100cias@uned

riamos tener en cuenta, sin embai'go,que las observaciones ópticas se refieren a promedios temporales antes que a valores instantáneos; y esperfectamente concebible, pese a lacompleta confirmación experimentalde la teoría de la difracción, refle

xión, refracción, dispersión, etc.,que la teoría de la luz, que operacon funciones espaciales continuas,lleve a contradicciones cuando se

aplique a los fenómenos de emisióny transformación de la luz". Sin embargo, la validez de las ecuacionesde Maxwell (en el espacio vacío) entodos los sistemas inerciales es un

elemento esencial en el artículo so

bre electrodinámica. Asimismo, en

este artículo Einsíein utiliza argumentos diferentes para deducircómo se transforman la frecuencia

de una onda y la energía de los rayos luminosos al pasar de un sistema a otro. Ambos se transforman de

la misma forma, pero Einstein pasapor alto que eso es lo que cabría esperar con su hipótesis del cuanto deradiación, cuya energía es proporcional a la frecuencia. Finalmente,

ya hemos señalado que Einstein noasigna momento al cuanto de radiación hasta 1917, cuando ya la propiateoría de Maxwell afumaba que laradiación transporta momento.

Estas últimas omisiones se en

tienden si se tiene en cuenta que enel artículo de 1905 está gran partede la física de la relatividad especial pero falta un ingrediente importante: el espacio-tiempo que iba aintroducir Minkowski en 1908. A

partir de entonces, las formulaciones tetradimensionales de la relati

vidad aclararon muchos conceptos.En particular, energía y momentoiban a ser componentes de un mismo cuadrivector cuyo módulo erasencillamente la masa en reposo. Deeste modo, para partículas de masaen reposo nula se recuperaba la relación entre momento y energía quesalía de la teoría electromagnéticaclásica.

Resulta curioso que la primera reacción de Einstein a la idea de Min

kowski fue que era una sofisticacióninnecesaria. Sin embargo, no tardó

en darse cuenta de que sin ello era

imposible avanzar hacia la relatividad general.

Pero eso es otra historia.

J. Javier García Sanz

Dpto. de Física Fundamenta!

De Einstein al futuro

Los cien últimos años han su

puesto un salto enorme en la civilización. Los descubrimientos en

ciencia básica y en las ciencias aplicadas han transformado la vida del

hombre. Cien años parece una brizna dentro de la historia de la huma

nidad pero nunca el hombre habíadado un salto tan gigantesco en eseperiodo de tiempo. Quizá no podemos decir qué va a pasar en este siglo que estamos casi comenzando,pero de lo que sí estamos seguroses de que la humanidad va a seguirtransformando la vida, y su vida, deforma acelerada.

Se ha dicho que el siglo XDÍ hasido el siglo de la Química y el XXel de la Física. Si analizamos los

Figura }. Díptico de la Exposición"De Einstein al Futuro".

avances producidos dentro de estaciencia y originados por ella, estoes verdad. Estamos finalizando el

Año Mundial de la Física en el quehemos, entre otras cosas, celebrado

el aniversario del "Annus Mirabilis"

de Einstein. En 1905 él escribió cin

co trabajos que transfoimaron la física del siglo XX y que siguen influyendo en la que se estádesarrollando en el siglo XXI.

Sin embargo, en pureza, el siglopara la Física nace el 14 de diciembre de 1900 cuando Planck presentaen Berlín, durante la reunión de la

sociedad alemana de física, una hi

pótesis ad hoc sobre la absorción yemisión de la radiación para explicar la radiación del cuerpo negro.En el centenario del trabajo dePlanck un científico francés, Claude

Cohen-Tannoudji, decía *'£/ artículoen el cual Max Planck introdujo laconstante universal que llevó sunombre, fechado en 1900, inauguró un periodo de intensa actividadintelectual, de donde emergió a finales de los aiios veinte un profundocambio conceptual de la física, lateoría de los guanta. Todas las ciencias del siglo XX, desde lo infinitamente peqiiefio de las partículaselementales a lo infinitamente grande de la astrofísica y de la cosmología, de la física atómica y molecidara la física de la materia condensa-da, de la química a la biología asícomo todas las tectiologías que hacen progresar nuestras sociedades. .. están profundamente marcadas por este cambio conceptual;ellas le deben lo esencial de su vita

lidad actual. Todo parece indicarque se está todavía lejos de haberagotado todo el potencial de implicaciones conceptuales y de aplicaciones prácticas de la física cuántica."

