Entrades amb l'etiqueta ‘partícules elementals’

Els electrons i nosaltres

dissabte, 15/12/2018

Al nostre cos tenim uns 17 grams o més d’electrons (vegeu la nota al final). Si els poguéssim posar tots junts farien un bon grapat de partícules.

Sense electrons no existiríem. Els electrons són darrera de totes les reaccions químiques i bioquímiques que conformen el nostre metabolisme i que ajuden, per exemple, a fabricar proteïnes amb la informació de l’ADN. Són també a la transmissió d’informació entre neurones del nostre cervell i a les fibres nervioses.

No fa massa, a partir dels descobriments d’ara fa dos segles (com el de la relació entre magnetisme i electricitat de Michael Faraday), vam veure que els podíem domesticar i fer que treballessin per a nosaltres. Perquè els electrons són dòcils i previsibles. Es mouen quan hi ha una diferència de potencial o quan es troben en entorns amb camps magnètics variables. Això ens ha permès fabricar motors elèctrics, rentadores, neveres, portes automàtiques, robots, ordinadors, telèfons mòbils i una infinitat d’invents quotidians que ens envolten.

L’any 1905, Einstein va formular l’efecte fotoelèctric i va descobrir la profunda relació que hi havia entre els electrons i els seus cosins, els fotons. Els fotons ens porten energia i informació a distància a la velocitat de la llum, escalfant-nos amb la llum del Sol, fent que els nostres ulls puguin rebre i processar imatges, i fent-nos arribar senyals de ràdio i televisió i fins i tot fotos i vídeos dels nostres amics. Gràcies a l’efecte fotoelèctric, els fotons activen determinats electrons del sensor CCD de la càmera del nostre mòbil i, miraculosament, podem fer fotos. Gràcies als electrons, els fotons que ens envia el Sol poden traslladar i moure grans objectes i actuar sobre la matèria, sent els combustibles, per exemple, dels trens d’alta velocitat: només els cal donar energia als electrons de determinades plaques solars que l’aniran propagant fins les catenàries que alimenten els trens. D’altra banda, els fotons de la wifi ens porten informació que podem llegir, veure, i després guardar en un llapis de memòria. Però, quan ho fem, són els electrons de una infinitat de pous de potencial qui ens guarden aquesta informació. Electrons i fotons, fotons i electrons.

L’experiment d’Albert Abraham Michelson i Edward Williams Morley l’any 1887 va ser el primer que va fer trontollar les nostres ingènues teories, en aquest cas sobre els fotons. L’experiment de de Michelson-Morley va demostrar que els fotons van sempre a la mateixa velocitat, ho miri qui ho miri. És l’experiment que va intrigar Albert Einstein fins que, 18 anys després, va acabar formulant la teoria de la relativitat i dient que si la velocitat de la llum era constant (com s’havia comprovat), tot el demés, inclòs el temps, havia de ser relatiu i no invariant. No hi ha ningú privilegiat, a l’univers. Però els fotons, això sí, sempre transmeten la seva informació i energia a velocitat constant. Una velocitat, la de la llum (c), que no es pot superar i que va resultar ser una constant de l’univers. No és possible enviar informació a una velocitat més gran que c. Per això, mai podrem saber com són ara mateix les galàxies llunyanes que veiem al cel de nit.

I els electrons? El 1913, Niels Bohr va proposar un model atòmic senzill que recorda el model planetari de Copèrnic. En ell, l’àtom és com un petit sistema solar amb el nucli al centre i un núvol d’electrons que hi donen voltes. Els electrons eren com boletes que anaven orbitant el nucli a diferents nivells d’energia. Quan baixaven a òrbites més interiors, emetien energia en forma d’un fotó. Quan captaven un fotó que arribava, agafaven la seva energia i pujaven a una òrbita més externa. Si captaven més fotons i energia, podien fins i tot lliurar-se de l’atracció del nucli i quedar lliures, creant un corrent elèctric quan la matèria era conductora.

Una de les primeres sorpreses que ens donen els electrons, però, és la seva habilitat per a ser màgics. Ara sabem que la teoria de Bohr no és certa, perquè no hi ha òrbites i mai sabem on són, els electrons. Hi són, són la causa de totes les reaccions químiques, tenen massa, però no els podem trobar. Mai podrem agrupar un grapat d’electrons. I Heisenberg ens explica que aquests electrons sembla que no existeixen sempre. Només existeixen quan algú els mira o, més ben dit, quan interaccionen amb una altra cosa. Són màgics. Es materialitzen en un lloc, amb una probabilitat calculable, quan topen contra algun cos. Els salts quàntics d’una òrbita a una altra són la seva manera de ser reals. Un electró és un conjunt de salts d’una interacció a una altra. Però quan ningú no els destorba, els electrons no són a cap lloc concret. No són enlloc. De fet, sembla que fins i tot apareixen i desapareixen a l’espai buit. Perquè l’espai buit és alguna cosa, no és pas el no-res. Ho diu el fet que l’espai sigui tridimensional en lloc de tenir, per exemple, dimensió quatre, perquè el no-res no té dimensions. I el que estem descobrint és que l’espai buit és l’escenari en el que poden créixer la geometria, les matemàtiques, la física… i els electrons, com bé diu en Carlo Rovelli citant Werner Heisenberg.

