El segundo electrón, o la sutil frontera entre la física y la química

por Marc Nadal Ferret | Oct 6, 2016 | Artículos, ReCiencia | 0 Comentarios

Breve introducción: el método científico

Tanto la física como la química se basan el método científico. Dicho de forma muy simplificada, el método científico consiste en observar fenómenos naturales, postular una serie de reglas y leyes que tengan un carácter universal que los expliquen, y cotejar el comportamiento que predicen estas leyes con la realidad empírica; hasta que se observa otra cosa y hay que cambiar el modelo por otro mejor. Pongamos un ejemplo: Newton vio que las masas se atraían, y que su atracción se podía definir con una magnitud llamada fuerza (gravitacional), que es inversamente proporcional a la distancia de masas al cuadrado, y proporcional al producto de las masas. De esa fuerza se podía calcular la aceleración de esos cuerpos. Se vio que este modelo era válido para explicar la caída de los objetos en la Tierra y que también era válido para explicar el movimiento de los planetas y por lo tanto, mientras cuadraba con lo esperado, se dio por buena la ley. Fijémonos en que la ciencia no persigue la causa última de por qué se atraen las masas, sino que busca una explicación más inmediata, el cómo: un mecanismo universal. Es importante que dicho mecanismo no cambie de un día para otro, ni de un planeta a otro. Otra cosa: las leyes científicas no son verdades absolutas: siglos después, Einstein descubrió que la gravitación universal de Newton no funcionaba a la perfección y propuso un modelo nuevo, el de la relatividad general. Aun así, eso no significa que el conocimiento previo sea una burda mentira, simplemente es un modelo perfectible, y con todo, el de Newton todavía sirve para mandar satélites al espacio.

¿Física o química?

Había una serie de televisión en España llamada Física o Química. En realidad yo nunca la vi, pero presumo que se basaba en las discusiones epistemológicas de los estudiantes adolescentes, que se enzarzaban en largos debates sobre si era mejor la física o la química, con el propósito de dilucidar cuál era la carrera universitaria que mejor les llevaría al conocimiento y de humillar a los compañeros que habían elegido otra opción. Tal vez no fuese exactamente así la serie, pero no vamos a hacer spoilers.

Pero, ¿en qué se diferencian física y química? Pues básicamente en el objeto de estudio. Cuando hablamos del movimiento de los planetas, del espacio, la cosmología… entendemos que hablamos de física. Cuando hay masas que se mueven, rotan, chocan… también hablamos de física. Cuando tratamos campos magnéticos, cargas, circuitos… seguimos con la física. Y cuando vamos al nivel microscópico y nanoscópico y estudiamos los enlaces entre átomos y de los cambios que en ellos se producen, hablamos de química: reacciones, ácidos, bases, iones, valencias, etc. Pero cuando, ya inmersos en el átomo, nos adentramos en el núcleo y estudiamos sus fuerzas, sus desintegraciones, fusiones, fisiones, las partículas elementales que lo conforman… volvemos al terreno de la física (nuclear).

Entonces, ¿cabe decir que la química es “tan solo” un capítulo de la física, como pueda ser la física nuclear o la cosmología? Conviene ser comedidos con las palabras, pues de esta afirmación se podría interpretar que una disciplina implica una posición social y académica más prestigiosa y meritoria que otra. Y no es así. Ningún físico le reprocharía a un astrónomo que “la astronomía es tan solo una parte de la física”, de la misma manera que un médico de cabecera no se reirá de un neurólogo porque “la neurología sea tan solo una parte de la medicina”. Pero la física y la química son dos carreras universitarias diferentes, con dos historias diferentes, y dos colegios profesionales diferentes, lo cuál puede generar absurdos piques. Yo sugeriría que la química es una especialización de la física: es la física de los entresijos de la materia. Intentaré explicar por qué y, sobre todo, espero que nadie lo interprete como que una ciencia es mejor que la otra.

Cuando yo estudié Física Cuántica, en tercero de Física, nos explicaron los postulados que regían sus fundamentos: básicamente, plantear correctamente la ecuación de Schrödinger, cuyas soluciones son los posibles estados del sistema que estudiamos. De ahí se pueden saber las posibles energías, velocidades, y demás magnitudes que presenta un sistema tras una medición, y con qué probabilidad. Nos demostraron cómo se resolvía la ecuación de manera exacta cuando tenemos un átomo con un solo electrón. A partir de dos electrones, hay que recurrir a métodos numéricos (variacional, o de perturbaciones) que tienen una base física, pero aquí se acaba el temario. La física busca lo fundamental: qué es la ecuación de Schrödinger, cómo hay que plantearla, qué son las funciones de onda (una herramienta matemática que sirve para describir las características del problema)…. El segundo electrón ya no se considera un problema fundamental, sino un “caso particular”, una especialización, y la física se lava las manos. Aunque siempre podría estar sujeto a discusiones, se podría decir que ahí empieza la química. Por lo menos, la química cuántica.

Alguien que hubiera leído la última frase podría pensar que la química es inferior por ser sólo un “caso concreto” de la física. Pero en realidad, que la física nos diga cómo interaccionan dos masas o dos cargas no nos soluciona muchos problemas de nuestro día a día. Sabemos qué pasa cuando interaccionan dos electrones, y un electrón con un núcleo, y cómo plantear el problema matemáticamente pero, ¿y ahora qué? ¿Qué pasa cuando tenemos un átomo de helio con dos electrones? ¿Y cuando tenemos una molécula formada por varios átomos, cada uno de ellos con varios electrones? ¿Y cuando tenemos un cristal? ¿Y una proteína? El mundo en que vivimos es extremadamente complejo. Por ejemplo: una proteína puede tener decenas de miles de átomos, cada uno de ellos con diferentes números de electrones. Calcular las energías de los estados excitados de un sistema de 200 átomos (por ejemplo, unos cuantos aminoácidos de una proteína) puede llevar varios días de cálculo, con muchos ordenadores trabajando a la vez: ¡es todo un reto para la computación! La física nos aporta verdades que la química asume, pero la química se arremanga y se pone a resolver cuestiones de gran complejidad que para la física son casos no ideales. Bueno sí, no ideales, pero es que resulta que en el mundo no sólo hay átomos de hidrógeno, ni te encuentras con osciladores armónicos cuánticos en cada esquina. Desde el estudio de qué le pasa a la materia cuando se disuelve en agua o cuando reacciona con ácidos o bases, hasta cómo la testosterona penetra en el interior de la célula a través de una proteína, todo eso lo puede estudiar la química. Y lo hace gracias a la física, pero sin la física.

Así, si la física es ciencia de lo fundamental, la química estudia lo complejo. Nacieron por separado, pero con el tiempo, y sobre todo gracias a la cuántica, química y física se han encontrado y son un continuo de conocimientos abordados con un mismo método científico, y cuya separación es cada vez más relativa. Así lo prueban el éxito que están teniendo las nuevas dobles titulaciones de física y química en universidades como la UAB. En estudios como la física de materiales o la nanotecnología, la convergencia de la física y la química es más que evidente. Espero que con el tiempo física y química sean dos grados de aproximación y detalle de una misma disciplina que estudia el mundo natural, tal vez con distintas salidas en el mercado laboral, pero jamás como posiciones opuestas y enfrentadas.