FÍSICA ATÓMICA
Los lectores de cómics esperan, de manera bastante razonable, que el héroe triunfará al final de la historia. Lo divertido, así pues, está en los desafíos que hay que superar a medida que la historieta mensual se acerca a su término. Una característica a destacar es que cuanto mejor es el supervillano mejor es la historia, lo que es probablemente una razón por la cual Los Cuatro Fantásticos fueron tan populares a inicios de los sesenta. Es cierto que el diseño gráfico de Jack Kirby era un factor relevante, así como la trama y la descripción de los personajes del intrépido cuarteto, obra de Stan Lee. Pero si un superhéroe sólo es tan bueno como su némesis, entonces los Cuatro Fantásticos alcanzaron su esplendor en el ejemplar número 5 (julio de 1962) cuando se convirtieron en los «prisioneros del Doctor Muerte».
Victor von Doom era un genio científico, sólo aventajado por Reed Richards, el jefe de los Cuatro Fantásticos. Richards y Von Doom asistieron a la misma escuela, formándose ambos en estudios de ciencia (en el mundo de los cómics, las instituciones de más nivel compiten por alumnos estudiosos al estilo de como en nuestro mundo real las universidades lo hacen por los atletas). Von Domm fue expulsado cuando uno de sus experimentos científicos «prohibidos» salió desastrosamente mal, reventando el laboratorio y dejando cicatrices en su cara. Ocultando su desfiguración tras una máscara metálica, diseñó un traje blindado de alta tecnología que rivalizaba con el de Iron Man y comenzó una larga cruzada de conquista del mundo como Doctor Muerte. Naturalmente, al no haber acabado su graduación, Von Doom no es realmente un doctor, y éste es muy probablemente su resentimiento con respecto a su estatus A. B. D.[67], junto con su deseo de humillar a Reed Richards, objeto de sus ambiciones diabólicas. A diferencia de los villanos de los cómics DC de los sesenta, que siempre acababan detenidos y entregados a la policía al final del relato, los Cuatro Fantásticos nunca parecían capaces de acabar el combate con el Doctor Muerte más allá de un empate. Naturalmente, puesto que además era el dictador de la pequeña nación europea de Latveria, nunca quedaba demasiado claro cuáles eran las autoridades a las que se podía entregar un jefe de estado.
Para mayor abundamiento, su orgullo era tan grande que prefería enfrentarse a una muerte casi cierta que a la cárcel. En consecuencia, una típica contienda con el Doctor Muerte finalizaría con éste perdido en el espacio, abandonado a su suerte en otra dimensión o atrapado en el tiempo, destinos todos ellos proyectados por él para los Cuatro Fantásticos. En el clímax del apropiadamente titulado «El regreso del Doctor Muerte» del número 10 de Los Cuatro Fantásticos, Doom fue alcanzado por un rayo reductor que había planificado utilizar contra los Cuatro Fantásticos. La historia terminó con Doom reducido a la nada, pero esto no sería lo último que veríamos del supervillano. Seis ejemplares después, en el número 16 de los Cuatro Fantásticos, los cuatro héroes viajaron al «micromundo del doctor Doom», donde supieron que éste había sobrevivido a su dura experiencia de contracción. En algún momento de su reducción de tamaño entró en un «micromundo, un mundo que podría caber en la cabeza de un alfiler». Más tarde, en el número 76 de Los Cuatro Fantásticos, Reed, Ben y Johny se aventuraron dentro de un completo microuniverso, es decir un universo (al menos una galaxia) de micromundos. El microuniverso se describía como si estuviese en el interior de una mancha de un portaobjetos de microscopio, en el laboratorio de Reed Richards. Esto eliminaba al menos la necesidad de explicar la enorme coincidencia en el número 16 de Los Cuatro Fantásticos del Doctor Muerte y los CF situados exactamente encima de uno de tales microplanetas cuando empezaron a reducirse.