Però la darrera sorpresa d’aquests electrons que creiem tenir tan ben domesticats ens va arribar fa poc, el 2015, de la mà d’un grup de físics de la universitat de Delft (Ronald Hanson i altres; aquí teniu l’article científic que van publicar a la revista Nature). L’experiment va confirmar la hipòtesi de l’any 1964 de John Bell i ens va demostrar que els electrons i altres partícules elementals experimenten un fenomen que s’anomena “entrellaçament” que fa trontollar tot el que pensem sobre el funcionament de l’univers. Si dos electrons emeten fotons que es troben i queden entrellaçats, això fa que els dos electrons quedin també entrellaçats en el mateix instant, encara que es trobin a milions de quilòmetres de distància l’un de l’altre. I aquí apareix la màgia de l’entrellaçament, que fa que aquestes dues partícules passin a tenir una mena de telepatia subatòmica: si algú mesura una propietat d’un dels electrons (l’anomenat spin, per exemple, que té dos possibles valors) i immediatament algú altre mesura la mateixa propietat a l’altre, el valor que mesurarem al segon electró serà sempre el contrari del valor que han mesurar abans a l’altre. El segon electró, entrellaçat al primer, “sap” instantàniament com s’ha de mostrar quan se’l mesuri. La informació, entre electrons i partícules entrellaçades, es transmet a l’instant, en clara contradicció amb el que sabem que res pot anar més ràpid que la velocitat de la llum (vegeu alguns detalls de l’experiment a la nota al final). Com s’entén, això? Quin és aquest espai-temps que diu a tothom, inclosos als fotons, que no es pot superar la velocitat de la llum, a la vegada que permet que les partícules entrellaçades la superin del tot? Hi ha qui diu que quan els electrons i altres partícules s’entrellacen, es fonen i passen a ser una única partícula que es manifesta a dos llocs a la vegada. Però, com s’explica això de tenir un electró que s’ha desdoblat i materialitzat en dues posicions que poden trobar-se a anys llum de distància una de l’altre? Què és l’espai i què és el temps?

L’entrellaçament ens fa veure que certes propietats dels electrons i altres partícules no poden existir abans que les  mesurem. Diuen que l’acte de mesurar és el que realment crea aquestes propietats. I veiem que hi ha propietats que es creen a distància, instantàniament, saltant-se els principis que fins ara teníem: que res es pot transmetre a velocitat més gran que la de la llum. Els electrons entrellaçats representen el gran misteri de les parelles telepàtiques. A diferència dels seus cosins fotons, ràpids però previsibles.

La imatge de dalt l’he obtingut a partir de les d’aquesta pàgina web de Ryan Whitwam, que mostra els electrons que enllacen àtoms d’hidrogen. La imatge va ser obtinguda el 2013 amb un microscopi de força atòmica.

Les coses, i sobretot els electrons, no són tan deterministes com voldríem. Richard Feynman, a les seves lliçons de física, deia que amb els electrons i altres partícules no podem fer altra cosa que calcular probabilitats, i que hem de sospitar amb molt fonament que aquesta limitació ens acompanyarà sempre perquè és un fet essencial del món subatòmic. I Ronald Hanson reconeix que tot això de l’entrellaçament supera la nostra capacitat actual de comprensió: l’univers és definitivament estrany. I és que la natura és així, encara que no ens agradi.

——

Per cert, parlant de coses que sabem fer amb els electrons i l’electricitat, la Rosa Montero diu que el 70% de la inversió en infraestructures ferroviàries es dedica a l’alta velocitat, que només és utilitzada per un 4% de viatgers. En canvi, els trens de rodalies, regionals i de mitja distància, que transporten al 96% dels usuaris, reben menys d’un terç del pressupost. A més, la modernització d’un quilòmetre de via convencional (fins arribar a velocitats mitjanes de 165 Km/h) és 10 vegades més barata que la construcció d’un quilòmetre d’AVE.

