¿Por qué no atravesamos el suelo?

Probablemente aprendieras en la escuela que la materia está compuesta de átomos. Y quizá te dijeran que el término significa indivisible, algo que no tiene partes. Aunque hasta hace algo más de un siglo se pensaba que los átomos eran los constituyentes más pequeños de todos los objetos que nos rodean, hoy sabemos que, en realidad, los átomos sí son divisibles. En el centro del átomo se encuentra el núcleo y alrededor hay un enjambre de electrones. Lo sorprendente es que los electrones y el núcleo están muy alejados entre sí. Tanto, que podemos decir que la materia es mayoritariamente espacio vacío. Entonces, si el suelo es casi hueco, ¿por qué no lo atravesamos?

La primera respuesta que se nos podría ocurrir tendría que ver con los electrones. Estas minúsculas partículas tienen carga eléctrica negativa, por eso se repelen entre sí (debido a la fuerza electromagnética). Al acercar nuestros pies al suelo, los átomos de la suela del zapato se situarían cada vez más cerca de los átomos de la superficie del suelo. Pero, puesto que los electrones se sitúan en la parte externa de los átomos, al encontrarse unos con otros se repelerían e impedirían que el zapato atravesara el suelo.

Principio de Exclusión

Como quizá sospeches, esta respuesta no es del todo correcta. Los electrones son tan pequeños que entran en juego otros factores más allá de la repulsión electromagnética. Aunque es cierto que los electrones se repelen entre sí, para explicar por qué no atravesamos el suelo tenemos que abarcar el enjambre de electrones al completo. El comportamiento de cada electrón depende del de los demás, ya que no puede haber dos electrones que se comporten exactamente igual al mismo tiempo. De vez en cuando, un electrón puede cambiar su comportamiento. Pero nunca puede copiar a otro.

Esta regla, que aún no ha cumplido 100 años, se conoce como Principio de Exclusión de Pauli. Y es la que nos impide atravesar el suelo. Para cambiar de comportamiento, los electrones necesitan recibir o desprender energía. Así, los electrones alrededor de los átomos se organizan por niveles: cuando reciben energía pasan a ocupar niveles superiores y, al descender a los inferiores, desprenden energía. Cuando el zapato toca el suelo, los átomos del zapato se acercan a los átomos del suelo. Se acercan tanto que los electrones de unos átomos y otros pasarían a ocupar el mismo nivel de energía si no fuera por el Principio de Exclusión.

Por eso se necesita que algunos electrones ocupen niveles superiores, y para eso hace falta energía. La presión del zapato contra el suelo es la que la proporciona. Pero, cuanto más queramos acercar el zapato al suelo, más átomos habrá que juntar, y más electrones habrá que enviar a niveles superiores de energía. Es decir, más energía hará falta. Para que el zapato atravesara el suelo necesitaríamos mucha más energía de la que podemos proporcionar, por eso el suelo nos parece sólido cuando lo pisamos.

El color está en los electrones

Además, la misma explicación sirve para saber por qué el suelo es opaco. Cuando un electrón recibe luz, está recibiendo energía que le permite ascender a un nivel superior. Entonces, la energía se absorbe y el rayo de luz no alcanza a atravesar el objeto. Pero, poco después, los electrones volverán a su nivel original, desprendiendo la energía que absorbieron. Dependiendo de la manera precisa en la que desprendan esa energía, veremos el suelo de un color u otro. Incluso podemos entender por qué suenan nuestras pisadas. Al acercar el zapato al suelo, la energía que imprimimos hace que vibre el aire alrededor de la pisada. Las vibraciones se transmiten por el aire y llegan a nuestros oídos.

Con todo, podemos rescatar algo de la primera explicación fallida. En lugar de hablar de repulsión entre electrones, podemos hablar de repulsión entre enjambres de electrones: los enjambres de los átomos del zapato repelen a los enjambres de los átomos del suelo.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Aunque, en general, la luz no atraviesa el suelo, hay maneras de conseguir que sí lo haga. Si todos los electrones de un gas muy denso y frío están tan bien empaquetados que todos los niveles de energía están ocupados sin ningún hueco, los electrones no tienen manera de cambiar de comportamiento. Entonces, aunque se iluminen, no pueden absorber la energía de la luz, que atraviesa el objeto sin interactuar con él. Este fenómeno se predijo teóricamente hace más de 30 años, pero hubo que esperar a 2021 para observarlo experimentalmente. Tres grupos lo lograron a la vez y publicaron los resultados en el mismo número de Science.

REFERENCIAS (MLA):

• Pauli, W. “Über Den Zusammenhang Des Abschlusses Der Elektronengruppen Im Atom Mit Der Komplexstruktur Der Spektren”. Zeitschrift Für Physik, vol 31, no. 1, 1925, pp. 765-783. Springer Science And Business Media LLC, https://doi.org/10.1007/bf02980631.
• Pauli, Wolfgang – Nobel Lecture. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1945/pauli/lecture/
• Dyson, Freeman J. “Ground‐State Energy Of A Finite System Of Charged Particles”. Journal Of Mathematical Physics, vol 8, no. 8, 1967, pp. 1538-1545. AIP Publishing, https://doi.org/10.1063/1.1705389.
• DeMarco, Brian, and Joseph H. Thywissen. “No Vacancy In The Fermi Sea”. Science, vol 374, no. 6570, 2021, pp. 936-937. American Association For The Advancement Of Science (AAAS), https://doi.org/10.1126/science.abm0072.