Felicidades, teoría del electrón

Los electrones dominan nuestro mundo, pero hasta hace no tanto eran solo una idea. Este mes se cumple el 120 aniversario de la publicación de la teoría del electrón por Hendrik Antoon Lorentz. Su electrón no era una mera partícula elemental hipotética, era el eje de una teoría ambiciosa de la naturaleza. Hoy en día, los físicos están acostumbrados a la noción de que una completa descripción de la naturaleza puede emerger de simples y bellas ecuaciones sin embargo, antes de Lorentz era una visión mística.

Para muchos físicos, el cenit de la física en el siglo XIX es la teoría de campos eléctricos y magnéticos de Maxwell en 1864. A continuación, se instaló una neblina hasta la aparición de las teorías cuántica y relativista en el siglo XX. Esta historia tiende un puente entre dichos periodos, creado mediante una heroica labor.

Para establecer el contexto, es importante admitir una blasfemia: la propia explicación de Maxwell de sus ecuaciones es un caos. No encontrará en sus escritos la elegante, limpia y compacta estructura con la que ahora aprenden los estudiantes. En vez de eso, descubrirá un torrente de símbolos y una serie de palabras y ecuaciones. Maxwell, un hombre profundamente humilde, no consideró que estaba produciendo poesía para la historia, adecuada para ser recordada. Más bien, él simplemente se remitió a resumir, en forma matemática, todo lo conocido entonces sobre electricidad y magnetismo. En su explicación, las ecuaciones básicas se mezclan con la fenomenología improvisada.

El logro de Lorentz fue purificar el mensaje de las ecuaciones de Maxwell separando la señal del ruido. La señal: cuatro ecuaciones que gobiernan como los campos eléctricos y magnéticos responden a la carga eléctrica y su movimiento, además de una ecuación que especifica la fuerza que esos campos ejercen sobre la carga. El ruido: ¡todo lo demás!

Ahora que hemos definido las ecuaciones para el comportamiento de pequeños cuerpos con masa y carga específica ¿Podríamos usar esas ecuaciones para reconstruir la descripción de la materia en una nueva base, empezando por los átomos idealizados de carga? Esta fue la carga de la teoría del electrón de lorentz. Empezando con su artículo en 1892, Lorentz y sus seguidores usaron la teoría del electrón para explicar una propiedad tras otra de la materia (conductividad de la electricidad y calor, comportamiento dieléctrico, reflexión y refracción de la luz y muchas más). Así que establecieron las bases para lo que ahora llamamos electrónica y ciencia de materiales. Y en 1897, Joseph John Thomson mostró experimentalmente que los electrones realmente existían.

Muchos de los artículos de Lorentz en 1892 tratan con la seductora pero no menos problemática idea de que la masa de los electrones podía ser consecuencia de su carga eléctrica. Una carga en movimiento genera tanto un campo eléctrico como magnético, el cual se resiste al cambio y su reacción inversa en el movimiento del electrón ¿Podría esta reacción inversa tenerse en cuenta para la inercia del electrón, de ahí su masa? Este tipo de ideas tienen una antigua historia: Aristóteles quiso tener en cuenta para la inercia de la materia, la reacción inversa del aire. La visión de Lorentz de la masa electromagnética fue inmensamente influyente. Inspiró un duro trabajo técnico, notablemente por parte de Lorentz y Poincaré, que anticiparon partes fundamentales de la teoría especial de la relatividad de Einstein.

La mecánica cuántica cambió las reglas del juego, y la idea de que la reacción inversa electromagnética por si sola es responsable de la masa de los electrones demostró no ser viable. Hay que destacar sin embargo, que hoy en día la explicación de la masa de protones, neutrones y otras partículas sometidas a interacciones fuertes se hace usando una idea estrechamente relacionada. La inercia de esas partículas surge de la reacción inversa de los campos de gluones del hermano mayor del electromagnetismo, la electrodinámica cuántica. Aunque a la partícula de Higgs se le atribuye la función de dar materia a la masa, su contribución a la masa de la materia ordinaria es realmente muy pequeña. La bella idea de Lorentz, en su forma moderna, representa la mayor parte de ella.

Via Scientific American