——

NOTA: La massa en repòs d’un electró és aproximadament 9,109 * 10^(-31) Kg., que correspon a 1/1836 de la massa del protó. La massa del neutró és molt similar a la del protó, s’altra banda. Tenint en compte que el nostre cos té entre un 60 i un 65% d’aigua, i que bàsicament som hidrogen, oxigen i carboni en proporcions del 10%, 65% i 19,37% respectivament (la suma d’aquests tres elements és el 94,37% del nostre pes), és fàcil fer un càlcul aproximat del pes total dels electrons que ens conformen. Com que el pes atòmic de l’hidrogen és 1, la proporció d’electrons deguda als àtoms d’hidrogen és de 0.1 / 1836, o sigui, 5.45 * 10^(-5). El mateix càlcul amb l’oxigen dona dona una proporció en pes d’electrons de (0.65 * 8/15.999) / 1836 = 1.77 * 10^(-4), atès que el seu pes atòmic és de 15,999. I si ho fem amb el carboni, el resultat és (0.1937 * 6/12) / 1836 = 0.53 * 10^(-4). Sumant les tres proporcions, veiem que per cada 10 quilos del nostre pes, tenim 2,845 grams d’electrons que provenen d’àtoms d’hidrogen, oxigen i carboni. Val a dir que el total és una mica més gran, perquè caldria sumar-hi els electrons dels elements més complexes que també configuren les molècules de la resta del nostres cos (molècules que en total suposen 563 grams per cada 10 Kg. de pes).

L’experiment de Ronald Hanson i els del seu grup va demostrar que, en l’entrellaçament, no hi ha variables ocultes (no hi ha fenòmens que ara no puguem detectar però que tal vegada en el futur podríem arribar a mesurar), i que, per tant, l’entrellaçament és una propietat real que tenen els electrons, els fotons, i altres partícules. L’experiment, màgic i sorprenent, va ser aquest: a dos laboratoris A i B separats 1280 metres a Delft, els científics van experimentar amb electrons que havien quedat atrapats prop d’alguns àtoms de nitrogen que hi havia, a tall d’impuresa, en dos diamants (un a A i l’altre a B). Amb impulsos de làser, anaven activant reiteradament els electrons de manera que, tant l’electró del diamant de A com el del diamant de B emetien un fotó cada un d’ells a cada impuls làser. Els fotons es dirigien a un tercer laboratori C entre A i B, on algunes vegades es trobaven en un mirall semitransparent i quedaven entrellaçats. Llavors es produïa un fenomen sorprenent, que és l’anomenat “intercanvi d’entrellaçament”: de manera immediata, quan els dos fotons s’entrellaçaven a C, els seus dos emissors, els electrons als diamants de A i B, quedaven també entrellaçats. És com si, quan uns joves formen parella, els seus pares quedessin automàticament aparellats entre sogres. Tot seguit, es mesurava l’spin de l’electró de A i també es mesurava l’spin corresponent de l’electró de B. Com que no hi havia cap possibilitat de transmetre informació entre A, B i C (es tractava de demostrar que l’entrellaçament es transmet de manera instantània), el que es va fer és usar tres rellotges atòmics d’alta precisió, un a cada lloc, i guardar localment a tres ordinadors a A, B i C, el temps i el resultat de cada experiment. Si a A i B es guarda el moment de l’emissió de cada fotó, els instants de temps en que es fan les mesures i els valors dels spin que s’han mesurat, i a C es guarda els instants de temps en els que s’ha pogut aconseguir un entrellaçament exitós de fotons, es pot fer una anàlisi a posteriori i només considerar vàlids els cassos en que hi ha hagut entrellaçament de fotons a C i en els que les mesures d’spin als corresponents electrons a A i B s’han fet amb una diferència de temps de menys de 4,27 microsegons (el temps que la llum tarda en recórrer els 1280 metres). D’aquesta manera ens assegurem que la mesura feta a A no ha pogut arribar a B i que la mesura que hem fet a B no s’ha pogut transmetre a A. En tot cas, cal dir que l’experiment és una mica més complicat perquè els spins dels electrons es poden mesurar en diferents eixos i perquè cal garantir la màxima neutralitat durant el càlcul de les correlacions (veure l’article).

El real, el que veiem i el que recordem

dijous, 30/04/2015

És primavera. Tot és un esclat de colors. Però, què són els colors?

Un biòleg segurament us dirà que els colors són les reaccions del nostre cervell als estímuls captats pels cons de la retina. Un físic dirà que els colors són la nostra interpretació subjectiva de determinades barreges de fotons de diferents freqüències. Encara que no ho sembli, les dues interpretacions són força semblants perquè qui estimula els cons de la retina són els fotons. Però, què són els fotons? Existeixen, els fotons? Què en sabem? Són reals?

El problema de la física quàntica és que no és gens intuïtiva. Pels voltants de 1870, poca gent pensava que la matèria fos discreta i ningú defensava que l’energia ho fos. Max Planck (l’any 1900) i Einstein, al 1905, van descobrir que els experiments que s’havien fet sobre l’energia que irradiaven els forns només es podia explicar si la llum estava formada per petitíssims elements indivisibles. I al 1920, els físics havien ja entès i comprovat que la matèria són àtoms i partícules i que l’energia radiant és una munió de fotons. Ara sabem que tot el petit és discret, a l’Univers.