Si el micromundo que Doom encontró y que conquistó a renglón seguido podía caber en la cabeza de un alfiler, entonces su diámetro en el ecuador es aproximadamente de un milímetro. Como comparación, el diámetro de la Tierra es de 13.000 km. Un kilómetro es un millón de milímetros, así que el micromundo es treinta mil millones de veces menor que la Tierra. Recuerde que en el capítulo 7 tratamos de las dificultades inherentes a la reducción de tamaño de un objeto. El micromundo no puede ser seis mil millones de veces más denso que nuestro planeta, a menos que esté compuesto de la materia de una estrella enana blanca. El hecho de que el Doctor Muerte, los Cuatro Fantásticos y los habitantes de este micromundo puedan caminar normalmente sugiere que no es éste el caso. Tanto el Doctor Muerte como Reed Richards parecen tan rápidos en el micromundo como lo son a tamaño normal, y la Cosa no es menos fuerte, así que es improbable que pierdan átomos al reducirse de tamaño. Debemos por lo tanto concluir con pesar que el micromundo del Doctor Muerte se parece mucho a sus otros «planes maestros», impresionantes en principio pero decepcionantes en su logro.
Si es tan difícil construir un mundo que quepa en la cabeza de un alfiler, ¿qué podemos hacer con la aventura de Atom, «The Deadly Diamonds of Doom», en el número 45 de Atom? En esta historia, un artefacto de diamante hallado en el monte Pico de las Islas Azules es llevado a Ivy Town por un arqueólogo amigo de Ray Palmer (alter ego de Atom). Unos haces extraños de rayos emanan de él, convirtiendo a las personas y a los gatos domésticos en estatuas de diamante. «Aunque esto parezca sólido —piensa el profesor Palmer mientras alcanza los controles de su tamaño y peso— ¡hay grandes abismos de espacio entre los átomos que forman el diamante!»
Muy cierto. La mayor parte de un átomo es en realidad espacio vacío entre el núcleo cargado positivamente y la localización promedio de los electrones cargados negativamente. Cuando el Diminuto Titán se encoge hasta escalas subatómicas, descubre otro planeta completo ¡dentro de un átomo! No sé qué decir acerca de lo que compone a este planeta. No puede estar formado por átomos, ciertamente, puesto que es menor que los electrones que residen en el artefacto de diamante. Desde luego el descubrimiento de que podrían existir civilizaciones enteras residiendo en el interior de los átomos de la materia ordinaria hubiera hecho ganar a Palmer un premio Nobel como muy poco, junto con fortuna y fama mundial. Tal es la característica de este héroe que ni siquiera consideró informar acerca de este descubrimiento científico, ni de ninguno de los otros micromundos que encontró en los números 4 y 19 de Atom comics, en el 18 de La Liga de la Justicia, y en el número 53 de Brave and the Bolds.
Aunque la pretensión de los cómics de que hay micromundos en el interior de los átomos es pura fantasía, la región del interior de un átomo tal como es entendida por la mecánica cuántica no es menos extraña. En los «espacios vacíos» del interior de un átomo hay «ondas de materia» asociadas con el movimiento de un electrón. Estas ondas de materia son la clave para comprender la física atómica.
¿Qué puede hacer cuando todo lo que sabe es incorrecto?
Ha llegado el momento de profundizar en el mundo de los átomos. Las cosas tratarán de física en las próximas páginas, pero tenga paciencia conmigo. Pronto volveremos a los cómics. Hace falta cierto trasfondo para comprender por qué algunos físicos toman en serio la noción de universos paralelos y de un número infinito de Tierras.