Los trabajos de Einstein de 1905y los de Bohr en 1913 llevaron a losfísicos a considerar que la radiaciónelectromagnética y las órbitas electrónicas alrededor del núcleo están

cuantificadas con expresiones formalmente análogas a las de los elementos de energía de Planck. MaxPlanck fue considerado desde en

tonces como el padre de la teoría de

VIDA CIENTIFICA

los quanta. Sin embargo, el verdadero descubrimiento de Planck no

fue el de la cuantificación de la

energía sino el de la constante universal que lleva su nombre. Son lostrabajos de otros investigadores entre 1905 y 1927 los que permitieronclarificar el significado de esta constante. En 1927, las relaciones de in-

certidumbre de Heisenberg hicieronaparecer la constante de Planckcomo la expresión cuantitativa deun límite fundamental impuestopara la determinación de parejas devariables que definen el estado deun sistema en física.

La primera parte del siglo veinteha estado caracterizada por dosgrandes revoluciones conceptuales:la mecánica cuántica y la relatividad. Cada una de las dos teorías ha

modificado profundamente nuestracomprensión de! mundo físico. Lamecánica cuántica ha cambiado la

manera de cómo comprendemos lanaturaleza de la materia y de la radiación, dándonos una imagen de larealidad en la cual las partículas secomportan como ondas y las ondascomo partículas. La relatividad, porotra parte, ha cambiado nuestrasconcepciones del espacio y deltiempo combinando los dos en loque llamamos espacio-tiempo; la relatividad general nos ha indicado launión intima que hay entre la naturaleza de este espacio-tiempo y lade las fuerzas. Einsíein estableció

los fundamentos de estas dos revo

luciones del siglo veinte en el mismo año 1905. Además, en su tesis

doctoral sobre la determinación de

las dimensiones moleculares y suanálisis del movimiento browniano,

también en 1905, estableció las ba

ses de la comprensión estadística dela naturaleza que tiene enormes implicaciones en otros campos.

El papel de Einstein ha sido esencial en la elaboración de la visión

actual del Universo, no solo desde

un punto de vista científico, sinotambién filosófico. Todo esto le ha

consagrado como el sabio, como elhombre del siglo XX. Su influjo sobrepasó con mucho el medio de lainvestigación y la revista Timesnombró a Albert Einstein la perso

nalidad más representativa del siglo XX.En 1901, después de un siglo

XIX muy importante para la física yla química, las áreas clásicas de lafísica parecían bien asentadas. Ha-milton había formulado una des

cripción de la dinámica en 1830.Joule, Kelvin, Clausius y Gibbs habían desarrollado la termodinámica

en la segunda mitad de la centuria.Las ecuaciones de Maxwell habían

sido aceptadas como una descripción general de los fenómenos electromagnéticos, siendo también aplicables a la óptica y a las ondas deradio descubiertas por Hertz. Todoslos fenómenos físicos parecían biendescritos y algunos observadores alfinal del siglo XIX pensaban quesolo quedaba por explicar algunosfenómenos que en nada harían modificar el bien establecido cuerpo dedoctrina de la física. Sin embargobien pronto se pudo comprobar lafalsedad de esta idea.

Uno de los fenómenos inesperados en los últimos años del sigloXIX fue el descubrimiento de los

rayos X por Wilhelm Conrad Ront-gen en 1895, premiado con el primer Premio Nobel de Física en

1901. Otro fue el descubrimiento de

la radioactividad por Antoine HenriBecquerel en 1896 y cuya línea de

trabajo fue continuada por Mane yFierre Curie, que recibieron el Premio Nobel en 1903.

Es también en estos primerosaños cuando empieza a quedar clarocuál es la estructura de los átomos.

Durante muchos años considerados

como objetos sin estructura, los trabajos de Emest Rutherford y de Jo-seph J. Thomson, que identificócomo electrones a las partículas queemergían de los cátodos de los tubosde descarga, proporcionaron la primera idea clara de cuál era esa es

tructura atómica. Más tarde, la re

lación de la carga del electrón y sumasa fue medida por Robert A. Mi-llikan con una gran precisión.

