollo de mejores y más potentes ordenadores abrió una puerta de esperanza para la aplicación de la mecánica cuántica a los problemas químicos, dando nacimiento a la denominada Química Cuántica. Walter Kohn y John Pople han sido los pioneros de este campo. El trabajo teórico del Dr. Kohn fue imprescindible para simplificar las matemáticas de la descripción de los enlaces de los átomos, un prerrequisito de muchos de los cálculos que hoy son posibles de realizar. Y el Dr. Pople desarrolló toda la metodología cuanto-mecánica que actualmente es ampliamente utilizada en muchas ramas de la química, posibilitando un conocimiento más profundo de los procesos moleculares que la obtenible tan solo por la experimentación.

En resumen, la Física y la Química tan íntimamente unidas en su origen, historia y desarrollo, nuevamente han mostrado sus semejanzas, esta vez en el campo de la aplicación de la teoría cuántica, con motivo de la concesión de sus Premios Nobel del año 1998.