lunes, 9 de mayo de 2011

LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA


Capítulo 5

LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES
Y LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA

Aristóteles creía que toda la materia del universo estaba compuesta por cuatro
elementos básicos: tierra, aire, fuego y agua. Estos elementos sufrían la acción de
dos fuerzas: la gravedad o tendencia de la tierra y del agua a hundirse, y la ligereza o
tendencia del aire y del fuego a ascender. Esta división de los contenidos del
universo en materia y fuerzas aún se sigue usando hoy en día.

También creía Aristóteles que la materia era continua, es decir, que un pedazo de
materia se podía dividir sin límite en partes cada vez más pequeñas: nunca se
tropezaba uno con un grano de materia que no se pudiera continuar dividiendo. Sin
embargo, unos pocos sabios griegos, como Demócrito, sostenían que la materia era
inherentemente granular y que todas las cosas estaban constituidas por un gran
número de diversos tipos diferentes de átomos. (La palabra átomo significa
'indivisible', en griego.) Durante siglos, la discusión continuó sin ninguna evidencia
real a favor de cualesquiera de las posturas, hasta que en 1803, el químico y físico
británico John Dalton señaló que el hecho de que los compuestos químicos siempre
se combinaran en ciertas proporciones podía ser explicado mediante el
agrupamiento de átomos para formar otras unidades llamadas moléculas. No
obstante, la discusión entre las dos escuelas de pensamiento no se zanjó de modo
definitivo a favor de los atomistas, hasta los primeros años de nuestro siglo. Una de
las evidencias físicas más importantes fue la que proporcionó Einstein. En un
artículo escrito en 1905, unas pocas semanas antes de su famoso artículo sobre la
relatividad especial, Einstein señaló que el fenómeno conocido como movimiento
browniano -el movimiento irregular, aleatorio de pequeñas partículas de polvo
suspendidas en un líquido- podía ser explicado por el efecto de las colisiones de los
átomos del líquido con las partículas de polvo.

En aquella época ya había sospechas de que los átomos no eran, después de todo,
indivisibles. Hacía varios años que un fellow del Trinity College, de Cambridge, J. J.
Thomson, había demostrado la existencia de una partícula material, llamada electrón,
que tenía una masa menor que la milésima parte de la masa del átomo más ligero.

Él utilizó un dispositivo parecido al tubo de un aparato de televisión: un filamento
metálico incandescente soltaba los electrones, que, debido a que tienen una carga
eléctrica negativa, podían ser acelerados por medio de un campo eléctrico hacia una
pantalla revestida de fósforo. Cuando los electrones chocaban contra la pantalla, se
generaban destellos luminosos. Pronto se comprendió que estos electrones debían
provenir de los átomos en sí. Y, en 1911, el físico británico Ernest Rutherford mostró,
finalmente, que los átomos de la materia tienen verdaderamente una estructura
interna: están formados por un núcleo extremadamente pequeño y con carga
positiva, alrededor del cual gira un cierto número de electrones. Él dedujo esto
analizando el modo en que las partículas o¿, que son partículas con carga positiva
emitidas por átomos radioactivos, son desviadas al colisionar con los átomos.

Al principio se creyó que el núcleo del átomo estaba formado por electrones y
cantidades diferentes de una partícula con positiva llamada protón (que proviene del
griego y significa 'primero', porque se creía que era la unidad fundamental de la que
estaba hecha la materia). Sin embargo, en 1932, un colega de Rutherford, James
Chadwick, descubrió en Cambridge que el núcleo contenía otras partículas,
llamadas neutrones, que tenían casi la misma masa que el protón, pero que no
poseían carga eléctrica. Chadwick recibió el premio Nobel por este descubrimiento,
y fue elegido master ['director'] de Gonville and Caius College, en Cambridge (el
colegio del que ahora soy fellow). Más tarde, dimitió como master debido a
desacuerdos con los fellows. Ha habido una amarga y continua disputa en el college
desde que un grupo de jóvenes fellows, a su regreso después de la guerra,
decidieron por votación echar a muchos de los antiguos fellows de los puestos que
habían disfrutado durante mucho tiempo. Esto fue anterior a mi época; yo entré a
formar parte del college en 1965, al final de la amargura, cuando desacuerdos
similares habían forzado a otro master galardonado igualmente con el premio Nobel,
sir Nevill Mott, a dimitir.

Hasta hace veinte años, se creía que los protones y los neutrones eran partículas
«elementales», pero experimentos en los que colisionaban protones con otros
protones o con electrones a alta velocidad indicaron que, en realidad, estaban
formados por partículas más pequeñas. Estas partículas fueron llamadas quarks por
el físico de Caltech, Murray Gell-Mann, que ganó el premio Nobel en 1969 por su
trabajo sobre dichas partículas. El origen del nombre es una enigmática cita de
James Joyce: «¡Tres quarks para Muster Mark!» La palabra quark se supone que
debe pronunciarse como quart ['cuarto'], pero con una k al final en vez de una t, pero
normalmente se pronuncia de manera que rima con lark ['juerga'].

