Los intentos para explicar la existencia de los átomos están vinculados con la especulación científica, el arte de la heurística y la demostración científica.
La especulación filosófica es el acto creador de pensar que penetra mentalmente en los datos que le ofrece la experiencia hasta sus últimos fundamentos.
El atomismo filosófico surge de la respuesta dada por Leucipo (460-390 a.C.) a la pregunta de Anaximandro (610-545 a. de C.): ¿Cuál es la sustancia de lo permanente en el cambio de los fenómenos perceptibles? Leucipo responde: "Las cosas deben componerse de partículas minúsculas -los átomos- y del espacio vacío en el que puedan moverse. Como componentes de la materia son la base de la multiplicidad y de todo cambio".
Los átomos de Leucipo se mueven sin el impulso de una fuerza exterior, en el espacio vacío.
Demócrito, el discípulo más importante y sucesor de Leucipo, concluyó que las cualidades no son propiedades objetivas de las cosas: "Según la expresión común, existe el calor, lo dulce, lo amargo, pero en realidad sólo existen los átomos y el vacío".
En síntesis, la especulación filosófica aporta la idea de constitución atómica de la materia como hipótesis plausible.
La heurística es el arte de inventar soluciones haciendo hipótesis que funcionan aunque no estén probadas. Por ejemplo, la teoría cinética de los gases, iniciada en el año 1730 por Daniel Bernoulli (1700-1782). Aspira a explicar las propiedades observadas de los gases (presión, temperatura, viscosidad?) por medio del movimiento de sus moléculas, es heurística pues la existencia de los átomos sólo fue aceptada en 1908.
Demostración científica
Dice Einstein en sus Notas Autobiográficas: "? desarrollé la mecánica estadística y la teoría cinético-molecular de la termodinámica basada en aquella. Mi objetivo principal era encontrar hechos que garantizaran lo más posible la existencia de los átomos de tamaño finito y determinado. Descubrí que según la teoría atomista, tenía que haber un movimiento de partículas microscópicas suspendidas que fuese accesible a la observación? (movimiento browniano).
La teoría del movimiento browniano fue publicada por Einstein en 1905 y en ella predecía una manera de calcular el número de Avogadro y por ende la masa de los átomos, partiendo de cantidades directamente mensurables. La confirmación experimental fue hecha por Jean Perrin en 1908.
En síntesis, Einstein logró explicar con su teoría del movimiento browniano, la evidencia de cosas invisibles que lo producen y con ello demostrar, de manera concluyente, la existencia de átomos y moléculas.
Movimiento browniano
Einstein estaba obsesionado por la idea de mostrar la realidad de esos corpúsculos invisibles llamados átomos. "Mi objetivo principal era encontrar hechos que garantizaran lo más posible la existencia de átomos de tamaño finito y determinado", escribió en sus Notas Autobiográficas.
Con tal fin escribió uno de sus cinco archifamosos artículos publicados en Annalen der Physik, la principal revista europea de física, que con el título "Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidos en reposo exigido por la teoría cinético-molecular del calor", fue dado a conocer el 11 de mayo de 1905. La introducción del mismo dice:
"En este artículo se demostrará que de acuerdo con la teoría cinético-molecular del calor, los cuerpos de tamaño microscópicamente visibles suspendidos en líquidos, deben, como resultado de movimientos moleculares térmicos, realizar movimientos de magnitudes tales que puedan ser fácilmente observados al microscopio.
Si el movimiento aquí descrito puede observarse, entonces la termodinámica clásica ya no puede considerarse estrictamente válida, y se hace posible una determinación exacta de los tamaños atómicos reales. Por el contrario, si la predicción de este movimiento se demostrase falsa, este hecho proporcionará un argumento de gran alcance contra la teoría cinético molecular del calor".
En sus Notas Autobiográficas Einstein vuelve a mencionar el movimiento browniano y temas afines (fenómenos de fluctuación). Allí declara: "no familiarizado con las investigaciones de Boltzman y Gibbs, que habían aparecido con anterioridad y que realmente agotaban la cuestión, desarrollé la mecánica estadística y la teoría cinético-molecular de la termodinámica, basada en aquella. Mi objetivo principal era encontrar hechos que garantizaran lo más posible la existencia de átomos de tamaño finito y determinado. Descubrí que según la teoría atomista, tenía que haber un movimiento de partículas microscópicas suspendidas que fuese accesible a la observación, sin saber que las observaciones sobre el movimiento browniano eran conocidas desde hacía mucho".
El Movimiento Browniano es un movimiento zigzagueante e incesante (como el que imaginó Demócrito para el movimiento de los átomos) de las partículas suspendidas en un líquido, causado por el bombardeo a la que la someten las mismas moléculas del líquido.
Este movimiento fue observado por primera vez por el botánico escocés Robert Brown (1773-1858) por lo que recibió el nombre de movimiento browniano. La siguiente es la transcripción de su informe, publicado en el año 1827 y titulado Observaciones microscópicas sobre las partículas contenidas en el polen de las plantas:
"La planta era la Clarkia Purchella. Las semillas de su polen, que había sido separado de las anteras completamente desarrolladas pero aún no abiertas, estaban llenas de partículas de un tamaño desacostumbrado. Su tamaño variaba (desde casi 1/4000 hasta aproximadamente 1/3000 de pulgada) y su forma, quizá un poco achatada, era entre cilíndrica y oval con los extremos redondos e iguales. Al explorar la forma de estas partículas sumergidas en agua, noté que muchas de ellas se movían visiblemente. Su movimiento consiste no sólo en un cambio de lugar en el líquido, como resultado de sus cambios de posición reciprocas sino también frecuentemente de un cambio de forma de las partículas. A algunas pocas partículas se las veía girar en torno a su propio eje. Después de repeticiones frecuentes de estas observaciones me convencí que estos movimientos no provenían ni de corrientes en el líquido ni de su paulatina evaporación, sino que eran propias de las mismas partículas".
*Ingeniero químico, profesor de la U.P.B. y director del Grupo de Amigos de la Física de U.P.B.
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