Poc després, l’any 1927, Heisenberg, Bohr, Born i altres van plantejar que el món de les partícules i dels fotons és un món que mai coneixerem del tot. És la coneguda interpretació de Copenhaguen, una interpretació revolucionària de la mecànica quàntica. Durant les seves reunions a Copenhaguen, Heisenberg, Bohr i Born es feien preguntes semblants a les que també ens fem nosaltres: Les partícules subatòmiques, existeixen amb independència de les nostres observacions? Podem arribar a entendre bé el seu comportament? La interpretació de Copenhaguen diu que el món físic té justament aquelles propietats que veiem a partir dels experiments que fem, i que les teories només poden treballar amb els resultats d’aquests experiments però mai amb cap hipotètica realitat subjacent que pugui trobar-se amagada sota les aparences que observem. Qualsevol intent d’anar més lluny i de voler especificar amb més precisió els detalls de les partícules, inevitablement només trobarà aleatorietat i indeterminació. En poques paraules: mai podrem arribar a saber què és la realitat.

En Jim Baggott també es pregunta, en aquest llibre, què és real. Diu que vivim de representacions mentals, que construïm a partir del que entra pels nostres sentits. Seguint la interpretació de Copenhaguen, en Jim Baggott té clar que la realitat objectiva, si és que es pot parlar en aquests termes, ens serà sempre desconeguda. I també parla de les sorpreses que ens ofereixen els experiments en física de partícules, en el nostre afany per entendre alguna cosa del que és la realitat. Una d’elles és el descobriment que les partícules elementals com els fotons i els electrons es poden aparellar. Quan dues partícules formen una parella (en alguns casos poden ser fins i tot trios o grups de més partícules), els físics diuen que han quedat entrellaçades. El divertit de tot plegat és que, en el món de les partícules subatòmiques, no hi ha divorci. Quan dues partícules han quedat entrellaçades, no hi ha pas enrere. Qualsevol d’elles sap instantàniament el que li ha passat a l’altra. En paraules més precises, la mesura de l’estat quàntic d’una propietat d’una de les partícules fa que aquesta partícula quedi congelada en un estat determinat, amb la qual cosa podem saber immediatament l’estat de l’altra partícula entrellaçada, per molt allunyada que aquesta estigui de la primera. És la telepatia de les partícules entrellaçades. Ho sabem perquè ho hem experimentat, però no ho entenem perquè la realitat de les partícules se’ns escapa. Estem acostumats al coneixement del món macroscòpic, que té un comportament local: si vull fer un petó a algú, ens hem de trobar al mateix lloc i en el mateix moment. En canvi, la mecànica quàntica és no local i les propietats de les partícules i dels fotons entrellaçats estan connectades encara que es trobin a milions d’anys llum de distància. Un dels experiments que comenta en Jim Baggott és el que es va fer amb fotons entrellaçats que es mesuraven independentment en dues estacions d’observació a Bellevue i Bernex (Suissa), a onze quilòmetres de distància l’una de l’altra. Tota mesura d’un fotó a Bellevue condicionava immediatament la mesura de la seva parella (fotó entrellaçat) a l’altra estació de Bernex, i viceversa. És la telepatia de les partícules, que no entenem però que hem d’acceptar. És el que segurament permetrà en el futur la transmissió absolutament segura d’informació xifrada amb les tècniques de criptografia quàntica: generarem parelles de partícules entrellaçades, i de cada parella ens en quedarem una i enviarem l’altra a la persona que volem que rebi el nostre missatge. En el moment que nosaltres mesurem l’estat quàntic d’una propietat d’una de les partícules que ens hem quedat, sabem amb absoluta seguretat el que llegirà, de la partícula entrellaçada, el receptor del missatge, i així podrem generar claus de xifrat que ningú podrà conèixer llevat de nosaltres dos.

La realitat és fugissera i mai la podrem conèixer, com bé ens expliquen Bohn, Heisenberg i Born. El real no és al nostre abast, com també ens deia Plató. Mirem, escoltem, toquem, experimentem, i acabem construint representacions mentals del món i dels altres que conformen la nostra realitat. En Joan Margarit ja ens ho diu, quan parla que els nostres llocs acaben només existint dins nostre, en els records. Tot canvia, i passats uns anys, aquells llocs mítics de la nostra infantesa i joventut segurament hauran desaparegut. Però sempre ens quedaran les representacions mentals que vam construir, els records. Realment ens cal conèixer les realitats objectives, quan sabem que podem gaudir del nostre riquíssim món mental?