Usando las ideas de la cuantifica

ción de la energía. Niels H.D. Bohrtrabajó sobre un modelo planetariode electrones circulando alrededor

del núcleo de un átomo. Él encontróque las líneas espectrales emitidaspor los átomos solo podrían ser explicadas si los electrones circulasenen órbitas estacionarias caracteriza

das por un momento angular cuanti-ficado en unidades enteras de la

constante de Planck dividida por 2ky si las frecuencias emitidas correspondían a emisiones de radiacionescon energías iguales a las diferencias entre los estados cuantificados

de estos electrones. Esta hipótesis

Figura 2. Microscopio electrónico.

suponía un abandono radical de lafísica clásica. Aunque estas ideassolo podían explicar alguna de lascaracterísticas de los espectros ópticos, enseguida se aceptó que deberíaser un buen punto de partida.

Hasta ese momento todavía la ra

diación y la materia eran consideradas como dos realidades totalmente

separadas, pero en 1923 el PríncipeLouis-Victor P.R. de Broglie propuso que las partículas materiales también podían mostrar propiedadesondulatorias, al igual que la radiación había mostrado aspectos departículas, en forma de fotones, después de los trabajos de Planck yEinsíein. En su descripción dual élpropuso el concepto de longitud deonda de "de Broglie" de una partícula en movimiento. Experimentosposteriores de Clinton J. Davissony George P. Thomson sobre reflexión y efectos de difracción de loselectrones apoyaron totalmente laidea de la dualidad onda-corpúsculo.Es a partir de estos años veinte

cuando se desarrolló una teoría con

sistente que reemplazó a la mecánicaclásica. En 1925. Wemer K. Heisen-

berg, junto con Max Bom y PascualJordán, propusieron la mecánica dematrices y, casi simultáneamente,Erwin Schrodinger creó la mecánicaondulatoria. Ambas mecánicas, quellegaban a resultados equivalentes,transformaban las ideas clásicas in

tuitivas de las órbitas electrónicas e

implicaban que hay un límite naturala la exactitud con la cual se puedenmedir simultáneamente ciertas can

tidades, principio de incertidumbrede Heisenberg. La nueva mecánicasolo era valida para movimientos relativamente lentos, por ejemplo loselectrones de valencia en los átomos,

ya que las ecuaciones no satisfacíanlos requisitos de la relatividad restringida. Paúl A.M. Dirac construyóun fomialismo modificado en el queno sólo cumplían esos requisitossino que contenía términos correspondientes al espín del electrón ypredecía la existencia de una nuevafamilia de partículas, las antipartículas, siendo la primera en descubrirse el positrón en 1932 por CariD. Anderson.

Otros físicos, que contribuyeronde forma importante al desarrollo deestos años de la mecánica cuántica,

fueron, Max Born con sus trabajossobre la interpretación estadística dela función de onda y Wolfgang Pau-li que fomiuló el principio de exclusión. Los datos experimentales, cadavez más precisos, empujaron engran medida a los teóricos para encontrar modelos cada vez más precisos. Este es el caso de las medidas

de Willis E. Lamb, que encontróque el desdoblamiento de la estructura ílna no coincidía con lo predi-cho por los cálculos de Dirac, lo quellevó al desarrollo de la electrodiná

mica cuántica (QED), la teoría másexacta en la actualidad y que en lasversiones de Sin-Itiro Tomonaga,Julián Schwinger y Richard P. Feyn-man suponen un intercambio de varios fotones en las colisiones elec

trón-electrón. Este concepto deproducción de pares desde un estadovacío de un campo cuantificado,como proceso virtual o real, ha sidotambién esencial en las modernas

teorías de campos de las interacciones fuertes, la cromodinámica cuán

tica (QCD).Otro aspecto básico de la mecáni

ca cuántica y de la teoría de campos es la simetría de las funcionesde onda y de los campos. Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang mostraron que en las transformaciones enlas que está presente la interaccióndébil la paridad no se conserva, perosí lo hace el producto de las simetrías de carga por la de paridad, CxP.Sin embargo, algo más tarde. JamesW. Cronin y Val L. Fitch encuentran que existen casos en los quetampoco este producto de simetríasse conserva, por ejemplo entre losmesones K\ en este momento se es

pera que la simetría que se conservasea el producto de las otras dos porla inversión del tiempo.La mecánica cuántica y su exten

sión a las teorías cuánticas de cam

pos ha sido una de las grandes líneas de trabajo del siglo XX. Ha habido un largo camino hacia una descripción unificada de las diferentespartículas y de las fuerzas de la naturaleza. En particular, los trabajos

de Sheldon L. Glasgow, Abdus Sa-lam y Steven Weinberg al final delos sesenta formulan la teoría unifi

cada de las interacciones débiles yelectromagnéticas y, años más tarde, Gerardus't Hooft y MartinusJ.G. Veltman mostraron el camino

