La existencia de los átomos

Hace casi un año inicié una serie de entradas relacionadas con la existencia de los átomos, y de cómo el atomismo fracasó como doctrina filosófica en la antigua Grecia. Por suerte he podido hablar de este tema con un compañero de trabajo, Salva, Doctor en Filosofía, que muy amablemente ha accedido a darme su visión del tema. Os paso integramente su opinión:
"Dejando a parte las implicaciones religiosas, el atomismo filosófico constituye una amenaza para la ontología dominante en la tradición clásica del pensamiento griego y, por ende, en la cosmovisión europea que la pretende heredar. La ontología estudia el ser, es decir, las estructuras fundamentales de la realidad y cómo pueden ser descritas lingüísticamente, en tanto que se da un isomorfismo estructural entre el lenguaje y el mundo.
El atomismo es rechazado por la filosofía clásica porque ataca la distinción ontológica básica entre "sustancia" y "accidente". Las sustancias se reflejan lingüísticamente mediante los nombres o sustantivos; mientras que los accidentes mediante los adjetivos calificativos y cualquier predicado que no sea inherente a la definición esencial de las sustancias. De aquí que, si todo son átomos combinados aleatoriamente, entonces la distinción entre "sustancia" y "accidente" pierde su vigor y, por consiguiente, la creencia en el isomorfismo del lenguaje y el mundo. Los ataques a la ontología clásica por parte del atomismo se reflejarían en los siguientes aspectos:
a) Las sustancias no serían inmutables, sino que serían fruto de combianciones azarosas según las circunstancias, así por ejemplo, los sujetos lingüísticos se volverían difusos y no se podría predicar de ellos ninguna cualidad definitiva y definitoria.
b) Las cualidades esenciales que definirían estas substancias inmutables perderían su status privilegiado y serían tan aleatorias como las accidentales. Por ejemplo, la cualidad "racional" sería tan aleatoria como la cualidad risueño para describir la esencia humana.
c) El fixismo de las especies animales, basado en la creencia en la eternidad sin evolución de las formas de vida naturales, se vería menoscabado por la aleatoriedad de la constitución de los rasgos formales de esas mismas especies"

Contribución de una amiga, Susana, filósofa (resumen):

“El atomismo era puro materialismo, negaba la existencia de los dioses y de las almas, y por tanto toda posibilidad de religión, de forma que sin religión no había control efectivo sobre el pueblo. Por tanto, el atomismo no casaba con las ideas religiosas y políticas de la época.

Este hecho marcó fundamentalmente la no aceptación de la teoría atomista, más que la oposición de Platón a la misma. Sí es cierto que Platón no toleró la filosofía de Demócrito y la criticó y desprestigió, pero eso va aparte, ya que su opinión no tuvo mucho peso en ese momento (aunque es claro que después, el cristianismo se nutrió de sus ideas).

Respecto a la influencia de Aristóteles en el fracaso de la teoría atómica: 

“En las obras Física y Metafísica, Aristóteles elabora todo un tratado de la naturaleza donde intenta definir su significado. Realiza una extensa introducción donde comenta todo el que anteriormente a él se ha estudiado, y ahí expone el pensamiento de todos los filósofos presocráticos, entre ellos los atomistas, y también de su maestro (Platón), y en general comenta que ninguno de ellos ha podido dar explicación de qué es el "movimiento" y resolver la aporía del no-ser planteada por Parménides (básicamente: Parménides afirma que el Ser es inmutable, porque si existiera el cambio esto supondría pasar del ser al no-ser o a la inversa, ¡¡y el no-ser no puede ser!!).

Aristóteles define la naturaleza cómo: "el conjunto de todas las cosas materiales que poseen una tendencia intrínseca al movimiento, con miras a cumplir un fin o propósito determinado". Es decir, que todo ser natural posee tres características:

-la materialidad

-un principio de movimiento que facilita el cambio

-y la tendencia a un fin

 Para explicar este concepto, Aristóteles presenta su Teoría de las 4 causas: Causa Formal, Causa Material (que juntas forman la Teoría Hilemórfica, Sustancia = Materia + Forma, y esta materia consta de 9 accidentes o atributos, la Causa Eficiente (que és el Movimento) i la Final (que es el Bien).