Per cert, en Josep Ramoneda diu que la gent es pregunta on és la radicalitat, si és en la capitalització del malestar i de les protestes o en les polítiques que deixen la meitat de la població juvenil sense feina i que generen fractures de desigualtat desconegudes fins ara

El Nobel, els bosons, la matèria i la filosofia

dimecres, 16/10/2013

Olors_Cerdanya_Trops_Materia.jpg El premi Nobel de física d’enguany ha estat atorgat a Peter Higgs i François Englert pels seus treballs de recerca que han portat al descobriment del bosó de Higgs. En Peter Higgs ha rebut el Nobel per haver plantejat, l’any 1964, l’existència de la partícula elemental que ara porta el seu nom. Però, què és un bosó de Higgs? Què és un bosó?

La matèria no és un conjunt amorf i gelatinós, com es pensava al segle XIX. Tot el que veiem són aglomerats de petites partícules individuals: molècules i àtoms. Al llarg del segle XX hem anat sabent que els àtoms tenen un nucli i que els electrons són al voltant seu en diversos nivells d’energia. Sabem que el nucli dels àtoms conté protons i neutrons, en un nombre i proporció que determina les seves propietats físiques i químiques. I què són, els protons i neutrons? Segons el Model Estàndard, proposat a principis dels anys 70, els protons i neutrons són grups de partícules elementals anomenades fermions, i en concret quarks. De fet, la teoria del Model Estàndard diu que els components bàsics de tota la matèria de l’univers són ni més ni menys que 17 partícules elementals amb noms força originals: diferents tipus de quarks, els leptons tau, els electrons, els neutrins, els fotons, els gluons, els bosons i els muons.

Fa cent anys, molts científics es preguntaven què eren els àtoms. fa cinquanta anys, la pregunta que ens fèiem era què són els protons i neutrons. Ara, la pregunta és què són els quarks, els leptons, els electrons, els neutrins, els fotons o els bosons. No és que haguem avançat molt. Ens fem preguntes, i cada pregunta ens genera més noves preguntes que respostes. Fa cinquanta anys, els físics tenien 4 preguntes, volien saber què eren els protons, neutrons, electrons i fotons. Ara en tenim 17, de preguntes. Què són totes aquestes partícules elementals?

D’entre totes les teories actuals, n’hi ha una que trobo particularment interessant. En Meinard Kuhlmann dóna una perspectiva radicalment diferent, probablement perquè és físic i filòsof a la vegada i veu les coses des d’una perspectiva ampla i no constrenyedora. Comenta que, encara que molts físics creuen que les partícules elementals no són més que estats energètics de camps quàntics, la versió més estesa és la de considerar que les partícules són com “boletes” microscòpiques. És el que tots imaginem. Però hem de reconèixer que aquesta és una visió antropocèntrica i marcada pel que veiem en el món macroscòpic que ens envolta. Si volem entendre alguna cosa, hem de ser més imaginatius i oblidar-nos de la nostra experiència. Tal vegada, les partícules elementals no existeixen per si mateixes.

La proposta de Kuhlmann és trencadora: diu que pot ser que l’univers, en el fons, estigui simplement composat de relacions i propietats. En d’altres paraules: l’univers no es composa de substantius sinó d’adjectius. No hi ha partícules amb massa o amb càrrega elèctrica. Enlloc de partícules carregades, el que realment existeix és la càrrega, així com també existeixen la massa i l’anomenat “spin” (que metafòricament podríem traduir per rotació). Kuhlmann ens proposa que ho mirem a l’inrevés del que fem habitualment. Hi ha massa, enlloc de partícules o boletes microscòpiques amb massa. Tot són propietats, segons es dedueix de l’aplicació de la teoria dels trops a la física. És la senzillesa de la percepció dels infants, que capten conjunts de propietats que acabaran contribuint a consolidar conceptes abstractes. Així com “rodó” més “salta” més “tou” més “rebota” cristal·litza en el concepte de pilota, la coincidència de massa i càrrega en un punt determinat de l’espai-temps “crea” una partícula elemental de la matèria. El buit conté propietats, de la mateixa manera que l’aire de primavera conté i transporta les olors de les flors. Les partícules que observem, com el bosó de Higgs o els electrons, no són més que coincidències entre propietats. Els blocs bàsics de la matèria que ens constitueix són simples encontres entre atributs. I en aquest context, què som nosaltres?