para renomializar la teoría electro-débil, algo que era necesario paraeliminar términos que tendían a infinito en los cálculos mecano-cuán

ticos, de fomia similar a como se

había hecho en QED para la interacción de Coulomb. Queda sin embargo mucho por hacer y todavía nose sabe cómo unificar las interac

ciones electro-débil, la interacción

fuerte y la gravedad.A lo largo del siglo XX hemos

tenido un Uirgo camino desde la física de los objetos clásicos a loscuánticos, comenzando por el mundo de los átomos, los núcleos y laspartículas subatómicas. Muchas partículas elementales han sido descu

biertas en la radiación cósmica y enlas colisiones entre partículas aceleradas. Los aceleradores de alta

energía también han dado evidencias sobre la estructura de partículas,como los protones o los neutrones.Roben Hofstadter fue capaz de estudiar los detalles de la estructura

electromagnética de los nucleonespor lo que recibió el Premio Nobelen 1961. Partículas como nuevos

mesones o los muy elusivos neuiri-nos fueron apareciendo a lo largodel siglo. El neutrino fue predichoteóricamente por Pauli hacia losaños treinta, pero la primera evidencia experimental se haría en 1957por C.L. Cowan y Frederick Reinesen 1957, y fue en la década de los

Figura 3. Acelerador de panículas (CERN).

VIDA CIENTIFICA

Finura 4. SPEAR (StanforJ Posiínm Eleciron Asymmetric Rinn): imlalaciones donde serealizaron en 1974 los experimentos de colisión electrón-positrón que condujeron

al dc'scuhrirnieiuo del cuarto quork, "cliarm".

sesenta cuando León M. Ledemian,

Melvin Schwartz y Jack Steinber-ger demostraron la diferencia entrelos neutrinos electrónicos y muóni-cos.

En estos momentos se considera

que los leptones, que no sienten lainteracción fuerte (electrón, muón,

partícula t, neutrino electrónico,neutrino muónico, neutrino t, y susseis antipartículas) no poseen estructura interna. Por el contrario se

ha visto que los hadrones, que inte-ractúan gracias a las cuatro interacciones, sí tienen estructura. Al principio se clasificaban como barionesy mesones (éstos más ligeros quelos primeros). Entre los bariones había dos clases, los nucleones (protones y neutrones) y los hyperones,inestables y más pesados que los nucleones. En 1963, Murray Gell-Mann clasificó a los hadrones sobre

la base de que estaban construidospor unas unidades elementales llamadas quarks, aunque la prueba realde que esto era así fue hecha añosmás tarde por Jerome I. Friedman,Henry W. Kendall y Richard E. Tay-lor. En la mitad de los setenta los

equipos de Burlón Richter y de Samuel C. C. Ting encontraron un tipode quark, el "charm". En el actual

modelo estándar de las partículaselementales se clasifican en tres fa

milias con dos quarks y dos leptonesy sus antipartículas. La primera, conlos quarks "up" y "down", el electrón y el neutrino electrónico. La segunda, con los quarks "strange" y"charm" el muón y el neutrino muónico. Y la tercera, con los quarks"top" y "bottom", la partícula t y elneutrino t. Los responsables de lasinteracciones son: para la interacción electro-débil, el fotón, la partícula Z y los bosones W, estos dosúltimos descubiertos por el equipode Cario Rubbia, y para la interacción fuerte entre quarks, los conocidos como gluones.

Otro gran avance en el siglo XXha sido la Cosmología, que es laciencia que estudia la estructura yevolución del universo. Sus modelos

están basados en las propiedades delas partículas elementales y sus interacciones, de las propiedades delespacio-tiempo y de la gravitación.El modelo del "big-bang" describeun posible escenario para el comienzo de la evolución en los primeros instantes del universo. Una

de las predicciones fue experimen-talmente verificada por Amo A.Penzias y Robert W. Wilson cuando

en 1960 descubrieron el fondo de

radiación cósmica de microondas.

Algunos de los avances más importantes en este área se deben a Su-

bramanyan Chandrasekhar, quiendescribió teóricamente la evolución

de las estrellas, y a los estudios deWilliam A. Fowler sobre alguno delos detalles más importantes de lasreacciones nucleares en las estrellas

y la formación de elementos pesados.