Según Aristóteles, el movimiento (que es un hecho "observable" y por lo tanto "innegable") sí que existe, pero que éste no radica en el cambio del no-ser al ser o a la inversa, sino del cambio de la potencia (de poder ser algo) al acto (ser ese "algo").

  

Entre las consecuencias que tiene este planteamiento, una de los más importantes es la de afirmar que no existe el "vacío" -que es el que traía de cabeza todos los presocráticos, y que los atomistas sí que afirmaban (decían que entre átomo y átomo existe el vacío), que todo es naturaleza y materia.

Esa es la confrontación directa entre la filosofía de Aristóteles y el que afirmaban los atomistas –además de que Aristóteles contaba con la “forma” y estos no. Sí que es cierto que Aristóteles estaba respaldado por el poder, claro, y así han progresado sus ideas. 

Por tanto, el primer argumento, es decir, que el atomismo no progresó por su oposición a las ideas del poder establecido, fue más decisivo que la oposición de Platón o Aristóteles a las tesis atomistas.


Contribución de la wikipedia (con muchos reparos, pues soy un lego en Filosofía y no sé si será un razonamiento correcto). Lanzo la propuesta wikipediana:

"Dado que Aristóteles colocaba al medio en el centro de su teoría del movimiento, él no podía comprender las ideas del vacío que eran básicas para la teoría atómica de Demócrito. Un vacío es un espacio que no contiene nada, y dado que Aristóteles aseveraba que el movimiento requiere de un medio, él concluía que el vacío era una idea incomprensible. Aristóteles creía que el movimiento de un objeto es inversamente proporcional a la densidad del medio. Cuanto más tenue es el medio, más rápido será el movimiento. Si un objeto se moviera en el vacío, Aristóteles creía que debía desplazarse en forma infinitamente rápida, de forma tal que la materia rellenara todo espacio vacío en el instante en que se produce.^4"

En sucesivas entradas os daré otros puntos de vista respecto a la no aceptación del atomismo como doctrina filosófica en la antigua Grecia.
Saludos.

La existencia de los átomos (final)

Para acabar con el tema, haré un pequeño resumen de cómo afrontaría yo la cuestión de la existencia de los átomos con los alumnos:

a) Observaríamos el fenómeno del movimiento browniano. Una forma sencilla y a la vez muy llamativa de hacerlo sería llevar al aula un puntero láser y un borrador de pizarra. Con la habitación completamente a oscuras encenderíamos el puntero. A continuación le daríamos unos golpes al borrador impregnado de tiza para que observasen el movimiento de las partículas de tiza a través del haz láser.

b) Analizaríamos el fenómeno: ¿por qué las partículas se mueven así? ¿Por qué no caen directamente hacia el suelo y siguen esas extrañas trayectorias?

c) Justifícariamos esos movimientos sobre la base de la existencia de los átomos y moléculas. Las partículas de tiza se mueven así porque las partículas que componen el aire chocan contra ellas en todas direcciones.

d) Indicaríamos brevemente que la explicación de este fenómeno fue la primera prueba de la existencia de átomos y moléculas. Hablaríamos brevemente de Einstein y Jean Perrin, mostrando cómo la ciencia se basa tanto en las suposiciones teóricas como en la necesaria experimentación para justificar y probar esas suposiciones.

e) Por último les mostraríamos las pruebas fotográficas obtenidas con el microscopio de efecto túnel, sin incidir obviamente en la explicación de cómo funciona el mismo, ya que los alumnos todavía no están capacitados para entenderlo.

También quiero hacer un último apunte en referencia a las "posibles fotografías" de átomos aislados, porque es una noticia que ha surgido recientemente a través de la red. Las imágenes han sido publicadas entre otras webs en el diario Insidescience, donde se muestra la imagen detallada de un solo átomo de carbono y su nube de electrones. Estas representaciones han sido obtenidas por investigadores Ucranianos en el Kharkov Institute for Physics and Technology in Kharkov, Ukraine. Son las siguientes:



Según los autores éstas imágenes fueron obtenidas por un microscopio de emision de campo de electrones o field-emission electron microscope, o FEEM por sus siglas en inglés. Para lograrlo los científicos pusieron una cadena rígida de átomos de carbono de tan solo unas decenas de átomos de largo en una cámara de vacio y pasaron 425 volts a través de la muestra. El átomo de la punta de la cadena emitió electrones en una pantalla de fósforo que lo rodeaba, originando la imagen de la nube de electrones alrededor del nucleo.