A finales del siglo XIX había un cuerpo creciente de evidencia experimental que indicaba que los principios físicos descritos en los capítulos anteriores fallaban al explicar el comportamiento de los átomos y de la luz. Los físicos estaban bloqueados tratando de explicar por qué relucían las cosas calientes. Coloque un atizador de hierro en un rugiente fogón y, al calentarse, se pondrá primero al rojo vivo y, al cabo de un tiempo, al blanco. Gracias a la teoría del electromagnetismo de Maxwell discutida en el capítulo anterior, los físicos comprendieron que las cargas eléctricas oscilantes de cada átomo, al vibrar a medida que el atizador se calienta cada vez más, emitían luz, y que cuanto más rápidamente se agitaban los átomos en torno a sus posiciones de equilibrio, mayor sería la frecuencia de la radiación electromagnética resultante. Ya en el siglo XIX los científicos habían diseñado técnicas ingeniosas para medir tanto la luz ultravioleta como la infrarroja, en las regiones más alta y más baja del espectro electromagnético visible, delimitando la delgada franja de luz que pueden ver nuestros ojos. En consecuencia podían medir con precisión cuánta luz emitía exactamente un objeto caliente para una longitud de onda determinada a medida que se hacía aumentar su temperatura. Descubrieron dos cosas sorprendentes. La primera, que la fracción de luz emitida para una determinada longitud de onda depende solamente de la temperatura del objeto, y de ninguna otra característica. Independientemente de la composición material, forma o tamaño de un objeto, lo único que determina el espectro de luz emitida era su temperatura. La segunda, que la cantidad total de luz emitida no era infinita y que dependía también solamente de la temperatura. Este segundo punto fue la primera ficha de dominó que cayó conduciendo en último término al desarrollo de la mecánica cuántica.
El hecho de que la luz de un objeto caliente dependa solamente de su temperatura impide que obtengamos algo de nada. Si dos objetos hechos de distintos materiales a la misma temperatura emitieran distintos espectros de radiación, habría una forma de tener una transferencia neta de energía entre ellos, y en consecuencia trabajo útil sin flujo ninguno de calor. Aunque esto sería una violación útil de la segunda ley de la termodinámica, resulta que no tiene lugar justamente por dicha razón. Un beneficio práctico del hecho de que el espectro de luz emitida dependa solamente de la temperatura es que podemos utilizar la intensidad de luz emitida como función de la longitud de onda para determinar la temperatura de objetos allí donde no pueden usarse los termómetros corrientes. Así es como se mide la temperatura de la superficie del Sol (de unos 6.100 °C aproximadamente) y el remanente de la radiación de microondas de fondo cósmico del Big Bang (tres grados sobre el cero absoluto), a través del espectro de luz que producen.
El segundo descubrimiento, el de que la energía emitida por un objeto incandescente no es infinita, no representó realmente un trauma para los físicos. Lo que hallaban incómodo era que la teoría electromagnética de Maxwell predecía que la cantidad de energía luminosa emitida debería crecer sin límite. Los cálculos utilizando la teoría de Maxwell predecían correctamente cuánta luz se debía emitir a bajas frecuencias, en acuerdo exacto con las observaciones. Al crecer la frecuencia de la luz emitida por un objeto caliente hacia la región de la parte ultravioleta del espectro, la intensidad de luz medida alcanzaba un pico y para frecuencias mayores disminuía de nuevo hasta un valor bajo, que era lo esperable tanto de la conservación de la energía como del sentido común. No obstante, la curva calculada indicaba que la intensidad debería volverse infinitamente alta al aumentar la frecuencia. A esto se le llamó la catástrofe ultravioleta, aunque era una «catástrofe» solamente para los teóricos que hacían los cálculos. Muchos científicos verificaron una y otra vez los cálculos, pero no pudieron encontrar ningún error.
Las ecuaciones de Maxwell habían funcionado tan bien en todos los demás casos (condujeron a la invención de la radio en 1895 y harían eventualmente posible el desarrollo de la televisión, así como todas las formas de comunicación inalámbrica) que era dudoso que hubiera en ellas algo fatalmente equivocado. Antes bien, los científicos concluyeron que el problema debería residir en la aplicación de la teoría de Maxwell a los átomos vibrantes de un objeto incandescente. De nuevo, muchos intentaron hallar un enfoque alternativo, alguna teoría distinta que pudiera explicar el espectro observado de la luz emitida por un objeto incandescente. Aquí es donde resulta importante el hecho de que el espectro dependa solamente de la temperatura del objeto. Si la teoría del electromagnetismo no pudiera explicar el comportamiento de uno o dos elementos exóticos de la materia, bien, eso hubiera sido algo embarazoso, pero no una tragedia. Esta incapacidad para explicar una propiedad compartida por toda la materia era francamente embarazosa y había que hacer algo.
