Después de describir la idea de campo electromagnético, y de que este campo puede transportar ondas, pronto aprendemos que dichas ondas se comportan realmente de una manera extraña que parece muy poco ondulatoria. ¡A frecuencias más altas se comportan de forma mucho más parecida a partículas! Es la mecánica cuántica, descubierta inmediatamente después de 1920, la que explica este extraño comportamiento. En los años anteriores a 1920 la imagen del espacio como un espacio tridimensional, y del tiempo como algo separado, fue transformada por Einstein, primero en una combinación que llamamos espacio-tiempo y luego aún más en un espacio-tiempo curvo para representar la gravitación. De este modo, el «escenario» se cambió por el espacio-tiempo, y la gravitación es presumiblemente una alteración del espacio-tiempo. Luego se descubrió también que las reglas para los movimientos de las partículas eran incorrectas. Las reglas mecánicas para la «inercia» y las «fuerzas» son erróneas —las leyes de Newton son erróneas— en el mundo de los átomos. En su lugar se descubrió que las cosas a pequeña escala no se comportan como las cosas a gran escala. Esto es lo que hace la física difícil, y muy interesante. Es difícil porque a pequeña escala las cosas se comportan de una forma muy «poco natural»; no tenemos experiencia directa de ellas. Aquí las cosas no se comportan como nada que conozcamos, de modo que es imposible describir este comportamiento de otra manera que no sea una forma analítica. Es difícil, y requiere una gran imaginación.
La mecánica cuántica tiene muchos aspectos. En primer lugar, la idea de que una partícula tiene una posición definida y una velocidad definida ya no está permitida; es errónea. Para dar un ejemplo de lo errónea que es la física clásica existe una regla en la mecánica cuántica que dice que uno no puede saber a la vez dónde está algo y a qué velocidad se está moviendo. La incertidumbre del momento y la incertidumbre de la posición son complementarias, y el producto de las dos es constante. Podemos escribir la ley de esta forma: Δx Δp ≥ h/2π, pero la explicaremos luego con más detalle. Esta regla explica una paradoja muy misteriosa: si los átomos están formados de cargas más y menos, ¿por qué las cargas menos no se sitúan sencillamente encima de las cargas más (se atraen mutuamente) y se acercan hasta cancelarse completamente? ¿Por qué los átomos son tan grandes? ¿Por qué está el núcleo en el centro y los electrones a su alrededor? Se pensaba al principio que esto se debía a que el núcleo era grande; pero no, el núcleo es muy pequeño. El átomo tiene un diámetro de unos 10−8 cm. El núcleo tiene un diámetro de unos 10−13 cm. Si tuviéramos un átomo y quisiésemos ver el núcleo, tendríamos que ampliarlo hasta que el átomo completo tuviese el tamaño de una gran habitación, y el núcleo sería una simple mota que usted apenas podría ver a simple vista. Pero todo el peso del átomo está casi por completo en este núcleo infinitesimal. ¿Qué impide que los electrones caigan simplemente dentro? Este principio: si estuvieran en el núcleo sabríamos su posición exactamente, y el principio de incertidumbre exigiría entonces que tuvieran un momento muy grande (aunque incierto), es decir, una energía cinética muy grande. Con esta energía saldrían despedidos del núcleo. Ellos llegan a un compromiso: se permiten algún espacio para esta incertidumbre y luego se mueven con una cierta cantidad de movimiento mínimo de acuerdo con esta regla. (Recuerden que dijimos que cuando se enfría un cristal hasta el cero absoluto, los átomos no dejan de moverse, sino que aún se agitan. ¿Por qué? Si dejasen de moverse sabríamos dónde estaban y que tenían movimiento nulo, y eso está en contra del principio de incertidumbre. No podemos saber dónde están y con qué velocidad se están moviendo, ¡de modo que deben estar agitándose allí continuamente!).
Otro cambio muy interesante en las ideas y la filosofía de la ciencia que trajo la mecánica cuántica es este: no es posible predecir exactamente lo que va a suceder en cualquier circunstancia. Por ejemplo, es posible preparar un átomo que esté a punto de emitir luz, y podemos medir cuándo ha emitido la luz si registramos un fotón, algo que describiremos en breve. Sin embargo, no podemos predecir cuándo va a emitir la luz, o, en el caso de que haya varios átomos, cuál de ellos es el que va a hacerlo. Ustedes podrían decir que esto se debe a algunos «engranajes» internos que no hemos mirado suficientemente de cerca. No, no hay engranajes internos; la naturaleza, tal como la entendemos hoy, se comporta de tal modo que es fundamentalmente imposible hacer una predicción precisa de qué sucederá exactamente en un experimento dado. Esto es algo horrible; de hecho, los filósofos habían dicho antes que uno de los requisitos fundamentales de la ciencia es que siempre que ustedes fijen las mismas condiciones debe suceder lo mismo. Esto sencillamente no es cierto, no es una condición esencial de la ciencia. El hecho es que no suceden las mismas cosas, que sólo podemos encontrar un promedio estadístico de lo que va a suceder. De todas formas, la ciencia no ha colapsado por completo. Dicho sea de paso, los filósofos dicen muchas cosas acerca de lo que es absolutamente necesario para la ciencia, y siempre, hasta donde podemos ver, son bastante ingenuas y probablemente erróneas. Por ejemplo, algún filósofo dijo que es fundamental para la empresa científica que si un experimento se realiza en, digamos, Estocolmo, y luego se lleva a cabo el mismo experimento en, digamos, Quito, deben darse los mismos resultados. Esto es completamente falso. No es necesario que la ciencia sea así; puede ser un hecho experimental, pero no es necesario. Por ejemplo, si uno de los experimentos consiste en mirar al cielo y ver la aurora boreal en Estocolmo, ustedes no la verán en Quito; el fenómeno aquí es diferente. «Pero —dirán ustedes— esto es algo que tiene que ver con el exterior; ¿pueden ustedes encerrarse en una caja en Estocolmo y bajar las persianas, y obtener alguna diferencia?» Ciertamente. Si tomamos un péndulo con una suspensión universal, lo desplazamos de la vertical y luego lo soltamos, entonces el péndulo oscilará casi en un plano, pero no del todo. Los planos de oscilación cambian lentamente en Estocolmo, pero no en Quito. Las persianas siguen estando bajadas. El hecho de que esto suceda no lleva a la destrucción de la ciencia. ¿Cuál es la hipótesis fundamental de la ciencia, la filosofía fundamental? La enunciamos en el primer capítulo: la única prueba de la validez de cualquier idea es el experimento. Si resulta que la mayoría de los experimentos dan lo mismo en Quito que en Estocolmo, entonces esta «mayoría de experimentos» se utilizará para formular alguna ley general, y se dirá que aquellos experimentos que no den el mismo resultado fueron consecuencia del entorno próximo a Estocolmo. Inventaremos alguna manera de resumir los resultados del experimento, y no se nos tiene que decir por adelantado qué aspecto tendrá. Si se nos dice que el mismo experimento producirá siempre el mismo resultado, que todo está muy bien, pero cuando lo intentamos no resulta, entonces no va bien. Simplemente tenemos que tomar lo que vemos, y formular entonces el resto de nuestras ideas en términos de nuestra experiencia real.