De todas formas yo pondría la noticia "en cuarentena", hasta que sea confirmada a través de otras fuentes.

No es la única técnica de la que he encontrado noticias a través de la red. Concretamente en el siguiente artículo de El País, indican que científicos del centro de IBM en Zúrich han logrado visualizar la estructura química del pentaceno:



Aquí tenéis un video explicativo del hallazgo:



Enlace directo (por si no funciona el video)

Según los autores del artículo, una técnica de este tipo puede suponer avances muy importantes en el campo de la nanotecnología, sobre todo a la hora de manipular estructuras a nivel atómico y molecular. Han utilizado un microscópio de fuerzas atómicas.

Como véis la ciencia es continuo progreso, parece que no tiene límites. En fin, esto me va a suponer un esfuerzo adicional, ya que tendré que investigar cómo funcionan esos microscopios tan novedosos. Pero como dice el refrán, "sarna con gusto, no pica".
Saludos.

La existencia de los átomos (3)

Según la física clásica una partícula confinada entre dos barreras de potencial (como por ejemplo una bolita oscilando libremente en un orificio) no puede escapar si su energía total no le permite superar las barreras de energía que la confinan. En la figura que os muestro, esas barreras de potencial serían los extremos A y C:

El efecto túnel es un fenómeno cuántico que consiste en que existe una probabilidad no nula de que una partícula atraviese dicha barrera de potencial, es decir, es como si la bolita atravesase la pared a través de un túnel:

Según la física cuántica, si las paredes son delgadas, la amplitud de la función de onda de la partícula podría no hacerse cero antes de alcanzar la región de potencial del otro lado de la pared. Esto significa que la partícula podría encontrarse fuera del recipiente que la confina aún cuando de acuerdo con la física clásica no tiene suficiente energía para escapar. Tal fuga a través de regiones prohibidas clásicamente se denomina efecto túnel, tal y como se aprecia en la figura:


Este fenómeno cuántico es la base del funcionamiento del denominado microscopio de efecto túnel.

Un esquema que muestra el funcionamiento del microscopio es el siguiente:



De forma sencilla podríamos describir el dispositivo indicando que consta de los siguientes elementos:

a) La "sonda exploradora" (señalado como "tip" en la imagen, coloreada de rojo). Se trata de una punta de un metal tan extremadamente fina (una aguja, en términos coloquiales), que en condiciones ideales en su extremo inferior debería tener un solo átomo. Esto debe ser así por la sencilla razón de que si deseamos obtener medidas a nivel atómico, el elemento de medida ha de tener un tamaño situado dentro de ese rango.
b) La muestra a estudiar (señalada como "sample" en la imagen, coloreada de azul).
c) Un dispositivo piezoeléctrico con electrodos: su función es mover con extrema precisión la punta metálica, así como registrar las señales eléctricas que se generan en el microscopio.
d) Un circuito eléctrico con diferentes dispositivos (amplificadores, controladores de distancia, un procesador de datos, etc.). La idea es que entre la punta metálica y la superficie a explorar exista una diferencia de potencial que permita la aparición de la corriente de efecto túnel. La barrera de potencial entre la superficie a explorar y la punta metálica sería el espacio vacío existente entre ambas.

Obviamente no se pueden ver los átomos iluminándolos con luz. Lo que hace el microscopio de efecto túnel es medir una pequeña corriente de electrones que los átomos emiten cuando pasa encima de ellos la aguja que termina en un solo átomo. Esa corriente de electrones no es otra cosa que la corriente de efecto túnel: los electrones confinados en los átomos de la superficie metálica son capaces de atravesar la barrera de potencial existente entre dicha superficie y la aguja (el espacio vacío antes mencionado). Lo que nos muestran estas imágenes es una representación por ordenador de la corriente medida una vez amplificada. Dicho de otro modo, lo que vemos es (más o menos) el módulo de la función de probabilidad de los electrones en cada átomo.