En 1900, el físico teórico Max Planck, reconociendo que situaciones desesperadas exigen determinaciones desesperadas, hizo lo único que pudo para explicar el espectro de luz emitida por un objeto incandescente: hizo trampas. Primero determinó la expresión matemática que correspondía a la curva de incandescencia obtenida experimentalmente. Una vez supo qué fórmula necesitaba, se dispuso a encontrar una justificación física para ésta. Luego de ensayar diversos esquemas, la única solución que pudo obtener y que le proporcionaba la ecuación de la curva de incandescencia necesaria implicaba imponer restricciones a la energía de los átomos que formaban el cuerpo incandescente. Planck propuso en esencia que los electrones de cada átomo podían tener solamente energías específicas. De la palabra latina para «cuanto», esta teoría se llamó física cuántica. La separación entre niveles de energía adyacentes era en la práctica muy pequeña. Y quiero decir realmente muy pequeña: si la energía de una pelota de tenis bien golpeada es de 50 kg m2/s2, entonces la separación entre los niveles adyacentes de energía de un átomo es menos de una trillonésima parte de un kg m2/s2. Esto debería proporcionar cierta perspectiva la próxima vez que usted escuche ufanarse a un comercial de que la última innovación de un automóvil o de un detergente para lavar ropa representa un «salto cuántico».
Planck tuvo que introducir una nueva constante en sus cálculos, un parámetro ajustable al que llamó h. Supuso que cualquier cambio en la energía de un átomo solamente podía tomar los valores E = hf, o E = 2hf o E = 3hf, y así sucesivamente, pero ninguno de los intermedios (así pues el átomo no podría tener nunca un cambio de energía de, digamos, E = 1,6 hf o 17,9 hf) donde f es la frecuencia característica del elemento atómico específico. Esto es como decir que un péndulo puede oscilar con un período de un segundo para completar un ciclo o diez segundos, pero que es imposible conseguir que el péndulo oscile en cinco segundos. El propio Planck pensó que esto era estrafalario, pero que era necesario para que sus cálculos dieran la respuesta correcta. Una vez que obtuvo la expresión correcta del espectro de un objeto incandescente, intentó hacer que el valor de h pasara a ser cero. Para su desánimo descubrió que al hacerlo su expresión matemática volvía al resultado de energía infinita del electromagnetismo clásico. El único medio de evitar este resultado infinito sin sentido era decir que los átomos no pueden tener los valores de energía que quieran, sino que deben efectuar siempre cambios en saltos discretos de magnitud E = hf. Puesto que h tiene un valor pequeñísimo (h = 660 trillonésimo de trillonésimo de un kgm2/s) nunca advertimos esta «granularidad» de la energía cuando tratamos con objetos grandes tales como pelotas de béisbol o automóviles en movimiento. Pues la escala de energía de un electrón en un átomo es del todo significativa y no puede ignorarse en absoluto.
El hecho de que la energía de los electrones de un átomo pueda tener solamente valores discretos, sin nada intermedio, es ciertamente extravagante. Imagine las consecuencias de este carácter discreto de la energía en el caso de un automóvil que va por una autopista a 80 km/h si la constante h de Planck fuera mucho mayor. La teoría cuántica nos dice que el automóvil podría ir a una velocidad menor, 60 km/h, o a una velocidad más rápida, 100 km/h, ¡pero no a ninguna otra velocidad intermedia! Aunque podamos concebir que el automóvil va a 88 km/h y calcular cuál sería su energía cinética, sería físicamente imposible que fuera a esa velocidad, de acuerdo con los principios de la física cuántica. Si el automóvil absorbe alguna energía (de una ráfaga de viento, por ejemplo), podría aumentar su velocidad hasta los 100 km/h, pero solamente si la energía del viento puede salvar la diferencia en la energía cinética. Para una ráfaga de una energía ligeramente menor, el automóvil ignorará el impulso del viento y continuará con su velocidad original. Solamente si la energía del viento corresponde exactamente a la diferencia en la energía cinética de 60 a 80 km/h, o de 60 a 100 km/h, el automóvil «aceptaría» este impulso y pasaría a moverse a una velocidad mayor. La transición a la velocidad más alta sería casi instantánea, y la aceleración durante este cambio sería terrible para los ocupantes del automóvil. Esta situación parece ridícula cuanto se traslada al tráfico de la autopista, pero describe correctamente la situación de los electrones en un átomo.
