El descubrimiento del átomo: Una odisea de 2.500 años desde la filosofía griega hasta la ciencia experimental

Imagina que te dijera que lo que llamamos "átomo" —el hidrógeno, el oxígeno, el hierro de la tabla periódica— no son realmente átomos. Al menos no en el sentido original de la palabra. Los antiguos griegos buscaban el "á-tomo", literalmente "lo que no se puede cortar", la partícula fundamental e indivisible de la materia. Lo que hoy llamamos átomos son, en realidad, cajas llenas de cosas aún más pequeñas: electrones, protones, neutrones... y dentro de esos, quarks y leptones.

Esta confusión nominal es culpa de algunos químicos entusiastas del siglo XIX que corrieron demasiado y creyeron haber encontrado los verdaderos átomos de Demócrito. No los habían encontrado. Pero su error nos legó uno de los descubrimientos más importantes de la historia de la ciencia: la primera prueba experimental de que la materia tiene estructura.

Esta es la historia de cómo la humanidad descubrió el átomo, una odisea intelectual que abarca desde los filósofos griegos hasta los experimentos químicos que cambiaron nuestra comprensión del universo.

El principio de todo: ¿De qué está hecho el mundo?

La pregunta más fundamental que puede hacerse un ser humano es sorprendentemente simple: ¿De qué está hecho el mundo? Cuando miras a tu alrededor y ves árboles, rocas, agua, aire, personas... ¿hay algo común subyacente? ¿Existe una sustancia primaria de la que todo lo demás está compuesto?

Esta pregunta obsesionó a los antiguos griegos hace más de 2.500 años, mucho antes de que existieran laboratorios, microscopios o el método científico tal como lo conocemos hoy.

Los primeros buscadores: Los filósofos de Mileto

Tales de Mileto (c. 600 a.C.) fue el primero en intentar responder esta pregunta sin recurrir a dioses o mitos. Era un hombre del Renacimiento dos milenios antes del Renacimiento: matemático consumado, astrónomo, consejero político, ingeniero y exitoso hombre de negocios. Perfeccionó su formación en Egipto y Mesopotamia, y enseñó a los marinos griegos a navegar de noche guiándose por la Osa Menor.

Pero su pregunta favorita era: "¿De qué está hecho el mundo, y cómo funciona?"

Su respuesta: el agua.

Para nosotros puede parecer una simplificación absurda, pero piénsalo un momento. El agua puede ser sólida (hielo), líquida o gaseosa (vapor). Está en todas partes: en los océanos, en las nubes, en nuestros cuerpos. Las plantas necesitan agua para crecer. Para ser el primer intento de responder una pregunta tan fundamental, no estaba nada mal.

Anaximandro, discípulo de Tales, fue aún más sutil en su razonamiento. Observó que el mundo está compuesto de contrarios en guerra constante: lo caliente y lo frío, lo húmedo y lo seco. El agua extingue el fuego, el sol seca el agua. Por lo tanto, argumentó, la sustancia primaria del universo no puede ser el agua, ni el fuego, ni nada caracterizado por uno de estos contrarios. No habría simetría, y los griegos amaban la simetría.

Su propuesta fue revolucionaria: el "apeiron", algo infinito tanto en el espacio como en el tiempo, pero que carecía de estructura. No tenía partes componentes. No era nada específico, sino única y exclusivamente apeiron.

Lo que Anaximandro acababa de hacer, sin saberlo, era inventar el concepto del vacío, la idea de que puede existir "nada" como sustancia fundamental. Este concepto sería crucial 2.500 años después para entender la estructura atómica.

Pero Anaximandro no se detuvo ahí. Propuso ideas sorprendentemente modernas: que el hombre evolucionó de animales inferiores que a su vez descendían de criaturas marinas (evolución, 2.300 años antes de Darwin), y que debía haber un número ilimitado de universos, todos perecederos, en sucesión (multiverso, 2.500 años antes de la física cuántica).

Anaxímenes, el último del grupo de Tales, dio un paso atrás y volvió a proponer un elemento concreto como sustancia primaria: el aire. Aunque su propuesta parece menos sofisticada que la de Anaximandro, su razonamiento era interesante: el aire podía condensarse en agua y solidificarse en tierra, o enrarecerse en fuego.

Parménides, a menudo llamado el padre del idealismo (aunque en realidad era materialista), introdujo un concepto revolucionario: el Ser no puede empezar a existir ni desaparecer. La materia no puede entrar y salir de la existencia. Está ahí y no podemos destruirla.

¿Te suena familiar? Este es el principio de conservación de la materia, que no se formalizaría científicamente hasta Lavoisier, 2.300 años después. Los griegos lo habían intuido mediante puro razonamiento lógico.

Empédocles propuso un compromiso elegante: no hay una sustancia primaria, sino cuatro elementos inmutables: tierra, aire, fuego y agua. Estos elementos no se transmutan entre sí, sino que se combinan en diferentes proporciones para formar todos los objetos del mundo.