L’interessant de tot plegat és que, com comentava el mateix Kuhlmann a la revista “Scientific American” de fa dos mesos, hi ha paradoxes que no queden explicades en el marc de les actuals teories i que en canvi sí que es poden entendre des de la perspectiva de la teoria dels trops. Si la matèria estigués formada per partícules, el buit absolut no tindria res i per tant no hi hauria activitat. Però la teoria quàntica preveu que si posem un comptador Geiger en el buit absolut, aquest detectarà activitat encara que no hi hagi partícules. Què hi ha doncs, al buit? Què és el que detectem? De fet, encara hi ha una predicció més sorprenent, segons les actuals teories quàntiques. Pensem altre cop en un buit absolut, sense res. Les persones que l’estudien, no hi veuen res. Però, segons la predicció de l’efecte Unruh, d’altres persones que l’observin mentre acceleren el seu moviment hi veuran un gas calent de partícules de matèria. La presència o no de partícules depèn de si els observadors acceleren o no. En aquest marc, és difícil continuar creient que que l’entitat de les partícules de matèria és acotada i diferenciada, no us sembla?

He de confessar que m’agrada la proposta d’en Meinard Kuhlmann perquè barreja i agrupa. La ciència actual i la filosofia són molt properes, encara que de tant en tant ens puguem trobar gent que parla de la ciència com si aquesta encara defensés suposades veritats i com si no haguéssim sortit del segle XIX. En Meinard Kuhlmann va més enllà. Diu que si volem tenir una imatge entenedora del món físic, és imprescindible treballar conjuntament des de la física i de la filosofia, perquè ambdues disciplines són complementàries. La metafísica pot proporcionar una sèrie d’escenaris alternatius per a la comprensió del món material, encara que no té eines per a decidir entre ells, més enllà de garantir aspectes de consistència interna dels mateixos. La física aporta eines matemàtiques i experimentals per a comprovar les teories i els escenaris, però li falten mecanismes quan el cal entendre són nocions com les d’objectes, individualitats i propietats, o les relacions entre coses i propietats. El coneixement ens pot tornar a venir de la mà conjunta de la física i la filosofia, de la mateixa manera que ja va guiar els grecs i molts d’altres científics com Isaac Newton i Albert Einstein.

Per cert, en Moisès Broggi deia que l’home ha avançat molt en la recerca i l’estudi de la física i la biologia, però molt poc en l’estudi d’ell mateix. Està molt bé que l’home sàpiga volar pels aires i anar per tot arreu. Però seria molt millor si aprengués a conviure amb els altres.

Una història de capsetes, fermions i preons

dijous, 15/11/2012

Llampec.jpg El descobriment de la matèria és una aventura tan apassionant com la nostra lenta comprensió de l’Univers o com els viatges dels exploradors renaixentistes. Les noves troballes no sempre són fàcils d’entendre, però estan canviant les nostres vides, com veurem. Tot plegat està relacionat amb una recent notícia sobre els quarks i els preons.

La matèria no és un conjunt amorf i gelatinós, com pensaven, fa no massa més de cent anys, científics com Wilhelm Ostwald o Ernst Mach. Tot el que veiem són aglomerats de petites partícules individuals: molècules i àtoms. Demòcrit ja ho va dir fa més de 2400 anys. Deia que tot està composat d’àtoms indivisibles. No li van fer cas durant 1900 anys. Va ser Pierre Gassendi, nascut el 1592, qui va recuperar l’atomisme junt amb Descartes. La física evolucionava ràpidament, amb científics com Galileo Galilei i Isaac Newton. Però en aquells temps, no enteníem l’estructura de la matèria. És un fet poc conegut, però el mateix Newton (1642-1727) va gastar bastants diners en la cerca alquímica de l’or. I Hennig Brandt, el darrer alquimista, va descobrir el fòsfor tot cercant l’or, l’any 1669. El cert és que, l’any 1670, només es coneixien 14 elements. Nou d’ells ja eren coneguts pels antics (or, plata, coure, ferro, estany, plom, mercuri, sofre i carboni) mentre que els altres cinc van ser descoberts pels alquimistes: zinc, arsènic, antimoni, bismut i fòsfor. Vam haver d’esperar fins els temps de la Revolució Francesa, amb el primer tractat modern de química (publicat per Antoine Lavoisier l’any 1789) i la teoria de John Dalton de l’any 1808, per poder tenir una teoria coherent sobre l’estructura de la matèria. Els estudis de Laviosier i Dalton es basaven en experiments i mesures precises, i deixaven de banda les especulacions alquimistes. La tècnica científica i renaixentista de Galileo Galilei, basada en experimentar i mesurar, havia finalment arribat a la química. Segons Dalton, qualsevol substància està formada per àtoms. En els elements purs (or, plata, ferro…) tots els àtoms són del mateix tipus. Els àtoms dels elements s’uneixen en proporcions enteres fixes i constants, per tal de formar compostos. Els compostos estan formats per molècules. Dalton, tot estudiant les combinacions i les proporcions, va saber calcular per primer cop els pesos atòmics dels elements. Després, l’any 1869, Dmitri Mendeleev va observar propietats repetitives dels elements i va proposar la taula periòdica. Va ser difícil i va costar molts segles, però aquests descobriments van portar al naixement de la química moderna. La síntesi de compostos, nous materials i medicaments n’és una conseqüència. Quan anem a la farmàcia, podem trobar remeis per als nostres mals gràcies al camí que gent com Gassendi, Lavoisier, Dalton o Mendeleev ens van preparar.