¿Hay algún modo de comprender por qué la energía de un electrón en un átomo puede tomar solamente ciertos valores discretos? Sí, realmente, pero antes debe usted aceptar un concepto ciertamente extraño. De hecho, toda la «extrañeza» asociada con la física cuántica se puede reducir a la afirmación siguiente: Hay una onda asociada con el movimiento de cualquier materia, y cuanto mayor es el momento del objeto más corta es la longitud de onda de la misma.
Cuando algo se mueve, tiene un momento. El físico Louis de Broglie sugirió en 1925 que, asociado con este movimiento, existe cierta especie de «onda de materia» relacionada con el objeto, y la distancia ente picos adyacentes o puntos más bajos de esta onda (su longitud de onda) depende del momento del objeto. Los físicos se refieren a la «función de onda» de un objeto, pero nosotros seguiremos hablando de la «onda de materia» como un recuerdo de que nos estamos refiriendo a una onda asociada con el movimiento de un objeto físico, ya sea un electrón o una persona.
Esta onda de materia no es una onda física. La luz es una onda de campos eléctricos y magnéticos alternantes creados por una carga eléctrica acelerada. Las ondulaciones provocadas por el viento en la superficie de un estanque o los anillos concéntricos formados cuando se lanza una piedra al agua son el resultado de oscilaciones mecánicas de la superficie del agua. Las ondas de sonido son una serie de compresiones y expansiones alternantes de la densidad del aire o de algún otro medio. En contraste, la onda de materia asociada con el momento de un objeto no es como ninguna de esas ondas, sino en cierto sentido cabalga moviéndose con el objeto. No es un campo eléctrico ni magnético, ni puede existir separada del objeto, ni necesita de un medio para propagarse. Pero esta onda de materia tiene consecuencias físicas reales. Las ondas de materia pueden interferir cuando dos objetos pasan cercanos entre sí, al igual que cuando dos piedras se tiran a un estanque con una pequeña distancia de separación, cada una crea una serie de anillos de ondulación concéntricos sobre la superficie del agua que forman un patrón complejo allí donde se intersecan los dos anillos. Si pregunta a cualquier físico qué es realmente esta onda de materia, le dará una diversidad de expresiones matemáticas que siempre concluyen en la prudente respuesta de tres palabras: no lo sé. Por una vez, nuestra conocida «excepción milagrosa» se aplica al mundo real en lugar de a las páginas de cuatricromía de los cómics.
A menos que un objeto se mueva a una velocidad cercana a la de la luz, su momento puede describirse como el producto de su masa por su velocidad. Un camión Mack tiene más momento que un Mini-Cooper, si ambos van a la misma velocidad, ya que la masa del camión es mayor. El Mini-Cooper podría tener un momento mayor si viajara a una velocidad mucho mayor que el camión. Los físicos usan la letra p para representar el momento de un objeto, dado que obviamente p indica mo-mento[68]. La longitud de onda de esta onda de materia se representa con la letra griega lambda (λ). La longitud de onda de las ondas de materia fue propuesta por de Broglie (y verificada experimentalmente por Clinton Davisson y Lester Germen en 1926) como relacionada con el momento del objeto mediante la sencilla relación momento por longitud de onda igual a constante, o p λ = h, donde h es la misma constante que introdujo Planck para dar cuenta de la curva de incandescencia de los cuerpos calientes.