Pero Empédocles fue aún más lejos. Se dio cuenta de que se necesitaban fuerzas para unir y separar estos elementos. Propuso dos: el amor (fuerza atractiva) y la discordia (fuerza repulsiva).

Aunque sus nombres suenan poéticos, estaba describiendo el concepto de fuerzas fundamentales de la naturaleza, algo que la física moderna reconoce como esencial para entender el universo.

El átomo de Demócrito

Todo este desarrollo filosófico preparó el terreno para Demócrito de Abdera (c. 460-370 a.C.), quien propuso la teoría atómica más completa de la antigüedad.

Su razonamiento era brillante en su simplicidad: Si divides un objeto por la mitad, y luego esa mitad por la mitad, y continúas así indefinidamente, ¿puedes seguir dividiendo eternamente? Demócrito dijo que no. Eventualmente llegarás a una partícula tan pequeña que no puede dividirse más: el "á-tomo" (a-tomos, "sin división").

La visión de Demócrito era asombrosamente moderna:

• Existen diferentes tipos de átomos con distintas formas: lisos, bastos, redondos, angulares

• Hay un número limitado de tipos diferentes, pero un suministro infinito de cada uno

• Estos átomos se mueven en el vacío (adoptando la idea de Anaximandro)

• Todas las propiedades de la materia surgen de cómo se combinan estos átomos

Sus explicaciones específicas eran, por supuesto, incorrectas: creía que las cosas dulces estaban hechas de átomos lisos y las amargas de átomos cortantes (porque "hieren la lengua"). Los líquidos contenían átomos redondos, y los metales tenían átomos con "pequeños rizos" que los mantenían juntos, por eso son duros. Pero el principio fundamental era correcto: las propiedades macroscópicas de la materia emergen de la estructura microscópica invisible.

Aún así sus ideas no fueron tomadas muy en cuenta e incluso fueron ridiculizadas. Para Aristóteles no tendría sentido un universo hecho de átomos rodeados de vacío pues según el caerían por su propio peso unas sobre otras. La teoría que se impuso por los siguientes siglos fue que la materia se podía dividir de forma tan pequeña como quisieses y que todas estaban apiladas unas a otras. Sobre de que estaba hecha perduro la idea de los cuatro elementos de Empédocles, al que Aristóteles unió un quinto, el éter. Una sustancia perfecta que formaría los cuerpos celestes, cosa que resultó no ser cierta.

Los alquimistas siguieron este principio pero, lo fueron modificando poco a poco. Los alquimistas árabes creían que los metales estaban formados por mercurio y azufre en distintas proporciones. Paracelso añadiría un tercer principio: la sal, con el que buscaba explicar elementos que no ardían. Otros hablaban del flogisto, el aceite, el espíritu, el ácido y el álcali. Eran tiempos de especulación sin experimentación sistemática. La ciencia, tal como la conocemos, aún no había nacido.

La llegada de la ciencia experimental

Los químicos del siglo XVII hicieron algo que los que los precedieron no habían hecho: realizaron experimentos relativos a los átomos.

Torricelli y el vacío

Evangelista Torricelli (1608-1647), discípulo de Galileo, realizó un experimento que cambiaría nuestra comprensión del aire y del vacío. Sabemos que a poco más de 10 metros bajo el agua se alcanza una atmósfera, es decir, 10 metros de agua ejercen una presión igual que la de toda la atmósfera

Razonó que, como el mercurio es 13,5 veces más denso que el agua, el aire solo podría elevar una columna de mercurio a 1/13,5 de la altura que elevaba el agua: unos 760 milímetros. Para probarlo, llenó un tubo de vidrio de un metro de largo con mercurio, lo cubrió con un tapón, lo invirtió y lo colocó en un recipiente con mercurio. Cuando quitó el tapón, parte del mercurio se derramó, pero quedaron exactamente 760 mm de mercurio en el tubo. Había inventado el primer barómetro (mide la presión).

Los 240 milímetros superiores del tubo no contenían nada o casi nada, realmente contenía un poco de vapor de mercurio pero era un vacío bastante bueno. El vacío de Anaximandro había sido creado en un laboratorio.

Robert Boyle: El químico escéptico

En 1661, Robert Boyle publicó El químico escéptico, una obra que revolucionaría la química. Boyle fue el primero en criticar abiertamente la teoría de los cuatro elementos de Empédocles que había dominado durante 2.000 años.

Propuso una nueva definición radical de elemento: "una sustancia que no puede descomponerse en otras más simples". Además, insistió en que la única forma de conocer la materia era a través de la experimentación, no de la especulación filosófica.

Boyle descubrió que al aplicar más presión a un gas, su volumen disminuía, cosa que ya vemos lógica (en una jeringa tapa la salida y prueba a hacer fuerza) pero no solo eso, lo hacía de forma predecible. Es decir, sabiendo la presión que aplicamos sabemos cuanto se va a comprimir.