Las imágenes son absolutamente espectaculares, y las podéis encontrar en nobelprize.org:

Imágenes microscopio efecto túnel

Superficie de una placa de níquel



Superficie del platino:

La existencia de los átomos (2)

En esta entrada seguiré hablando del movimiento browniano:

Hay una manera muy simple de ver este fenómeno, sin necesidad de recurrir a un microscopio. En una habitación sin mucha luz y libre de corrientes de aire, en ocasiones podemos ver las motitas de polvo suspendidas en el aire e
iluminadas por la luz que entra por una ventana. Si seguimos una de ellas con atención no tardaremos en notar que se mueve erráticamente y sin cesar (yo siempre utilizo el ejemplo del borrador y las partículas de tiza. Se da un pequeño golpe contra la pizarra y se observan las partículas de tiza moviéndose a través del aire del aula).

Pues bien, fue Einstein, de manera teórica (y de forma absolutamente genial, no se me ocurre otro epíteto), quien explicó de forma matemática las características de este movimiento aleatorio de partículas, denominado movimiento Browniano (en honor al escocés Robert Brown, biólogo y botánico que descubrió éste fenómeno en 1827). Para ello, partió de la idea de que el movimiento aleatorio de estas partículas se debía a que su superficie de las mismas era golpeada incesantemente por las moléculas del fluido sometidas a una agitación térmica (véase Sobre el movimiento requerido por la teoría cinética molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario, año 1905). Además, postuló que ciertas características del movimiento browniano dependían del tamaño de las moléculas del líquido. Esto le permitió proponer un método para determinar el tamaño de las moléculas del agua, directamente de la observación del movimiento browniano.

En la siguiente imagen tenemos un esquema de este tipo de movimiento:


El estudio experimental lo llevó adelante el físico francés Jean Perrin, quien para 1910 anunció que había podido medir el tamaño de las moléculas del agua siguiendo el método propuesto por Einstein (Les preuves de la réalité moléculaire, 1911). Para ello realizó minuciosas observaciones experimentales del fenómeno descrito por Einstein utilizando un microscopio, y realizando múltiples fotografías de las partículas en suspensión, obteniendo una sucesión de fotografías (es decir, una película) en la cual se podía apreciar la distribución de las partículas esféricas que eran agitadas bajo el efecto del movimiento browniano.



Estas pruebas experimentales supusieron la aceptación definitiva de que la matería estaba constituida por átomos y moléculas, ya que hasta los escépticos más recalcitrantes (como Ostwald) las consideraron como válidas.

Podéis encontrar mucha más información en el siguiente libro, donde J. Perrin describe sus trabajos:


Es más, estas experiencias permitieron calcular el valor de la constante de Avogadro. En la página 150 describe cómo con sus trabajos es posible calcular el número de Avogadro. De hecho, J.Perrin indica: "In fact, I changed (with the valuable assistance of Bjerrum, Dabrovski, and Bruhat) the mass of the grains (from 1 to 50), their nature (gamboge, mastic), their density (1.20 to 1.06), the nature of the intergranular liquid (water, strongly sugared water, glycerol in the upper layers of which the grains of mastic, being lighter, accumulated) and lastly the temperature (from -9° to +60°). My most careful measurements made with an emulsion the rarefaction of which doubled with each rise of 6 microns, gave a value for N of 68 X 10 22."

También nos podemos plantear la pregunta: ¿alguien pensó algo parecido en esos 2500 años? Obviamente, la respuesta es afirmativa, ya que no podemos dejar en el camino a pensadores que a lo largo de la historia estuvieron plenamente convencidos de la existencia de los átomos (Lucrecio, Boyle, Newton, etc.). Sin embargo, la falta de evidencias experimentales de esta existencia impidió la aceptación universal de la hipótesis atómica.

En este enlace podréis encontrar una simulación del movimiento browniano de una partícula de polen rodeada de moléculas de agua:
Movimiento browniano

Aunque todos los hechos anteriormente descritos son muy importantes, resulta mucho más efectivo mostrar a nuestros alumnos la existencia de los átomos sobre la base de las pruebas aportadas por las últimas tecnologías, con imágenes mucho más ilustrativas que las que expuse en la anterior entrada. Por ello, en mis clases, siempre suelo motrarles con el proyector imágenes de estructuras atómicas obtenidas mendiante el microscopio de efecto túnel. Es tal la importancia de este invento, que tres científicos, Ernst Ruska, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, obtuvieron el premio Nobel de Física en 1986 gracias a sus trabajos relacionados con este dispositivo.

En sucesivas entradas iré tratando este tema con un poco más de detalle.

La existencia de los átomos (1)

Cuando explico el tema de los átomos siempre me viene a la memoria una frase que leí en un conocido libro de Química Física, el de P.W. Atkins. Concretamente, la primera oración del libro decía lo siguiente:
"Sabemos que los átomos y las moléculas existen porque podemos verlos".

A continuación, para validar la anterior afirmación, proporcionaba una fotografía de una punta de platino obtenida mediante la técnica de microscopìa de campo ionizante:



También incluía una imagen de la densidad electrónica de la molécula de antraceno obtenida mediante la técnica de la difracción de rayos X:


En mi opinión esta afirmación de P.W. Atkins no estaba exenta de cierto triunfalismo, y explico el porqué.

A nosotr@s, profesor@s de ciencias, nos resultan familiares este tipo de imágenes, así como su significado. Sin embargo, a un alumno de secundaria, estas fotografías les recuerdan más a un cuadro abstracto que a un conjunto de átomos.

En mi caso, trato siempre de que mis alumnos comprendan que la idea de la existencia de los átomos no tuvo una singladura fácil a lo largo de la historia de la ciencia. A ellos les parece la cosa más normal del mundo el hecho de que toda la materia esté constituida por átomos, por la simple razón de que desde pequeños dicha idea les ha sido inculcada en las clases de ciencias.

Como ya vimos en la entrada dedicada al tema de los modelos atómicos, pese a ser una idea surgida hace más de dos mil años (siglo V a.C.), durante más de dos milenios el atomismo no pasó de ser una mera especulación filosófica. Hasta principios del siglo XX no se dispuso de la primera prueba directa de la existencia de los átomos y de las moléculas, gracias a los trabajos de Jean Perrin sobre el movimiento browniano.

Actualizo la entrada con la contribución del propio saber popular (wikipedia), en la que se justifica la razón que llevó a Demócrito a postular la existencia de los átomos:

Las aporías de Anaxágoras y Demócrito[editar]

Si por ejemplo se parte de la definición de la materia como extensa se tiende a llegar a la conclusión de que la materia es divisible ad infinitum: por más pequeña que sea la fracción que se obtiene de la división, siendo material es entonces extensa y por esto aún siempre divisible ulteriormente, esta era por ejemplo la tesis de Anaxágoras quien sostenía la teoría de "semillas" infinitas, partículas originarias divisibles al infinito.
Pero si se presupone que la característica fundamental de la materia es la extensión (presupuesto que puede ser una petición de principio) y por ende su divisibilidad ad infinitum, se preguntaba Demócrito: ¿cómo es posible que existan objetos finitos? (eso parece antiintuitivo). "Las cosas finitas no pueden derivar del infinito", de ahí la necesidad que tuvo Demócrito en pensar que la materia está compuesta por partículas indivisibles: los átomos ( "ἄ-τομος" significa precisamente in-divisible).
Aquí, pues, los griegos tenían dos conclusiones: o la infinita divisibilidad de la materia o la no infinita divisibilidad de la materia; esta antinomia parecía oponerse a todo pensamiento racionalmente válido, la cuestión era entonces una aporía.

La ciencia es así, ya que un fenómeno tan aparentemente trivial como es el movimiento de las partículas de polvo en suspensión en el interior del agua resultó clave a la hora de demostrar que los átomos y las moléculas existían en realidad. De ahí que resulte de personas necias emitir afirmaciones del tipo: "¿pero eso que están investigando para qué sirve?". Desgraciadamente, este tipo de opiniones es muy común entre la mayoría de la gente.