Particulas Y Antiparticulas

Historias de la ciencia

Capítulo 283

Cuestiones fundamentales 3

La física aporta elementos racionales, coherentes y verificables que ayudan a dilucidar algunas de las preguntas más fundamentales que la humanidad se ha formulado a través de su historia: ¿Qué somos? ¿Dónde estamos? ¿De dónde venimos? ¿A dónde vamos?

Partículas y antipartículas.

Por una paradoja de la historia antes de que la existencia de los átomos, supuestos últimos componentes de la materia, fuera un hecho comprobado y aceptado por la comunidad científica, se descubrió el electrón, que es una partícula subatómica. Cuando unos diez años más tarde Jean Perrin estableció plenamente la existencia de los átomos a partir de la teoría de Einstein sobre el movimiento browniano, ya se sabía que éstos no eran los constituyentes más elementales de la materia, es decir, que, en estricto sentido, los átomos de los elementos químicos no son átomos porque son divisibles.

El descubrimiento del electrón definió nuevos caminos en el programa de investigación sobre la constitución y las propiedades de la materia, y, como suele suceder, a la vez que permitió esclarecer una gran cantidad de cuestiones pendientes referentes a la conducción de la electricidad y los fenómenos asociados a las corrientes eléctricas, también planteó nuevos problemas relacionados con la naturaleza de las partículas elementales y la estabilidad de la materia.

Pero en contra de lo que se podría pensar, el descubrimiento del electrón no trajo aparejado el del protón. Pasaron más de veinte años luego de que Thomson descubriera el electrón antes de que Rutherford diera cuenta de la existencia del protón, como resultado de subsecuentes investigaciones al descubrimiento del núcleo atómico.

Positrón

En 1928 Paul Dirac propuso la célebre ecuación que lleva su nombre, y da cuenta del comportamiento de los electrones sujetos a las restricciones que impone la teoría de la relatividad y a los lineamientos de la mecánica cuántica. Un sorprendente resultado que arroja el examen de esta ecuación es la existencia de una partícula idéntica al electrón pero de carga eléctrica positiva. Cuatro años más tarde, el físico Carl Anderson descubrió evidencias experimentales de la existencia de la partícula predicha por la ecuación de Dirac, luego de estudiar trazos de trayectorias de partículas provenientes de la radiación cósmica. La nueva partícula, denominada positrón, es la manifestación de una simetría fundamental de la naturaleza por la cual a toda partícula elemental le corresponde otra partícula idéntica pero de carga contraria que, por razones puramente técnicas, se denomina antipartícula.

Átomos y calor

Uno de los logros más sobresalientes de la física del siglo diecinueve, y de toda su historia, fue el establecimiento de la ley de la conservación de la energía. Gracias a los métodos de la mecánica estadística fue posible expresar conceptos como temperatura y entropía en términos de corpúsculos en movimiento. De esta manera, la termodinámica quedó reducida a la mecánica y la física se fortaleció al contar con principios de carácter cada vez más universal y de mayor capacidad explicativa, gracias a lo cual conceptos como el calórico, la supuesta sustancia responsable de los fenómenos termodinámicos, o el flogisto, agente activo en los procesos de combustión, se hicieron innecesarios, y el concepto de calor se vio reducido a una suerte de movimiento microscópico de la materia. Pero un movimiento microscópico demanda la existencia de objetos microscópicos que se muevan.

El modelo cinético corpuscular surgió como una propuesta para explicar los fenómenos termodinámicos en el marco del principio de conservación de la energía. Así, para dar cuenta del calor asociado al aumento de temperatura que se observa luego de que un objeto macroscópico pierde su movimiento por un choque contra otro objeto o por fricción con el medio, es necesario suponer un aumento en el grado de movimiento de los corpúsculos que componen el cuerpo mayor, de tal modo que la energía total del sistema permanezca constante.

A mediados del siglo diecinueve Rudolf Clausius utilizó el modelo cinético corpuscular y los principios de la mecánica para derivar la ecuación de estado de los gases ideales, a la que se había llegado inicialmente de manera empírica gracias a los trabajos de Boyle y Guy-Lussac, entre otros. Clausius asumió que el gas confinado en un recipiente estaba compuesto de corpúsculos cuyos choques con las paredes generaban presión. Luego de calcular la frecuencia e intensidad de los choques contra las paredes, y de asignar un valor promedio para la velocidad cuadrática de los corpúsculos, suponiendo la validez del principio de conservación de la energía Clausius demostró que la temperatura de un gas es una medida de la energía cinética media de los corpúsculos que lo componen.

La interpretación mecánica del concepto de temperatura elaborada por Clausius va más allá de la obvia, pero poco esclarecedora, idea de que temperatura es lo que miden los termómetros.

Irreversibilidad

Uno de los aspectos más sobresalientes de los fenómenos termodinámicos es la irreversibilidad. Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se encuentran inicialmente a diferentes temperaturas y transcurre el tiempo necesario, los cuerpos el equilibrio térmico a una temperatura intermedia.

El calor solo fluye en una dirección y el equilibrio térmico al que se llega es irreversible. Para dar cuenta de esta situación Clausius definió el concepto de entropía, en cuyos términos se expresa la segunda ley de la termodinámica. Según esta ley en todo proceso termodinámico espontáneo el valor de la entropía siempre tiende a un máximo, y una vez alcanzado este valor la entropía permanece constante, lo cual define la condición del equilibrio.

Boltzmann demostró que en el equilibrio la entropía del sistema alcanza su máximo valor.

La expresión matemática propuesta por Boltzmann para la entropía es

S = k ln

De acuerdo con la definición de Boltzmann la entropía se puede interpretar como una medida de la probabilidad de que un sistema termodinámico se encuentre en determinado estado. De acuerdo con lo anterior, la irreversibilidad de los procesos termodinámicos es cuestión de probabilidades. En efecto, dado que el equilibrio es el estado de máxima probabilidad, cuando un sistema no se encuentra en equilibrio ocupa un estado de menor probabilidad y, por lo tanto, la deriva estadística generada por las fluctuaciones del sistema lo conducirá hacia el estado más probable, esto es, al de máxima entropía.

El número de corpúsculos

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