El hecho es que el producto del momento de un objeto por la longitud de onda de la onda de materia sea una constante significa que cuanto mayor es el momento menor es la longitud de onda. Dado que el momento es el producto de la masa por la velocidad, los objetos grandes tales como las pelotas de béisbol o los automóviles tienen un momento muy grande. Una bola rápida lanzada a 150 km/h tiene un momento de unos 61 kgm/s. Según la relación p λ = h, dado que h es tan pequeña, esto indica que la longitud de onda (la distancia entre picos sucesivos de la onda, por ejemplo) de la onda de materia de la pelota de béisbol es menor que una millonésima de trillonésima de la anchura de un átomo. Esto explica por qué nunca hemos visto una onda de materia en el estadio de béisbol. Obviamente no hay forma de que podamos detectar nunca una onda tan diminuta, y las pelotas de béisbol, en la mayoría de los casos, son objetos de buen comportamiento que siguen las leyes de Newton de la física clásica.
Por otra parte, la masa de un electrón es muy pequeña, de modo que tendrá un momento muy pequeño. Cuanto menor es el momento mayor es la longitud de onda de la onda de materia, puesto que su producto es constante. En el interior de un átomo la longitud de onda de la onda de materia de un electrón tiene aproximadamente el mismo tamaño que el átomo, y no hay forma de que podamos ignorar tales ondas de materia al considerar las propiedades de los átomos. Cuando el superhéroe Atom de DC Comics reduce su tamaño hasta el de un átomo, debería ver algunos espectáculos extraños. Como ese tamaño es menor que la longitud de onda de la luz visible de modo que, así como nosotros no podemos ver las ondas de radio, cuya longitud de onda está en el rango de varios centímetros hasta un tercio de metro, la visión normal de Atom debería resultar inoperativa, y él sería más o menos del mismo tamaño que las ondas de materia de los electrones del interior del átomo. Se sugiere en su cómic que a este tamaño el cerebro de Atom interpreta lo que ve como un esquema de un sistema solar convencional, ya que no tiene un sistema de referencia válido para descifrar de otro modo las señales percibidas por sus sentidos.
Imagine un electrón girando alrededor de un núcleo, arrastrado hacia el interior por la atracción electrostática entre los protones cargados positivamente del núcleo y la carga negativa del electrón. Mientras el electrón viaja alrededor del núcleo solamente ciertas longitudes de onda pueden encajar en un ciclo completo. Cuando el electrón ha vuelto a su punto de partida, habiendo completado una órbita completa, la onda de materia debe estar en el mismo punto de su ciclo en que se la dejó. Por insólita que sea la noción de onda de materia, sería más difícil de entender si al dejarla cuando estaba en su punto máximo (por ejemplo), después de haber completado una órbita completa, estuviera ahora en un valle. Con el fin de evitar un salto discontinuo desde un máximo a un mínimo cada vez que la onda completa un ciclo, solamente son posibles para el electrón ciertas longitudes de onda que encajan sin ruptura en una órbita completa. Esto no es distinto de la situación de una cuerda de violín pulsada, con sólo ciertas frecuencias posibles de vibración. Debido a que la longitud de onda de la onda de materia está relacionada con el momento del electrón, esto indica que los momentos posibles del electrón están restringidos a sólo ciertos valores discretos definidos. El momento está a su vez relacionado con la energía cinética, de modo que el requisito de que la onda de materia no tenga saltos discontinuos al final de cada órbita determina que el electrón solamente puede tener valores discretos de energía en el átomo.
