La propuesta de George Francis Fitzgerald de que los rayos catódicos eran electrones à la Larmor libres se vio corroborada por los estudios en radioactividad que demostraron la identidad de la radiación beta y los rayos catódicos y que los átomos podían, y de hecho lo hacían, dividirse y cambiar su naturaleza química en el proceso.

La hipótesis de Fitzgerald consiguió asegurarse la atención de la comunidad científica al unir los rayos catódicos de Thomson con los intentos de Lorentz, Henri Poincaré, Kaufmann y otros de formular una teoría de la materia completamente electromagnética. Estos intentos alentaron, y a la vez demostraron que eran incompatibles con ella, la relatividad de Einstein.

Sería la idea de Thomson, reinterpretada por Ernest Rutherford y Niels Bohr la que haría al electrón fundamental para las nuevas teorías de los átomos y el enlace químico y, junto a la mecánica cuántica y la relatividad, para las nuevas concepciones sobre la naturaleza de la materia.

El desarrollo de estas nuevas concepciones iría íntimamente unido a la elucidación de las características del electrón: comenzando por su carga, medida por primera vez por John S. Townsend y H.A. Wilson (1899 y 1903), pero establecida de forma robusta por los experimentos de Robert A. Millikan que comenzaron en 1907; el espín, propuesto por Samuel Goudsmit y George Uhlenbeck en 1925 para completar la explicación de la estructura fina de los espectros y última etapa de la llamada teoría cuántica antigua; la naturaleza ondulatoria del electrón, básica para el desarrollo posterior del microscopio electrónico, se comprobó por Clinton Davisson y Lester Germer por un lado y George P. Thomson por otro, en 1927; en 1928, P.A.M. Dirac describió el electrón relativista, el otro pilar de la nueva mecánica cuántica.

Dirac, Werner Heisenberg, Ernst Pascual Jordan y Wolfgang Pauli desarrollaron la electrodinámica cuántica a partir de finales de los años veinte para describir las interacciones entre la radiación electromagnética y las partículas cargadas como los electrones. Se completó a principios de los años cincuenta por parte de Freeman Dyson, Richard Feynman, Julian Schwinger y Shin’ichirō Tomonaga, cuando se aceptó la renormalización. Este procedimiento permite manejar los valores infinitos que aparecen para algunas variables cuando se calculan las funciones de onda de un electrón (o de otra partícula cargada) de manera que sean invariantes desde el punto de vista relativista.

Una consecuencia no prevista de la descripción relativista del electrón que hizo Dirac fue la existencia de estados con valores negativos de energía, lo que terminó interpretándose como que era posible la existencia de antimateria, y supuso el fin de una era en la física: las partículas ya no se conservaban. Esos estados negativos al principio se identificaron como protones, hasta que finalmente en 1930 se hizo evidente que tenían que tener la masa del electrón, una idea confirmada por el descubrimiento del positrón en 1932 por Carl D. A. Anderson.

En los años cincuenta el bombardeo de núcleos con electrones llevaba al convencimiento de que neutrones y protones tenían una estructura compleja. El desarrollo posterior daría lugar al modelo estándar de partículas. En este modelo, el electrón es la más ligera y más estable de las tres partículas cargadas negativamente que, junto a sus neutrinos asociados, se conocen como leptones. Cualquier prueba de que el electrón tiene estructura resquebrajaría el edificio de la física de partículas.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance