- Elementares Vibrationes -

De quina substància està feta la realitat?

Des de temps remots, la humanitat persegueix respostes als grans misteris de l'univers. L'antiga Grècia clàssica fou prolífica en escoles filosòfiques que intentaren donar respostes lògiques, racionals, a aquestes grans qüestions. De fet, la gran majoria dels debats que avui segueixen ocupant el temps dels científics tenen el seu origen en aquells que coneixem com pensadors presocràtics.

De l'ona a la partícula

L'antic savi Pitàgores, del qual ja hem parlat anteriorment en un altre treball (vegeu Arithmos), fou, probablement, el primer filòsof a intentar explicar la composició de la matèria del cosmos. La seva doctrina sostenia que la realitat física estava conformada totalment per vibracions, per allò que ell va anomenar com a ones sonores o musicals. La tesi pitagòrica fou coneguda com l'"Harmonia de les Esferes" i, en diverses derivacions, tingué una gran influència en totes les escoles filosòfiques, fins al Renaixement.

Tanmateix, la teoria de Pitàgores no fou l'única doctrina sobre la substància de l'univers i va conviure amb la d'altres escoles durant molts segles. És el cas, per exemple, de la doctrina dels 4 elements naturals. Amb les seves diferències, les escoles filosòfiques presocràtiques van coincidir en arribar a l'encertada conclusió que, fos quina fos la substància elemental de la naturalesa, aquesta era comuna a tot l'univers, és a dir, que tot estava conformat per una mateixa substància o per un nombre limitat d'elements fonamentals.

La doctrina dels 4 elements naturals, defensada per pensadors com Tales, Anaxímenes, Heràclit o Xenòfanes, sostenia que tot estava conformat per 4 principis: aigua, aire, foc i terra. Aquests elements eren les formes bàsiques d'una essència original i, de la seva combinació, sorgia tota la realitat física. Segons la tradició clàssica, aquestes escoles filosòfiques diferien sobre quin dels 4 elements era l'original. Tales considerà l'aigua l'Arxé o principi de totes les coses, Anaxímenes defensà l'aire com la substància original, Heràclit era partidari del foc i, suposadament, Xenòfanes de la terra. Altres pensadors, com Anaximandre, apostaren per un cinquè element del qual emanaven els altres quatre: l'apeiron. El filòsof naturalista Empèdocles postulà una teoria que integrava els 4 principis naturals i establia els mecanismes de la seva combinació, en funció de forces d'atracció i repulsió.

Aquesta concepció primitiva de la naturalesa arrelà profundament en el pensament racionalista clàssic i fou donada per vàlida durant molts segles per pensadors com Aristòtil, qui va considerar l'èter com la cinquena essència. Fou seguida durant tota l'edat mitjana per l'escolàstica. També podem trobar-la en la tradició oriental amb diverses derivacions, com en l'hinduisme i el budisme. Les tradicions xineses desenvoluparen una doctrina similar, amb molts punts de contacte però també amb notables diferències, fonamentada en 5 elements essencials: foc, aigua, terra, metall i fusta.

Per la seva banda, Demòcrit (Abdera, Tràcia, 460 aC - ? 370 aC) i el seu mestre Leucip, van desenvolupar una tesi revolucionària que trigaria segles a ser considerada seriosament: l'atomisme. Segons aquests pensadors, el cosmos estava conformat per dos principis: el buit i unes partícules fonamentals que van anomenar àtoms. L'àtom, que en grec significa "indivisible", era per a ambdós filòsofs la partícula més petita que podria obtenir-se de la matèria si s'anava descomponent en bocins cada cop més petits.

Per a Demòcrit, els àtoms:

• eren eterns, indivisibles, homogenis, indestructibles i invisibles,
• es diferenciaven només en forma i dimensió, però no per qualitats internes,
• en funció del seu agrupament, establien les propietats de la matèria.

Evidentment, els mitjans tècnics de què disposava Demòcrit no van permetre-li demostrar empíricament la seva teoria, que va ser objecte de grans mofes per part de filòsofs com Plató. No obstant això, aquesta tesi atòmica, absolutament materialista, hauria de ser recuperada, amb importants matisos, durant la revolució científica dels segles XIX i XX.

En efecte, el 1773, el químic Antoine-Laurent de Lavoisier postulà el seu famós enunciat: "la matèria no es crea ni es destrueix, simplement es transforma". Tres dècades més tard, John Dalton va mesurar la massa dels reactius i els productes d'una reacció i va concloure que totes les substàncies estan compostes d'àtoms esfèrics idèntics per a cada element, però diferents d'un a l'altre.

Havien estat necessaris més de dos mil anys, però semblava que l'atomisme de Demòcrit portava la raó. Els experiments del físic italià Amedeo Avogadro van portar-lo a concloure que els gasos estaven formats d'àtoms i que aquests s'unien formant molècules. De mica en mica, l'atomisme anava imposant-se com una evidència irrefutable.

El 1869, el químic rus Dimitri Ivanòvitx Mendeléyev va emprendre la classificació dels elements químics en ordre creixent de la seva massa, ressaltant que existia una periodicitat en les seves propietats químiques. El seu treball seria el precursor de la Taula Periòdica dels Elements.

El 1897, el físic britànic Sir Joseph John Thomson va descobrir unes partícules 1800 vegades més lleugeres que els àtoms d'hidrogen, mentre estudiava els raigs catòdics. En un primer moment, va anomenar a aquestes partícules com a corpuscles. Havia descobert l'electró.

Les investigacions de J.J. Thompson van permetre establir que l'electró era una partícula subatòmica amb càrrega elèctrica negativa. Aquest fet tenia serioses implicacions, ja que comportava que, al cap i a la fi, l'àtom no era una partícula indivisible, com pensava Demòcrit i com el definia el seu nom. Tanmateix, es va mantenir la nomenclatura adoptada.

De la partícula a l'ona

Thompson havia suposat que els electrons es distribuïen per tot el volum de l'àtom mesclats en un mar de càrrega positiva. Però, entre 1908 i 1913, Ernest Rutherford i els seus col·legues Hans Geiger i Ernest Marsden van demostrar que la càrrega positiva de l'àtom estava concentrada en un petit nucli en el centre i que els electrons es disposaven a la seva perifèria.

Amb aquest descobriment, el 1913, el físic Niels Bohr va proposar un model atòmic, en el qual els electrons negatius orbitaven al voltant d'un nucli amb càrrega positiva. Però el model de Bohr, tot i ser un gran avenç, no era perfecte, ja que només servia per a descriure amb precisió l'àtom d'hidrogen.

El 1919 el químic nord-americà Irving Langmuir va suggerir que els electrons d'un àtom podrien estar disposats en una mena de conjunt de closques al voltant del nucli.

Durant la dècada posterior, diversos experiments van començar a mostrar evidències de l'extremada complexitat de l'àtom. El 1924, Louis-Victor de Broglie va proposar una hipòtesi que porta el seu nom: que totes les partícules es comporten com ones fins a cert punt. El 1925, Werner Heisenberg va publicar la primera formulació matemàtica consistent de mecànica quàntica (la mecànica de matrius).

Amb tot això, el 1926, Erwin Schrödinger va desenvolupar un model matemàtic de l'àtom (la mecànica d'ones) que descrivia els electrons com a formes d'ona tridimensionals en lloc de partícules puntuals. Una conseqüència de l'ús de formes d'ona per descriure les partícules subatòmiques era que matemàticament resultava impossible obtenir valors precisos tant per a la posició com per l'impuls d'una partícula en un moment determinat. És el que coneixem com el principi d'incertesa, formulat per Werner Heisenberg, el 1927.

El desenvolupament de l'espectròmetre de masses va permetre mesurar la massa dels àtoms amb més precisió. Això va portar al físic James Chadwick al descobriment del neutró, una partícula amb massa similar al protó però sense càrrega.

Durant la dècada de 1950, el desenvolupament dels acceleradors de partícules i dels detectors de partícules millorats va permetre als científics estudiar els impactes dels àtoms que es mouen a altes energies. Es va provar que els neutrons i els protons eren hadrons o compostos de partícules més petites anomenades quarks. Així es va desenvolupar el model estàndard de física que, fins ara, ha explicat amb èxit les propietats del nucli en termes d'aquestes partícules subatòmiques i les forces que regeixen les seves interaccions.

Tots aquests descobriments de la primera meitat del segle XX van assentar les bases d'una gran revolució científica i tecnològica. La humanitat va tenir accés al coneixement de les profunditats de la matèria, com mai abans. Tanmateix, també van revelar-nos l'essència profundament paradoxal de la naturalesa física de la realitat que ens envolta.

Aquesta dualitat, aparentment contradictòria, de la realitat s'exemplifica en allò que els físics contemporanis coneixen com la dualitat ona-partícula i que s'ha aconseguit explicar amb conceptes molt complexos com la funció d'ona i el col·lapse de la funció d'ona. Tal com ens ha descobert la mecànica quàntica, les parts més elementals que conformen tot el que existeix són al mateix temps ones i partícules.

Reprenent la qüestió en els termes simples que utilitzaven els filòsofs presocràtics podem afirmar que tant Pitàgores com Demòcrit tenien part de raó. El primer sostenia que la realitat estava formada per ones o vibracions. El segon va postular que la realitat estava formada per partícules elementals. Després de tot, cap dels dos s'equivocava. Però la realitat ha resultat ser molt més complexa i misteriosa.

Aquest camí d'anada i de tornada entre l'ona i la partícula és el que hem volgut explicar amb el títol d'aquestes làmines, les Vibracions Elementals.

Per alguns físics actuals, com Roger Penrose, la dualitat ona-partícula és fonamentalment una qüestió de caràcter epistemològic. El problema, la dificultat, no radica en la naturalesa mateixa, sinó en la capacitat humana de mesurar-la i comprendre-la: en els efectes que l'observació d'un fenomen té en el mateix fenomen que s'observa. És, en definitiva, un problema de mesura, una qüestió filosòfica.