Richard Phillips Feynman - Electrodinámica cuántica

Las conferencias en memoria de Alix G. Mautner fueron concebidas en honor de mi esposa Alix, que murió en 1982. Aunque realizó su carrera en literatura inglesa, Alix tenía un interés grande y permanente en muchos campos científicos. De modo que parecía adecuado crear una fundación, en su nombre, que patrocinase una serie de conferencias anuales con objeto de comunicar a un público inteligente e interesado el espíritu y los logros de la ciencia.

Estoy encantado de que Richard Feynman haya aceptado dar las primeras conferencias. Nuestra amistad se remonta a cincuenta años atrás, a nuestra niñez en Far Rockaway, Nueva York. Richard conoció a Alix a lo largo de veintidós años, y durante mucho tiempo deseó que desarrollara una explicación de la física de las partículas pequeñas que fuese inteligible para ella y otras personas que no fuesen físicos.

Como nota suplementaria, me gustaría expresar mi aprecio a todos los que contribuyeron a la Fundación Alix G. Mautner y que de esta forma ayudaron a hacer posible estas conferencias.

Leonard Mautner

Los Angeles, California.

Mayo 1983

Este libro se supone que son las actas de las conferencias que sobre electrodinámica cuántica di en UCLA, transcritas y editadas por mi buen amigo Ralph Leighton. En realidad, el manuscrito ha experimentado considerables modificaciones. La experiencia de Mr. Leighton en la docencia y en el arte de escribir han sido de valor considerable en este intento de presentar esta parte importante de la física a una audiencia más amplia.

Muchas exposiciones «populares» de la ciencia logran una simplicidad aparente al describir algo diferente, algo considerablemente distorsionado, de lo que pretenden estar describiendo. El respeto hacia nuestro tema no nos ha permitido hacer esto. A lo largo de muchas horas de discusión, hemos intentado alcanzar el máximo de claridad y de sencillez sin compromisos con la distorsión de la verdad.

Alix Mautner sentía una gran curiosidad por la física y, a menudo, me pedía que le explicara cosas. Lo hacía sin problemas, tal como lo hago con un grupo de estudiantes de Caltech que acuden a mí cada jueves una hora, pero en ocasiones fallé en lo que considero la parte más interesante: siempre nos quedábamos atascados en las locas ideas de la mecánica cuántica. Le decía que no podía explicarle esas ideas en una hora o en una velada —requerían mucho tiempo— pero le prometí que algún día prepararía una serie de conferencias sobre el tema.

Preparé algunas conferencias y fui a Nueva Zelanda a ensayarlas ¡probablemente porque Nueva Zelanda está tan alejada que si no tenían éxito no importaría! Bien, la gente de Nueva Zelanda pensó que eran correctas, de manera que supuse que lo eran ¡al menos para Nueva Zelanda! Por consiguiente, aquí están las conferencias que preparé en realidad para Alix pero que desafortunadamente, ahora, no puedo pronunciárselas a ella directamente.

De lo que quiero hablar es de una parte de la física que es conocida, no de una parte desconocida. La gente siempre está preguntando por los últimos desarrollos en la unificación de esta teoría con aquella otra, y no nos da la oportunidad de explicarles nada sobre las teorías que conocemos bastante bien. Siempre quieren conocer cosas que no sabemos. De manera que en lugar de confundirles con un montón de teorías a medio hacer y parcialmente analizadas, me gustaría hablarles de un tema que ha sido completamente analizado. Me gusta este área de la física y pienso que es maravillosa: es lo que denominamos electrodinámica cuántica, o QED para abreviar.

Mi objetivo principal en estas conferencias es describir, de la forma más precisa posible, la extraña teoría de la luz y la materia —o de manera más específica, la interacción de la luz y los electrones—. Va a llevar bastante tiempo explicar todo lo que quiero. Sin embargo, hay cuatro conferencias, de modo que me tomaré el tiempo necesario y todo saldrá bien.