Además de la luz visible y de laradiación del fondo cósmico, la ra

dioastronomía ha proporcionadouna información valiosa sobre cuer

pos astronómicos, que no se podríaobtener por la espectroscopia óptica.Sir Martin Ryle desarrolló los conocidos como telescopios Ryle, yAnthony Hewish y su grupo usandoestos telescopios encontraron en1964 los primeros pulsares. Observando las modulaciones de un nue

vo pulsar, Russell A. Hulse y JosephTaylor Jr. pudieron encontrar la primera evidencia de la radiación gra-vitacional, aunque la detección dela radiación gravitacional sobre latierra todavía no ha sido hecha.

SISTEMAS COMPLEJOS

Núcleos, Átomos, Moléculas,Agregados y Plasmas

Si todas las propiedades de laspartículas elementales y las fuerzasque actúan entre ellas fuesen conocidas, en principio, parecería posiblepredecir el comportamiento de todos los sistemas compuestos poresas partículas. No todos los científicos creen que este programa reduccionista de búsqueda de los últimos ladrillos de los que estáformada la naturaleza y de la descripción de sus interacciones seríasuficiente para describir los sistemas complejos, pero aunque esofuese posible los cálculos de los sistemas complejos enseguida seríanimposibles cuando creciese el número de partículas. Los sistemascompiejos formados por muchaspartículas en general se describencon modelos simplificados donde

100cias@uned

sólo se toman en cuenta las caracte

rísticas más importantes de la composición del sistema y de sus interacciones. A menudo es posibleencontrar en los sistemas complejospropiedades emergentes que no sepueden deducir de fonna directa de

las interacciones entre sus partes.Los primeros sistemas complejos

son los nucleones, es decir, neutro

nes y protones que están formadospor quarks y gluones. De ahí pasa-namos a los núcleos atómicos, queestán a su vez formados por esosnucleones. De ahí seguiríamos conlos átomos, las moléculas, los agregados moleculares, los plasmas formados por átomos y moléculasfuertemente ionizados y seguiríamos por último con la materia con-densada.

Uno de los avances importantesen la estructura nuclear fue el reali

zado por María Goeppert-Mayer yJ.D. Jensen, que propusieron el modelo de capas nuclear en el que, almenos para núcleos con forma casi

esférica, los nucleones extemos lle

naban niveles de energía de formaparecida a como lo hacen los electrones en los átomos, aunque el orden es diferente y está determinadopor potenciales muy distintos. Estemodelo explica por qué los núcleoscon los llamados números mágicosson especialmente estables. Los núcleos con un número de nucleones

lejos de los números mágicos noson esféricos. Estos núcleos se ha

bían estudiado inicialmente con el

modelo de la gota líquida, pero mástarde J. Rainwater, Aage Bohr y B.Mottelson desarrollaron otros mo

delos en donde aparecían diferentestipos de movimientos colectivos. Elestudio de la excitación de ciertos

núcleos muy defonnados llevó a entender en detalle la fisión de núcleos

pesados en varios fragmentos, algoque ya se había conseguido en 1939gracias a los trabajos de Lise Meit-ner, Otto Hahn y Strassmann en1939. Estos estudios tuvieron con

secuencias no sólo científicas sino

militares y políticas, y esta fisión seconvirtió en una de las fuentes más

importantes de energía en la actualidad. Otra aportación importante a lo

Figura 5. ¡nierior del JET (Joint EuropeanTorus). utilizado en investigación sobre

fusión nuclear.

largo del siglo fue el incrementode infomiación sobre espectroscopia nuclear, el descubrimiento deldeuterio y el comienzo de la producción de isótopos nucleares inestables por Fermi, Lawrence, Cock-croft y Walton.

Aunque en principio los átomosson más fáciles de describir que losnúcleos, debido a la sencillez y debilidad de las interacciones electro

magnéticas responsables de la estructura de capas electrónicas en losátomos, una descripción completaes imposible. Los efectos relativistas, muy importantes en los electrones internos de los átomos pesados,y los efectos de la correlación electrónica, solo aproximadamente des-criptos con los diferentes modelos,imposibilitan esa descripción tota!.El estudio de la estructura electróni

ca comenzó poco después del desarrollo de la Mecánica Cuántica con

Hartree, Fock, C.C.J. Roothaan yWalter Kohn, quien desarrolló elmétodo de funcional de la densidad

que no solo es aplicable a los átomos libres sino también a los elec

trones en moléculas y sólidos. En elestudio de la espectroscopia atómicacientíficos como Herzberg o UgoFano crean líneas de trabajo que todavía hoy continúan en muchos laboratorios del mundo. A partir de lasegunda mitad del siglo los trabajosde Alfred Kastler, que mostró quelos electrones en los átomos se pueden colocar en estados excitados se

leccionados por luz polarizada,abrieron el camino a la creación de

los máseres y láseres, que aunquepodría ser predicho a partir de lasecuaciones de Einstein formuladas

en 1917, no es hasta la década de

los cincuenta que se construyen.C.H. Townes desarrolló el primermáser en 1958, en el que usaba unatransición estimulada de la molécula

de amoniaco. Compartió el PremioNobel de Física en 1964 con N.G.

