Paul Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe del centro científico COSI. Sutter es también presentador de Ask a Spaceman y Space Radio, y dirige AstroTours por todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a las Voces de los Expertos de Space.com: Op-Ed & Insights.
Se podría pensar que los electrones son bastante fáciles de describir. Masa. Carga. Ya está. Esos dos pequeños números pueden utilizarse para describir toda una serie de fenómenos electromagnéticos. Pero los investigadores han aprendido que esas partículas son mucho más complicadas que eso.
Eso quedó claro cuando Otto Stern y Walther Gerlach dispararon algunos átomos de plata a través de un campo magnético variado en 1922 y vieron algo que no podían explicar. El montaje requería que los átomos de plata fueran eléctricamente neutros, con la carga de sus electrones perfectamente equilibrada con la de los protones. Si se realizara este experimento y no se supiera nada de mecánica cuántica (al estilo de Stern y Gerlach), se podría esperar uno de los dos resultados.
En el resultado más aburrido posible, la neutralidad de los átomos anularía cualquier interacción con el campo magnético, y navegarían en línea recta a través del aparato sin ni siquiera pestañear.
Sin embargo, si los componentes del átomo se comportaran como pequeñas bolas de metal que no sólo tuvieran masa y carga, sino que también pudieran girar sobre su propio eje, entonces ese momento angular sí interactuaría con el campo magnético circundante, produciendo un par de torsión. Este es un efecto electromagnético totalmente normal y conocido que puedes probar en casa, suponiendo que tengas campos magnéticos fuertes y bolas de metal que giren rápidamente.
Dado que cada átomo individual tendría un par de torsión aleatorio en una dirección aleatoria, esa interacción dispersaría las trayectorias de los átomos, enviándolos a salpicar contra una pantalla después de salir del campo magnético.
Stern y Gerlach se sorprendieron porque no obtuvieron ninguna de las dos cosas.
Tomando una bifurcación en el camino
En cambio, los dos científicos alemanes se encontraron con dos manchas distintas de átomos de plata depositados. En lugar de ir en línea recta, y en lugar de extenderse uniformemente, parecía que los átomos de plata habían conspirado para separarse en dos campos distintos, con un grupo dirigiéndose hacia arriba y el otro hacia abajo.
Los experimentadores estaban siendo testigos de uno de los primeros indicios en la cara de que el reino subatómico opera con reglas que están lejos de las conocidas. En este caso, los efectos cuánticos estaban en plena vigencia, y los investigadores no tardaron en darse cuenta de que los átomos (o, más exactamente, las partículas que los componen) tienen una propiedad hasta ahora desconocida que sólo se revela en presencia de un campo magnético.
Y como esos átomos se comportaban más o menos como bolas giratorias de metal cargado eléctricamente, esta nueva propiedad fue bautizada como «spin». Y así, partículas como los electrones tenían de repente tres propiedades: masa, carga y espín.
Saliendo a dar una ‘vuelta’
Y al igual que la masa y la carga, podemos realizar experimentos para descubrir la naturaleza de la propiedad del espín y cómo interactúa con las demás fuerzas y partículas del universo. Y resulta que el espín tiene unas propiedades bastante extrañas.
Por un lado, la magnitud del espín de una partícula concreta es fija. Por definición, los electrones tienen un espín igual a 1/2. Otras partículas pueden tener un espín de 1, 3/2, 2 o incluso 0. Y la magnitud del espín de una partícula determina qué direcciones del espín podemos medir realmente.
Por ejemplo, una partícula de espín 1/2 como un electrón sólo puede medirse con +1/2 o -1/2, lo que corresponde a las desviaciones hacia arriba y hacia abajo del experimento de Stern-Gerlach. A una partícula de espín 1, como un fotón, se le pueden medir las direcciones +1, 0 o -1, y ya está. Sé que es una notación confusa, pero habrá que culpar a los físicos que lo describieron por primera vez hace cien años.