La física tiene un historial de sintetizar muchos fenómenos en unas cuantas teorías. Por ejemplo, al principio existían fenómenos de movimiento y fenómenos de calor; había fenómenos de sonido, de luz y de gravedad. Pero pronto se descubrió, después de que Sir Isaac Newton explicase las leyes del movimiento, que algunas de las cosas aparentemente distintas eran aspectos de la misma cosa. Por ejemplo, el fenómeno del sonido podría comprenderse completamente mediante el movimiento de los átomos en el aire. De manera que el sonido no se consideró nunca más como algo separado del movimiento. También se descubrió que los fenómenos caloríficos se explicaban con facilidad a partir de las leyes del movimiento. De esta forma, amplias esferas de la teoría física se sintetizaron en una teoría simplificada. Por otro lado, la teoría de la gravitación no se entendía mediante las leyes del movimiento, e incluso en la actualidad permanece aislada de otras teorías. Hasta ahora, la gravitación no puede ser explicada en términos de otros fenómenos.

Tras la síntesis de los fenómenos de movimiento, sonido y calor, tuvo lugar el descubrimiento de un número de fenómenos que denominamos eléctricos y magnéticos. En 1873 estos fenómenos fueron unificados con los fenómenos luminosos y ópticos en una única teoría por James Clerk Maxwell, quien propuso que la luz es una onda electromagnética. De manera que entonces estaban las leyes del movimiento, las leyes de la electricidad y magnetismo, y las leyes de la gravedad.

Alrededor de 1900 se desarrolló una teoría para explicar lo que era la materia. Se denominó la teoría electrónica de la materia, y decía que existían pequeñas partículas cargadas dentro de los átomos. Esta teoría evolucionó gradualmente hasta incluir un núcleo pesado con electrones girando en torno a él.

Los intentos para comprender el movimiento de los electrones alrededor del núcleo utilizando leyes mecánicas —de forma análoga a como Newton utilizó las leyes del movimiento para descubrir cómo la tierra giraba alrededor del sol— fueron un verdadero fracaso: todo tipo de predicciones resultaron erróneas. (Incidentalmente, la teoría de la relatividad que todos Vds. consideran ser una gran revolución en la física, fue también desarrollada en esta época. Pero comparada con el descubrimiento de que las leyes del movimiento de Newton no eran válidas para los átomos, la teoría de la relatividad era sólo una pequeña modificación). El elaborar otro sistema que reemplazase a fas leyes de Newton llevó largo tiempo porque los fenómenos a nivel atómico eran bastante extraños. Había que perder el sentido común para percibir lo que estaba ocurriendo a nivel atómico. Finalmente, en 1926, se desarrolló una teoría «insensata» para explicar «la nueva forma de comportamiento» de los electrones en la materia. Parecía disparatada, pero en realidad no lo era: se denominó la teoría de la mecánica cuántica. La palabra «cuántica» hace referencia a ese peculiar aspecto de la naturaleza que va en contra del sentido común. Es de este aspecto del que voy a hablarles.

La teoría de la mecánica cuántica también explicaba todo tipo de detalles, como el por qué se combina un átomo de oxígeno con dos de hidrógeno para formar agua, y demás cosas. La mecánica cuántica suministró así la teoría a la química. De modo que la química teórica fundamental es realmente física.

Debido a que la teoría de la mecánica cuántica podía explicar toda la química, y las distintas propiedades de las sustancias, fue un éxito tremendo. Pero aún quedaba el problema de la interacción de la luz y la materia. Es decir, la teoría de Maxwell de la electricidad y el magnetismo tenía que ser modificada de acuerdo con los nuevos principios de la mecánica cuántica. De modo que una nueva teoría, la teoría cuántica de la interacción de la luz y la materia, que es conocida con el horrible nombre de «electrodinámica cuántica» fue finalmente desarrollada por un número de físicos en 1929.