Basov y A. M. Prokhorov que hicieron el estudio teórico del máser.El Premio Nobel de 1981 fue dedi

cado a los investigadores que se dedicaron paralelamente al desarrollode los láseres, N. Bloembergen,A.L. Schawlowy K.M. Siegbahn.AI comienzo del siglo XX toda

vía no estaba completa la tabla periódica, y a lo largo del siglo no solose rellenan los huecos sino que sesiguen produciendo cada vez de forma artificial elementos más pesados. Un salto importante en la físicaatómica, gracias a N.F. Ramsey yW. Paúl, fue el desarrollo de las

trampas que son una combinación

de campos eléctricos y magnéticosque actúan sobre un volumen pequeño. El grupo del profesor H.G.Dehmelt fue el primero que aisló unpositrón y también átomos. Por primera vez los experimentales puedentrabajar con un átomo aislado inte-ractuando con señales de microon-

das o láseres, lo que les permitió nosolo incrementar la precisión al determinar propiedades atómicas, sinoque también la posibilidad de estudiar nuevos aspectos del comportamiento de la mecánica cuántica. El

último aspecto importante en estecampo de la física atómica fue elconseguir los llamados átomos fríos.Se llega a temperaturas de! ordendel microkelvin enfriándolos por colisiones con fotones. El enfriamiento láser fue desarrollado por S. Chu,

Figura 6. Mk rokiser de 12 gm de longitud(imagen obtenida por microscopía

electrónica de barrido).

VIDA CIENTinCA

C. Cohen-Tannoudji y W. D. Phi-llips.

El siguiente nivel de complejidadson las moléculas que están compuestas por átomos. La física molecular es un área que está entre lafísica y la química y, de hecho, muchos científicos que tienen grandesaportaciones en el estudio de los fenómenos moleculares han sido galardonados indistintamente con Pre

mios Nobel en Química o en Física.Uno de los galardonados en Físicafue J.D van der Waals que fue el queprimero se acercó a los gases realesteniendo en cuenta el tamaño finito

de las moléculas, lo que fue un buenpunto de partida para la descripciónde los cambios de fase gas-liquido.Él formuló una ecuación de estadode las moléculas en un gas y los trabajos recientes en agregados moleculares "clusters" están basados en

sus aportaciones. J.B. Perrin estudió los movimientos de pequeñaspartículas suspendidas en el agua yconfinnó la descripción teórica delmovimiento Browniano de Einstein.

Otra aportación importante fue ladebida a V. Raman que abrió lapuerta a la espectroscopia Raman,fuente importante de información dela estructura molecular y de la dinámica. Él explicó el corrimiento dela luz difundida por las moléculasdebido a cambios en sus niveles de

energía vibracional o rotacional.Otro de los grandes nombres en elmundo de la espectroscopia fue G.Herzberg que recibió el Premio Nobel de Química en 1971.

Dos grandes factores han desarrollado en el último tercio del sigloeste área de la Física, la capacidadde los ordenadores y el desarrolloexperimental sobre todo de las técnicas de haces moleculares y la mejora espectacular de los láseres.

Desde el punto de vista teórico,después de los trabajos, sobre el enlace químico, de L.C. Pauling, dosgrandes caminos han seguido los estudios de la estructura electrónica:

uno basado en la tesis doctoral presentada en la Universidad de Chica

go en 1951 por C.C.J. Roolhaan enla que propuso desarrollar los espín-orbitales en función de diferentes ti

pos de bases, lo que pennitió realizar cálculos de sistemas moleculares

basados esencialmente en el modelo

de Hartree-Fock y que muy prontopermitieron ir más allá introduciendo, de forma cada vez más exacta,

parte de la correlación electrónicae, incluso, parte de los efectos relativistas. El otro camino estuvo basa

do en el funcional de densidad y eluso de diferentes modelos de fun

cionales. Quizá las personas quemejor representan estos dos avancesson W. Kohn y J. A. Pople que compartieron el Premio Nobel de Química en 1998.