Demòcrit deia que els àtoms són indivisibles. Però, a finals del segle XIX, es va veure que no. Que eren com capsetes que podíem obrir, i mirar dins. Joseph John Thomson va identificar els electrons i, l’any 1897 va proposar el primer model estructural de l’àtom. Thomson deia que, atès que els àtoms són neutres i que els electrons tenen càrrega elèctrica negativa, l’àtom ha de contenir altres partícules amb càrrega positiva. El model d’àtom de Joseph John Thomson era de tipus “plum cake“: els electrons estaven incrustats com les panses al brioix. Ara sabem que això no és massa correcte. Però el cert és que, fa uns 130 anys, es va descobrir l’existència dels electrons. Gràcies a aquest descobriment vàrem acabar aprenent com domesticar-los, els electrons. El segle XX ha estat el segle del control dels electrons i de l’ús de l’electricitat. La primera central elèctrica d’Espanya (i tercera d’Europa) es va construir a Barcelona, al carrer de la Mata, l’any 1883. Fa cent anys, al 1912, a Barcelona pràcticament només estaven electrificats els tramvies. Però ara tenim electrodomèstics, televisió, internet, telèfons intel·ligents, cotxes elèctrics i molt més. Els electrons que vàrem trobar en obrir la capseta dels àtoms ens han canviat la vida.

Els àtoms no són plum cakes, però el que sí és clar és que són molt petits. La seva mida es mesura en angströms. Un angström (que indicarem amb la lletra “A”) és una deu mil milionèsima del metre. Un àtom d’hidrogen mesura 1.1 A, i una molècula d’aigua 2.8 A. En altres paraules, de banda a banda d’una banyera d’un metre podriem col·locar més de tres mil milions de molècules d’aigua, si les poguéssim posar en fila. L’any 1906, Ernest Rutherford i els seus col·laboradors Hans Geiger i Ernest Marsden van publicar la seva teoria sobre l’estructura del nucli atòmic. És la base del que coneixem avui. Els àtoms tenen un nucli i els electrons són al voltant seu en diversos nivells d’energia. En el model de Rutherford, l’àtom era com un sistema solar microscòpic on el nucli feia de sol. Rutherford ho va poder deduir a partir d’un simple experiment. Va bombardejar una làmina molt fina d’or amb partícules alfa, i va observar que quasi totes les particules la travessaven sense ni tan sols desviar-se. Algunes, en canvi, sortien molt desviades o fins i tot rebotaven i tornaven enrere. Eren les que xocaven amb els nuclis dels àtoms d’or, com en un billar nanoscòpic. Gràcies a Rutherford sabem que la mida del nucli és molt més petita que la de l’àtom: de fet, al llarg del diàmetre de l’àtom d’hidrogen podríem arrenglerar uns cent mil nuclis. Mentrestant Einstein, a l’any 1905, va explicar els nivells d’energia dels electrons i l’efecte fotoelèctric, conseqüència directa de la interacció entre fotons de llum i els electrons dels àtoms. Nosaltres ens aprofitem cada dia d’aquest principi quan passem pels sensors fotoelèctrics de les portes dels ascensors, i quan fem fotos amb el telèfon mòbil o amb la càmera digital. També, per exemple, utilitzem la radiació sincrotró dels electrons  en la teràpia mèdica i en molts altres camps.

Semblava que el nucli atòmic era indivisible, però va ser que no. Al segle XX vàrem trobar la clau per obrir la capseta del nucli atòmic. L’any 1932 James Chadwick es va adonar que la radiació que havien observat Walther Bothe, Jean Frédéric Joliot-Curie i altres, era produïda per una partícula que ell va anomenar neutró. Després vam saber que el nucli conté protons i neutrons. En els àtoms sense càrrega elèctrica, el nombre de protons equival al nombre d’electrons. Sabem que el nucli atòmic és esfèric o el·lipsoïdal, que el seu diàmetre és proporcional a l’arrel cúbica del total de nucleons que conté (protons i neutrons), i sabem que la mida d’un protó és tal que en un metre podríem arrenglerar 588 bilions de protons. Tot això ens ha permés entendre les reaccions nuclears i hem aprés a controlar-les. Hem après a construir reactors nuclears i estem fent recerca en el camp de la fusió nuclear. No és fàcil i tots sabem i hem anat veient els riscos, però alguns usos són indiscutibles. Qui no creu en la utilitat curativa de la radioteràpia?