Volviendo a la mecánica cuántica y la física fundamental, no podemos, por supuesto, entrar ahora en los detalles de los principios mecanocuánticos porque son bastante difíciles de entender. Supondremos que están allí, y proseguiremos para describir cuáles son algunas de las consecuencias. Una de las consecuencias es que las cosas que solemos considerar como ondas se comportan también como partículas, y las partículas se comportan como ondas; de hecho, todas las cosas se comportan de la misma forma. No hay distinción entre una onda y una partícula. De este modo, la mecánica cuántica unifica la idea del campo, con sus ondas, y la de partículas en una sola. Es cierto que cuando la frecuencia es baja, el aspecto de campo del fenómeno es más evidente, o más útil como descripción aproximada en términos de experiencias cotidianas. Pero a medida que aumenta la frecuencia, los aspectos de partícula del fenómeno se hacen más evidentes con el equipamiento con el que normalmente hacemos las medidas. De hecho, aunque mencionamos muchas frecuencias, todavía no se ha detectado directamente ningún fenómeno que implique una frecuencia superior a aproximadamente 1012 ciclos por segundo. Sólo deducimos las frecuencias superiores a partir de la energía de las partículas, mediante una regla que supone que es válida la idea partícula-onda de la mecánica cuántica.
Tenemos así una nueva visión de la interacción electromagnética. Tenemos un nuevo tipo de partícula que añadir al electrón, el protón y el neutrón. Esta nueva partícula se denomina fotón. Y la nueva visión de la interacción de electrones y protones que constituye la teoría electromagnética, pero ahora con todo correcto mecanocuánticamente, se denomina electrodinámica cuántica. Esta teoría fundamental de la interacción de luz y materia, o campo eléctrico y cargas, constituye nuestro mayor éxito hasta ahora en física. En esta sola teoría tenemos las reglas básicas para todos los fenómenos ordinarios excepto para la gravitación y los procesos nucleares. Por ejemplo, de la electrodinámica cuántica salen todas las leyes eléctricas, mecánicas y químicas: las leyes para el choque de bolas de billar, los movimientos de conductores en campos magnéticos, el calor específico del monóxido de carbono, el color de los tubos de neón, la densidad de la sal, y las reacciones del hidrógeno y el oxígeno para formar agua, son todas consecuencias de esta única ley. Todos estos detalles pueden ser calculados si la situación es suficientemente simple para hacer una aproximación, lo que no sucede casi nunca, aunque a menudo podemos entender más o menos lo que está sucediendo. Por el momento no se encuentran excepciones a las leyes de la electrodinámica cuántica fuera del núcleo, y no sabemos si dentro de él hay una excepción porque sencillamente no sabemos qué está sucediendo en el núcleo.
En principio, entonces, la electrodinámica cuántica es la teoría de toda la química, y de la vida, si la vida se reduce finalmente a química, y por consiguiente a física porque la química ya está reducida (al ser ya conocida la parte de la física implicada en la química). Más aún, la misma electrodinámica cuántica, esta gran cosa, predice un montón de cosas nuevas. En primer lugar, predice las propiedades de fotones de muy alta energía, rayos gamma, etc. Predijo otra cosa muy notable: además del electrón debería haber otra partícula de la misma masa, pero de carga opuesta, llamada positrón, y ambas partículas, al encontrarse, podrían aniquilarse mutuamente con emisión de luz o rayos gamma. (Después de todo, la luz y los rayos gamma son lo mismo, son tan sólo diferentes puntos en una escala de frecuencias). La generalización de esto, el hecho de que para cada partícula existe una antipartícula, resulta ser cierta. En el caso de los electrones, la antipartícula tiene otro nombre —se denomina un positrón, pero para la mayoría de las demás partículas se denomina anti-tal-o-cual, como antiprotón o antineutrón—. En electrodinámica cuántica se introducen dos números y se supone que la mayoría de los otros números en el mundo salen de allí. Los dos números que se introducen se denominan la masa del electrón y la carga del electrón. En realidad, esto no es completamente cierto, pues tenemos todo un conjunto de números para la química que nos dice cuán pesados son los núcleos. Esto nos lleva a la siguiente parte.