Los desarrollos de la técnica de

haces moleculares abrieron el cami

no a estudios espectroscópicos y dereactividad nunca soñados antes. Al

gunos de los científicos más importantes que hicieron este desarrollocompartieron también el PremioNobel de Química D.R. Hersch-bach, Y.T. Lee y J.C. Polanyi, aunque otros pioneros como el profesor Bemstein no estuvieron entre los

galardonados. El desarrollo de losláseres fue también muy importantepara la física molecular, ya que seha llegado a intervalos de tiempoque son del orden de la vibraciónde las moléculas. Especialmente importante son los trabajos de A.H.Zewail, Premio Nobel de Química

en 1999, y de O. Gerber.El estudio de los plasmas ha sido

también una línea importante enesta área. Los plasmas son gasesque están formados por átomos opor moléculas fuertemente ionizados. H. Aifven demostró hacia los

años cuarenta la existencia de un

nuevo tipo de movimiento colectivo llamado ondas magneto-hidrodinámicas en estos sistemas. Estas on

das pueden jugar un pape! esencialno solo en los plasmas generados enlos laboratorios sino también en la

atmósfera terrestre y en el cosmos.

Materia Condensada

Muy pronto después del descubrimiento de los rayos X, Max vonLaue y, algo más tarde, W.H. Brag yW.L. Bragg notaron que cuando los

rayos X pasaban a través de unsólido cristalino las figuras de difracción que emergían podían darinformación de las distancias inte-

ralómicas y analizar la distribuciónde los átomos en un cristal. En los

años treinta. P.W. Bridgman esludiólos cambios en las propiedades delos sólidos cuando se sometían a al

tas presiones. A partir de los añoscuarenta se empiezan a usar tambiénneutrones de baja energía para estudiar la estructura cristalina. La ra

zón es que la longitud asociada deDe Broglie está en el rango de lasdistancias interalómicas de los sóli

dos, al igual que los rayos X. Clif-ford G. Shull contribuyó mucho adesarrollar la técnica de difracción

de los neutrones para determinar laestructura cristalina. Otro aspecto dela difracción de los neutrones, las

pequeñas pérdidas de energía debido a la excitación de los modos vi-

bracionales (fonones) en una redcristalina, fue estudiado por BertramN. Brockhouse.

En los años posteriores a la creación de la mecánica cuántica, John

H. van Vleck hizo contribuciones

significativas a la teoría del magnetismo en materia condensada y LouisE.F. Neel introdujo modelos paradescribir materiales antifen-omagné-ticos, donde se alternan momentos

en ambos sentidos de! mismo tama

ño, y materiales ferrimagnéticos,donde la alternancia es más complicada. Estos materiales son componentes importantes de muchos aparatos que incluyen "devices" de estadosólido. La distribución de los átomos

en los sólidos cristalinos y los diferentes tipos de orden magnético sonun caso particular de fenómenos deordenación en la naturaleza. Kenneth

G. Wilson, para explicar de formageneral estos fenómenos, desarrollóla teoría de la renormalización parafenómenos críticos cuya aplicaciónllega hasta las partículas elementales.

Una clase especial de materialeses la de los cristales líquidos, quetiene interés no solo desde el puntode vista básico, sino por sus aplicaciones. Pierre-Gilles de Gennes de

sarrolló la teoría del comportamien-

100cias@utied

to de los cristales líquidos y su transición entre diferentes fases, también usó la mecánica estadística

para describir la dinámica de polímeros, mostrando que los fenómenos de orden en sistemas sencillos

se pueden generalizar a sistemascomplejos, como ocurre en la llamada materia "soft".

Otro de los grandes científicos eneste campo fue Lev. D. Landau,quién formuló conceptos fundamentales sobre los efectos "many-body"en materia condensaba, aplicándolos al estudio de la superfluidez delhelio bosónico. Muchos de los ex

perimentos fueron desarrollados porPyotr L. Kapitsa. En el helio ter-miónico también se pudo encontrarla superfluidez, pero a temperaturastres órdenes de magnitud más pequeñas: esto fue puesto de manifiesto por David M. Lee, Douglas D.Osherov y Robert C. Richardson,siendo la explicación basada en laformación de pares de partículas deespín semientero que se conocencomo cuasibosones, de forma seme

jante a la superfluidez. De todas formas la comprensión de la superfluidez a nivel microscópico distamucho de ser totalmente comprendida y solo recientemente se hanrealizado estudios experimentales yteóricos sobre lo que se conocecomo superfluidez microscópica,donde se analiza el diferente com

portamiento de una molécula rodeada de helios bosónicos o fermióni-

cos en número reducido.