Tenga en cuenta que la dirección real del espín puede apuntar a cualquier parte -imagine una flechita etiquetada en todas y cada una de las partículas. La longitud de esa flecha es fija para cada tipo de partícula, pero sólo se nos permite medir un número limitado de direcciones. Si la flecha apunta ligeramente hacia arriba, se registrará en cualquier experimento como +1/2. Si está un poco hacia abajo o muy hacia abajo, no importa, obtendremos -1/2. Y ya está.
Es como el GPS de navegación más inútil del mundo: En lugar de darte indicaciones precisas, sólo te dicen: «Ve al norte 500 pasos» o «Ve al sur 500 pasos». Buena suerte en la búsqueda de ese restaurante.
Llevándolo al límite
Esa es la naturaleza endiablada de la mecánica cuántica: Limita fundamentalmente nuestra capacidad de medir cosas a pequeñas escalas.
Después de suficiente experimentación, las «reglas» del espín se añadieron al conocimiento de los científicos sobre la física cuántica, desarrollándose simultáneamente en la década de 1920. Pero no fue exactamente un ajuste natural. La formulación del mundo cuántico con la que la mayoría de la gente está familiarizada -por ejemplo, la famosa ecuación de onda de Schrodinger que nos permite calcular las probabilidades de las ubicaciones de las partículas- no incluye de forma natural el concepto de espín.
El problema proviene del enfoque que adoptó Erwin Schrodinger cuando fue a averiguar todo este asunto cuántico. A principios de la década de 1920, la teoría de la relatividad especial de Einstein ya era vieja, y los físicos sabían que cualquier ley de la física debía incorporarla. Pero cuando Schrodinger escribió una versión relativista correcta de su ecuación, no pudo hacer nada al respecto y la abandonó por la versión menos correcta, pero aún viable, que conocemos y amamos. Aunque es increíblemente útil, la imagen de Schrodinger de la mecánica cuántica no incluye automáticamente ninguna descripción del espín, sino que hay que añadirla de forma poco elegante.
Pero por la misma época, cierto físico teórico llamado Paul Adrien Maurice Dirac también estaba descifrando el mundo cuántico y se lanzó de lleno a un enfoque de la mecánica cuántica que incluía la relatividad especial. Y, a diferencia de su compañero Erwin, fue capaz de descifrar el código matemático y averiguar sus implicaciones. Una de esas implicaciones de la unión de la mecánica cuántica con la relatividad especial era, lo has adivinado, el espín. Sus matemáticas incluían automáticamente una descripción del espín. Si lo hubiera resuelto unos años antes de los experimentos de Stern y Gerlach, ¡habría podido predecir sus resultados!
En cambio, descubrimos el espín cuántico a través de la experimentación, pero Dirac nos enseñó que para entender esta extraña propiedad de las partículas tenemos que ponernos en un estado mental totalmente relativista, y cuántico. Por muy tentador que sea, tenemos que descartar por completo cualquier idea de que las partículas subatómicas son diminutas bolitas de metal que giran; su comportamiento es mucho más complejo de lo que esa metáfora podría sugerir. De hecho, es probable que no haya ninguna metáfora útil.
Simplemente, no existe una descripción clásica de esta enigmática propiedad. En cambio, el espín es una propiedad fundamental de nuestro universo, que se manifiesta sólo en la intersección de la mecánica cuántica y la relatividad especial, sin metáforas macroscópicas. Sólo a través de la maquinaria matemática de Dirac podemos hacer predicciones sobre los comportamientos del espín que necesitamos para hacer física. Así, tenemos un caso desafortunado en el que la única forma de responder a la pregunta «¿Qué es el espín?» es simplemente señalar las matemáticas de Dirac y encogerse de hombros.
Aprenda más escuchando el episodio «¿Cómo vamos a entender el espín cuántico?» en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la web en http://www.askaspaceman.com. Gracias a Dean B., Pete E., @nirbnz, Kari Kale y @sowjuinil por las preguntas que dieron lugar a este artículo. Haz tu propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síganos en @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.
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