Teoría del vórtice del átomo

En el siglo XVII, Descartes desarrolló una teoría del movimiento de vórtices para explicar fenómenos como la radiación de la luz en todas direcciones y el movimiento de los planetas en órbitas circulares. Creía que no existía el vacío y que cualquier objeto en movimiento debía estar ocupando un hueco dejado por otro objeto en movimiento. Comprendió que una cadena circular de tales objetos, que se reemplazaban mutuamente, posibilitaría dicho movimiento. Por lo tanto, todo movimiento consistía en infinitos vórtices circulares a todas las escalas. Sin embargo, el modelo de Descartes consistía en diminutas partículas giratorias, en lugar de un medio estrictamente continuo como el de la teoría de vórtices de los átomos. ^{[ 1 ] : 33}

Hermann Helmholtz , trabajando en la hidrodinámica de fluidos idealizados , se dio cuenta a mediados del siglo XIX de que el núcleo de un vórtice, análogo al ojo de un huracán, es un filamento lineal y que, en un fluido perfecto sin fricción, estos filamentos pueden formar anillos cerrados. Helmholtz también demostró que los vórtices ejercen fuerzas entre sí, y que estas fuerzas adoptan una forma análoga a las fuerzas magnéticas entre cables eléctricos. Sin embargo, Helmholtz no estableció ninguna conexión con las teorías de la materia. ^{[ 1 ] : 36}

Durante ese período, el químico John Dalton había desarrollado su teoría atómica de la materia. Solo quedaba unir ambas líneas de investigación.

William Thomson , quien más tarde se convertiría en Lord Kelvin, se interesó por la naturaleza de los elementos químicos de Dalton , cuyos átomos aparecían en pocas formas pero en cantidades inmensas. Inspirado por los descubrimientos de Helmholtz, razonó que el éter , una sustancia que entonces se hipotetizaba que impregnaba todo el espacio, debería ser capaz de sustentar tales vórtices estables. Según los teoremas de Helmholtz, estos vórtices corresponderían a diferentes tipos de nudos . Thomson sugirió que cada tipo de nudo podría representar un átomo de un elemento químico diferente. Además, especuló que múltiples nudos podrían agruparse en moléculas de estabilidad algo menor.

Publicó su artículo "Sobre los átomos de vórtice" en las Actas de la Real Sociedad de Edimburgo en 1867. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Peter Guthrie Tait, colega de Thomson, se sintió atraído por la teoría del átomo de vórtice y emprendió un estudio pionero de los nudos, elaborando una clasificación sistemática de aquellos con hasta 10 cruces, con la esperanza de sistematizar así los diversos elementos.

JJ Thomson aceptó el desafío en su tesis de maestría de 1883, un Tratado sobre el movimiento de anillos de vórtice . ^{[ 4 ] [ 5 ]} En ella, Thomson desarrolló un tratamiento matemático de los movimientos de los átomos de William Thomson y Peter Tait. ^{[ 6 ]}

Cuando Thomson descubrió posteriormente el electrón (por lo que recibió un Premio Nobel ), abandonó su hipótesis del "átomo nebular", basada en la teoría atómica de vórtices, en favor de su modelo del pudín de pasas .

Hacia 1883, William Thomson comenzó a darse cuenta de que la teoría no podía abarcar todas sus expectativas. No podía explicar la inercia ni la gravitación y, peor aún, el anillo circular de Helmholtz no era del todo estable. Incluso las propiedades de los cristales y de las fuerzas eléctricas y químicas resultaban inexplicables en el modelo. Sin embargo, en una época con creciente evidencia a favor de la teoría atómica y sin un modelo alternativo viable, la teoría del vórtice tuvo una gran influencia. ^{[ 7 ] : 473}

El trabajo de Tait sentó las bases de la rama de la topología denominada teoría de nudos , ^{[ 1 ] : 93} con algunos avances matemáticos iniciales de J.J. Thomson. La teoría de vórtices no tuvo éxito como modelo para el átomo, pero su desarrollo teórico tuvo un impacto duradero en la hidrodinámica teórica . ^{[ 7 ]} En 1961, inspirado por la motivación y los resultados de Kelvin, Tony Skyrme introdujo los solitones para construir un modelo para los nucleones . ^{[ 1 ] : 93} Estos solitones eran vórtices topológicamente estables de un «fluido de piones» y posteriormente se denominaron skyrmiones . ^{[ 8 ]}