La estructura electrónica de los

sólidos, que determina sus propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas. es también importante para sucomportamiento mecánico y térmico. Una de las líneas de trabajo másimportante ha sido el estudio de losestados y de la dinámica de los electrones. Esto ha conducido a descu

brimientos como la superconductividad o diversos tipos de efectos enlos semiconductores. En 1911, Ka-

merlingh-Onnes descubre la superconductividad, la resistencia eléctri

ca del mercurio tiene una repentinadisminución cuando la temperaturaes inferior a una temperatura detransición, que es del orden de 4

grados kelvin. En la década de lossesenta, León N. Cooper, John Barbeen y J. Robert Schrieñér formulanuna teoría basada en la idea de quelos pares de electrones forman loque se conoce como pares de Coo

per que actúan como una partículabosónica y que se mueven como unfluido microscópico coherente.Aunque en principio se pensaba queesta temperatura de transición eramuy baja, en los últimos veinte añosJ. Georg Bednorz y K. AlexanderMüller mostraron que existían compuestos con temperaturas de transición más altas. Éste fue el comienzode una búsqueda intensa de lo quese conoce como superconductividadde alta temperatura.

Otros científicos que trabajan enel mundo de los superconductoresson Brian D. Jo.sephson, descubridor del efecto que lleva su nombre,e I. Giaver y Leo Esaki, que trabajaron sobre fenómenos de "tunneling"en semiconductores. El movimiento

de los electrones en metales ha sido

modelado de forma cada vez más

sofisticada con la introducción de la

mecánica cuántica. Aquí hay que citar nombres como Félix Bloch, Lev

D. Landau, Philip Anderson y Ne-vill F. Motl.

La era de la electrónica de estado

sólido comienza con William B.

Shockley, John Barbeen y WalterH. Brattain que, además de realizarinvestigaciones fundamentales enla física de los .semiconductores,

desarrollan el primer transistor. Enel año 2000, el Premio Nobel de

Física se concedió a Zhores I. Alfe-

rov y Herbert Kroemer, por sus trabajos en heteroestructuras queabrieron el campo a los modernos"devices" de optoelectrónica, y aJack S. Kilby, co-inventor del circuito integrado.En 1982, Klaus von Klitzing des

cubre el efecto Hall cuántico, lo quele proporciona el Premio Nobel deFísica en 1985, y algo más tardeDaniel C. Tsui y Horst L. Slórmerdescubren el efecto Hall cuántico

fraccionario, que es explicado porRobert B. Laughlin. Los tres comparten el Premio Nobel de Física en

1998.

EPILOGO

Muchos de los descubrimientos yteorías han tenido un gran impactoen el desarrollo tecnológico abriendo nuevos campos o proporcionando útiles a la humanidad. Ejemplostípicos son los trabajos de Shockley,Bardeen y Brattain que llevan altransistor o más tarde a los "chips"construidos por J.S. Kilby, lo queprodujo una autentica revolución enla electrónica. Lo mismo aparececomo consecuencia de los trabajosde investigación básica de Townes,Basov y Prokhorov, que llevan a desarrollar máseres y láseres. Lo mismo ocurre con los aceleradores de

partículas, que hoy son útiles enciencia de materiales y en medicina,o con el microscopio electrónico.Para el desarrollo de la física nu

clear y de partículas elementales hasido especialmente importante el desarrollo de los aceleradores lineales

y del ciclotrón por Cockcroft, Wal-ton y Lawrence, respectivamente, oel uso del efecto Cherenkov para eldesarrollo de detectores. Los detec

tores comienzan con las emulsiones

fotográficas, con la cámara desarrollada por Charles T.R. Wilson, o larealizada por Donald A. Glaser deburbujas. El último paso fue el detector creado por Georges Charpak,que recibió el Premio Nobel de Física en 1992.

En el siglo XX, hasta 163 Premios Nobel han sido concedidos a

investigadores en la Física, ademásde varios galardonados con el Premio Nobel en Química. Ha habidootros investigadores que, a pesar desu trabajo impresionante como UgoFano en física atómica, Slaier en es

tructura de la materia, Bernstein en

física molecular, Lise Meitner en física nuclear, no han conseguido esePremio, pero todos han desarrolladode forma espectacular la física, haciendo de esta ciencia, sin duda, la

ciencia del siglo XX.

Gerardo Delgado Barrio

Profesor de investigaciónInstituto de Matemáticas v Física

Fundamental. CSIC

Presidente de ¡a RSEF