Estas energías finitas son un resultado directo de la restricción de las longitudes de onda posibles de las ondas de materia, que a su vez son debidas al hecho de que el electrón está sujeto al interior del átomo. Un electrón que se mueve a través del espacio vacío no tiene restricciones en su momento, y en consecuencia su onda de materia puede tener todas las longitudes de onda posibles[69]. Un trozo de cuerda puede tener cualquier forma cuando agitamos un extremo, siempre que el otro pueda también moverse libremente. Pero si la cuerda está sujeta en ambos extremos, como en el caso de una cuerda de violín, entonces el rango de los movimientos de la cuerda está rigurosamente limitado. Cuando ahora pulsamos la cuerda sujeta, solamente puede vibrar con ciertas frecuencias, determinadas por la longitud y el ancho de la cuerda y la tensión con la que está atada. Hay una frecuencia más baja fundamental para la cuerda, y muchos otros armónicos más altos, pero la cuerda no puede vibrar con cualquier frecuencia arbitraria una vez está constreñida de este modo.
De forma parecida el electrón está sujeto en una órbita por su atracción electrostática hacia el núcleo cargado positivamente. Si se «pulsa» de la forma adecuada, la onda de materia del electrón ligado puede adoptar un estado más alto de energía. Cuando el electrón regresa a continuación a su frecuencia fundamental, debe hacerlo mediante un salto discreto. La energía se conserva; por consiguiente, el electrón solamente puede disminuir su energía al volver al nivel de menor frecuencia entregando un paquete de energía igual a la diferencia entre su nivel de mayor energía y el de menor energía en el cual se restablece. Debido a que las energías disponibles para el electrón son discretas, valores bien definidos semejantes a los armónicos posibles para una cuerda sujeta, este salto de un estado de energía al otro se llama transición cuántica o salto cuántico. El paquete discreto de energía entregado por el electrón al efectuar esta transición está normalmente en la forma de luz, y un cuanto de energía luminosa se llama fotón (un concepto introducido por Albert Einstein en 1905 —un año de mucha ocupación para él y para la física— aunque el término fotón no fue acuñado hasta 1926 por Gilbert Lewis).
Si un tubo de vidrio se llena con un gas como el neón y se hace pasar una corriente eléctrica a través del gas, los electrones energéticos de la corriente chocarán a veces con los átomos de neón. Cuando la energía de los electrones energéticos es la exacta, los átomos de neón pueden quedar excitados a un estado de mayor energía. Después de la colisión, los átomos excitados de neón volverán a su configuración inicial de menor energía, emitiendo un fotón de luz que tiene la frecuencia (y por tanto el color) que corresponde a la diferencia de energía entre sus estados inicial y final. Ésta es la razón por la cual las luces de neón tienen su identificable color. Cambiando el tipo de gas del tubo se pueden seleccionar diferentes colores de la luz. Usted podría hacerlo con cualquier gas, pero solamente ciertos elementos tienen una transición dentro de la franja visible del espectro luminoso. Si los átomos sufren colisiones altamente energéticas que los conducen a estados de energía más alta, entonces las longitudes de onda discretas de luz se liberarán cuando los diversos armónicos regresen al nivel fundamental. Elementos distintos tienen distintas series de armónicos y frecuencias fundamentales, al igual que cuerdas distintas de un violín o de una guitarra tendrán modos vibratorios distintos dependiendo de su longitud, anchura y tensión. Dos cuerdas de violín idénticas sujetas con la misma tensión tendrán el mismo rango de frecuencias posibles cuando se pulsan. De modo parecido, dos átomos idénticos tendrán el mismo espectro de luz emitida cuando retornan de un estado excitado. De este modo el espectro de longitudes de onda de luz emitida por un átomo energético es único y se puede considerar como la firma del elemento particular. El elemento helio, más ligero que el aire, fue descubierto por la detección de su espectro característico de luz que proviene del Sol (la palabra helio deriva de Helios, el dios griego que representa al Sol). Mediante una comparación cuidadosa con el espectro de luz emitida por el hidrógeno y otros gases, los científicos concluyeron que esta serie de longitudes de onda debía provenir de un nuevo elemento que no había sido encontrado en la Tierra en esa época. Afortunadamente para el Macy’s Thanksgiving Day Parade[70], con el tiempo se descubrirían bolsas de helio en el subsuelo terrestre.