Lo importante de este asunto es que el aire se puede comprimir. ¿Cómo explicar esto? Si el gas fuera una sustancia continua y homogénea, no podría comprimirse. Pero si se compone de partículas separadas por espacio vacío, entonces bajo presión las partículas simplemente se acercan.

¿Probaba esto que los átomos existen? No definitivamente, pero proporcionaba pruebas observacionales compatibles con el atomismo. Estas pruebas fueron lo bastante fuertes para convencer varios científicos , entre ellos a Isaac Newton de que la teoría atómica era el camino correcto.

El colapso de los cuatro elementos

Los experimentos de Boyle y sus sucesores empezaron a desmantelar la teoría de los cuatro elementos:

• El fuego fue el primero en caer: no era materia, sino energía

• La tierra estaba formada por muchas sustancias más simples

• El agua y el aire se resistieron más tiempo, pero eventualmente también cayeron

Cuando Boyle hizo reaccionar hierro con ácido, produjo un gas inflamable. Este descubrimiento se le escapo por los peloss y no fue hasta 1766 cuando el físico inglés Henry Cavendish identificaría el hidrógeno. Este hidrógeno podía combinarse con el oxígeno del aire para formar agua. El agua no era un elemento; era un compuesto.

El hecho de que el gas explosivo se combinaba solo con una parte del aire también probaba que el aire era una mezcla, no un elemento puro.

Boyle estableció una nueva filosofía: algo es un elemento solo temporalmente, hasta que se demuestre que es una mezcla de otros elementos. Irónicamente, el mismo Boyle creía que el oro era un compuesto y pidió la prohibición de la búsqueda alquímica del oro.

Lavoisier

Antoine Lavoisier (1743-1794) ayudo a demoler los últimos vestigios de la antigua teoría de los elementos y estableció la química como ciencia cuantitativa.

Los químicos del siglo XVIII creían que si se calentaba agua, se transmutaba en aire. Lavoisier demostró que esto era falso mediante un experimento elegante: hirvió agua destilada en una vasija especial donde el vapor quedaba atrapado y se condensaba, sin perder nada.

El resultado: el agua pesaba exactamente lo mismo antes y después. No se había transmutado nada.

Gracias a Lavoisier, se cayó por primera vez en la cuenta de que todo elemento puede existir en tres estados: sólido, líquido y "vapor" (gas).

Un día, Lavoisier decidió trabajar con oxígeno e hidrógeno, creyendo que formaría algún tipo de ácido. Pero lo que obtuvo fue agua. Agua "pura como el agua destilada". Repitió el experimento una y otra vez, descomponiendo agua en grandes cantidades. Siempre obtenía los mismos números: el agua producía oxígeno e hidrógeno en una razón de peso constante de 8 a 1. Ocho partes de oxígeno, una parte de hidrógeno. Siempre. Sin excepciones.

Estaba claro que actuaba algún mecanismo muy bien definido, un mecanismo que podría explicarse mediante un argumento basado en los átomos.

John Dalton: El átomo renace

John Dalton (1766-1844) fue quien finalmente conectó todos los puntos. Investigó las consecuencias de la obra de Lavoisier y desarrolló la primera teoría atómica moderna basada en evidencia experimental. Resucitó la palabra "átomo" para referirse a estas partículas invisibles que constituyen la materia. Pero su definición era mucho más precisa que la de Demócrito.

Ya vimos que cuando los elementos se combinan para formar compuestos, siempre lo hacen en proporciones de peso muy específicas. El carbono y el oxígeno se combinan para formar monóxido de carbono (CO) y siempre se necesitan 12 gramos de carbono y 16 gramos de oxígeno. Así con todos los compuestos.

Tras toda esta evidencia, solo cabía una solución. Dalton razonó que la materia está compuesta de átomos indivisibles, y que:

1. Cada elemento químico tiene su propio tipo de átomo con un peso característico

2. Los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas (confirmando a Parménides)

3. Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones numéricas simples

4. El átomo es la unidad básica de los elementos químicos

Por primera vez en 2.500 años, el átomo dejaba de ser filosofía especulativa para convertirse en ciencia experimental.

¿De qué esta hecho el Universo?

Como mencioné al principio, los químicos del siglo XIX se equivocaron. Los átomos de hidrógeno, carbono y oxígeno de la tabla periódica no son indivisibles. Contienen electrones, protones y neutrones. Y esos, a su vez, contienen quarks.

El á-tomo de Demócrito —la verdadera partícula indivisible— sigue siendo buscado. Hoy creemos que son los quarks y los leptones, pero ¿Quién sabe? Quizá algún día descubramos que incluso esos tienen estructura interna. Hoy en día muchos científicos defienden la teoría de cuerdas, donde todo está formado por estas cuerdas y las partículas que vemos son un reflejo de su vibración (aunque esto todavía esta lejos de probarse)

Este largo viaje solo a sido el principio. En los próximos artículos de esta serie exploraremos cómo los científicos descubrieron que estos "átomos" tenían estructura interna, y cómo eso nos llevó al modelo moderno de la materia.