Doncs bé, els protons i neutrons també són capsetes que finalment hem pogut obrir. No ha estat fàcil, perquè cal trencar-les. Hem hagut de construir obridors gegants: els acceleradors de partícules, com el LHC del CERN. Segons el Model Estàndard (desenvolupat a principis dels anys 70), els protons i neutrons són contenidors de fermions, i més en concret de quarks. Tots els experiments posteriors han anat confirmant aquesta teoria del Model Estàndard, i finalment fa pocs mesos s’ha pogut identificar la darrera de les partícules que preveu aquest model: el bosó de Higgs. El bosó de Higgs completa i tanca el mapa de les disset partícules “elementals” que postula la teoria quàntica de camps, junt amb les seves partícules germanes: els quarks, els electrons, els neutrins, els fotons, els gluons i d’altres. El Model Estàndard integra tres de les quatre forces que governen la física: les forces electromagnètiques i les dues forces nuclears, forta i dèbil. Ens explica perquè ens podem moure i vèncer la resistència de l’aire, però en canvi no podem travessar una paret. Alguns aparells actuals de diagnòstic mèdic, com els escàners PET, es basen en aquests descobriments i en l’emissió de positrons, antipartícules de tipus leptò. Però encara queden fenòmens físics per explicar. Per exemple, no sabem d’on surt la força de la gravetat (la quarta força de la física) i no sabem si existeixen partícules que l’expliquin, els hipotètics gravitons. De fet, el Model Estàndard és considerat en general una teoria provisional, que molt probablement serà superada i millorada al llarg del segle XXI.

Quina mida tenen els quarks? La resposta és que encara no la sabem, la mida dels quarks. Alguns físics creuen que la seva mida és nul·la, i que per tant són capsetes que ja no podrem obrir. Però d’altres, com Don Lincoln, creuen que poden tenir una mida de l’ordre de deu a la menys divuit metres (deu a la menys divuit és pot escriure com cero, coma, disset ceros i un 1). Podrem obrir la capseta dels fermions i dels quarks?  De fet, els físics ja han donat un nom al que podrien trobar si la poguessin obrir: són els preons. Però, existeixen els preons? Hi ha moltes teories, per exemple, la teoria de les super-cordes. Fins i tot hi ha qui diu que totes les partícules són plecs de l’espai-temps i que tot el que veiem (i nosaltres mateixos) som geometria. Haurem d’esperar, si volem saber-ho. Don Lincoln diu que podem tenir preons, però també pre-preons o fins i tot pre-pre-preons. Quantes capsetes haurem d’obrir fins arribar a la frontera quàntica? Podrem algun dia entendre i fins i tot domesticar una mica la força de la gravetat? Podria ser útil (per als nostres descendents), no creieu?

Cada cop costa més d’obrir les capsetes, i cada cop és més difícil d’explicar el que hi trobem. No són fàcils d’entendre, els reptes actuals de la física. Però, com hem vist, cada cop que obrim una capseta pugem un nou esglaó i aconseguim que la Natura treballi una mica més per a nosaltres. Gràcies a que hem anat obrint capsetes tenim medicaments, nous materials, telèfons, internet i aparells de diagnòstic i teràpia mèdica. És cert que també hem creat eines de mort i destrucció, i que encara hem de sortir de la prehistòria i aprendre a resoldre els conflictes amb el diàleg, com reconeix l’Eudald Carbonell. Però, com també diu el filòsof Javier Gomà (Babelia, 10-11-2012), hem de sentir-nos afortunats per viure a l’època actual perquè tothom, de qualsevol etapa històrica, escolliria l’actual per viure.

Diuen que no som res, i és cert. Som buits, som espai buit sotmès a les forces atòmiques. Per això, constantment estem sent travessats per neutrins que ens arriben de tot l’Univers. Si cada una de les molècules d’aigua del nostre cos i de la nostra sang tingués la mida del planeta terra, els tres nuclis dels àtoms d’hidrogen i oxigen tindrien la mida d’una illa de l’eixample de Barcelona, i els quarks i partícules elementals que els composen (unes poques dotzenes) serien més petits que pilotes de futbol. La resta és el buit, el no res.

La ciència del segle XXI no és com la del segle XIX. Ara sabem que, a banda de no ser res, no sabem res. La ciència torna a ser molt més prop de la filosofia. Sabem que les nostres teories son transitòries. El Model Estàndard de les partícules elementals serà probablement superat, aquest segle XXI. M’agrada pensar que no sabem si els quarks són capsetes, i quantes capsetes més haurem d’obrir. Anirem entenent més, però cada cop és probable que tinguem més preguntes sense resoldre. Però el que sí és clar és que, si ho sabem fer bé, les noves capsetes que obrim serviran per millorar la vida dels nostres néts. Obrim capsetes, continuem sabent poc, però les capsetes obertes donen eines per a viure millor!