La noción de que hay una onda asociada con el movimiento de cualquier objeto y de que su longitud de onda es inversamente proporcional a su momento es extraña, pero aceptando este concepto misterioso ganamos una comprensión de las bases de toda la química. Aproxime dos átomos lo bastante cerca entre sí, y podrán formar un enlace químico, y al hacerlo crearán una nueva unidad básica, la molécula. ¿Por qué harían esto los átomos? Los electrones cargados negativamente del primer átomo repelerán desde luego a los electrones cargados negativamente del segundo átomo. Antes de la mecánica cuántica, no había una explicación satisfactoria de por qué el universo no consistía en átomos elementales aislados.
La fuerza conductora que hay tras los enlaces entre átomos consiste en las interacciones de las ondas de materia de los electrones de los distintos átomos. Cuando los dos átomos se mantienen alejados, las ondas de materia de los electrones atómicos no se superponen. Cuando los átomos se acercan lo bastante entre sí de forma que las nubes de electrones de cada átomo se entrecruzan, sus respectivas ondas de materia electrónica comienzan a interferir, formando una nueva configuración de onda, al igual que dos piedras lanzadas en un estanque crean un patrón intrincado de ondulaciones que es muy distinto del patrón que crearía cada piedra separadamente. En la mayoría de los casos este nuevo patrón es un desorden discordante de alta energía, similar al sonido resultante de un clarinete y violín tocados simultáneamente por aficionados sin formación ni talento musical. En esos casos los dos átomos no forman un enlace químico y no reaccionan químicamente. En unos pocos casos especiales las dos ondas de materia interactúan armoniosamente, creando un nuevo patrón de onda que tiene una configuración de menor energía que las dos ondas de materia separadas. En estos casos especiales los dos átomos pueden disminuir su energía total permitiendo que las ondas de materia interaccionen de este modo, y una vez en un estado de menor energía, es necesario añadir energía para separarlos físicamente. De este modo, a pesar de la considerable repulsión entre los electrones cargados negativamente, los dos átomos se mantienen unidos por un enlace químico, debido a la naturaleza ondulatoria de los electrones.
Esos razonamientos acerca de niveles discretos de energía de un átomo que se originan a partir de esas órbitas particulares que corresponden a un número entero de longitudes de onda de la onda de materia del electrón parecen tan sensatos que es una lástima que no sean correctos. El electrón no se puede considerar que se mueva en una órbita circular o elíptica alrededor del núcleo cargado positivamente, a pesar de la atractiva analogía con nuestro sistema solar. En primer lugar, el electrón sería constantemente acelerado al desviarse siguiendo un trayecto curvo. Como se razonó en el capítulo anterior, una carga eléctrica acelerada en una órbita circular emite ondas electromagnéticas que transportan energía, de forma que a medida que el electrón emite luz en su órbita pierde energía cinética. Con el tiempo el electrón caerá en espiral hacia el núcleo en menos de una billonésima de segundo, de forma que no existirían elementos estables, y por tanto no habría química ni vida si los electrones se movieran realmente en órbitas curvadas.
A pesar de todo, la noción de que solamente se permiten ciertas longitudes de onda, con los correspondientes niveles discretos de energía, sigue siendo válida, aunque la imagen que hemos empleado para llegar hasta aquí haya de considerarse solamente una metáfora útil y no una descripción literal. En lugar de pensar en el electrón como una partícula puntual que se mueve en una órbita circular con una onda de materia particular asociada con él, la teoría completa de Heisenberg y Schrödinger, de la que se tratará en el próximo capítulo, nos dice que hay una «función de onda» para el electrón. Del mismo modo que en el caso de la cuerda de violín pulsada no tiene sentido preguntar dónde está exactamente la onda en la cuerda, igualmente en el caso del electrón en un átomo su onda de materia se extiende por todo el átomo y no podemos especificar la posición del electrón ni su trayectoria con más precisión que ésta. Los electrones solamente emiten o absorben luz cuando se mueven de una configuración a otra en el átomo. Como veremos en el próximo capítulo, esas ondas de materia son también responsables de ¡la crisis de las Tierras infinitas!