Existe un cierto número de variedades diferentes de quarks: se cree que hay como
mínimo seis flavors ['sabores'], que llamamos up, down, strange, charmed, bottom, y
top ['arriba', 'abajo', 'extraño', 'encanto', 'fondo' y 'cima']. Cada flavor puede tener uno
de los tres posibles «colores», rojo, verde y azul. (Debe notarse que estos términos
son únicamente etiquetas: los quarks son mucho más pequeños que la longitud de
onda de la luz visible y, por lo tanto, no poseen ningún color en el sentido normal de la
palabra. Se trata solamente de que los físicos modernos parecen tener unas formas
más imaginativas de nombrar a las nuevas partículas y fenómenos, ¡ya no se limitan
únicamente al griego!) Un protón o un neutrón están constituidos por tres quarks, uno
de cada color. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón
contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros
quarks (strange, charmed, bottom y top), pero todas ellas poseen una masa mucho
mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los protones y neutrones, dentro de ellos,
son indivisibles. Así la cuestión es: ¿cuáles son las verdaderas partículas
elementales, los ladrillos básicos con los que todas las cosas están hechas? Dado
que la longitud de onda de la luz es mucho mayor que el tamaño de un átomo, no
podemos esperar «mirar» de manera normal las partes que forman un átomo.

Necesitamos usar algo con una longitud de onda mucho más pequeña. Como vimos
en el último capítulo, la mecánica cuántica nos dice que todas las partículas son en
realidad ondas, y que cuanto mayor es la energía de una partícula, tanto menor es la
longitud de onda de su onda correspondiente. Así, la mejor respuesta que se puede
dar a nuestra pregunta depende de lo alta que sea la energía que podamos
comunicar a las partículas, porque ésta determina lo pequeña que ha de ser la
escala de longitudes a la que podemos mirar. Estas energías de las partículas se
miden normalmente en una unidad llamada electrón-voltio. (En el experimento de
Thomson con electrones, se vio que él usaba un campo eléctrico para acelerarlos.

La energía ganada por un electrón en un campo eléctrico de un voltio es lo que se
conoce como un electrón-voltio.) En el siglo xix, cuando las únicas energías de
partículas que la gente sabía cómo usar eran las bajas energías de unos pocos
electrón-voltios, generados por reacciones químicas tales como la combustión, se
creía que los átomos eran la unidad más pequeña. En el experimento de Rutherford,
las partículas alfa tenían energías de millones de electrón-voltios. Mas
recientemente, hemos aprendido a usar los campos electromagnéticos para que nos
den energías de partículas que en un principio eran de millones de electrón-voltios y
que, posteriormente, son de miles de millones de electrón-voltios. De esta forma,
sabemos que las partículas que se creían «elementales» hace veinte años, están, de
hecho, constituidas por partículas más pequeñas. ¿Pueden ellas, conforme
obtenemos energías todavía mayores, estar formadas por partículas aún más
pequeñas? Esto es ciertamente posible, pero tenemos algunas razones teóricas
para creer que poseemos, o estamos muy cerca de poseer, un conocimiento de los
ladrillos fundamentales de la naturaleza.

Usando la dualidad onda-partículas, discutida en el último capítulo, todo en el
universo, incluyendo la luz y la gravedad, puede ser descrito en términos de
partículas. Estas partículas tienen una propiedad llamada espín. Un modo de
imaginarse el espín es representando a las partículas como pequeñas peonzas
girando sobre su eje. Sin embargo, esto puede inducir a error, porque la mecánica
cuántica nos dice que las partículas no tienen ningún eje bien definido. Lo que nos
dice realmente el espín de una partícula es cómo se muestra la partícula desde
distintas direcciones. Una partícula de espín 0 es como un punto: parece la misma
desde todas las direcciones (figura 5.1 a). Por el contrario, una partícula de espín 1
es como una flecha: parece diferente desde direcciones distintas (figura 5.1 b). Sólo
si uno la gira una vuelta completa (360 grados) la partícula parece la misma. Una
partícula de espín 2 es como una flecha con dos cabezas (figura 5.1 c): parece la
misma si se gira media vuelta (180 grados). De forma similar, partículas de espines
más altos parecen las mismas si son giradas una fracción más pequeña de una
vuelta completa. Todo esto parece bastante simple, pero el hecho notable es que
existen partículas que no parecen las mismas si uno las gira justo una vuelta: ¡hay
que girarlas dos vueltas completas! Se dice que tales partículas poseen espín 1/2.

Todas las partículas conocidas de¡ universo se pueden dividir en dos grupos:
partículas de espín 1/2, las cuales forman la materia del universo, y partículas de
espín 0, 1 y 2, las cuales, como veremos, dan lugar a las fuerzas entre las partículas
materiales. Las partículas materiales obedecen a lo que se llama el principio de
exclusión de Pan¡¡. Fue descubierto en 1925 por un físico austríaco, Wolfgang Pauli,
que fue galardonado con el premio Nobel en 1945 por dicha contribución. Él era el
prototipo de físico teórico: se decía que incluso su sola presencia en una ciudad
haría que allí los experimentos fallaran. El principio de exclusión de Pauli dice que
dos partículas similares no pueden existir en el mismo estado, es decir, que no
pueden tener ambas la misma posición y la misma velocidad, dentro de los límites
fijados por el principio de incertidumbre. El principio de exclusión es crucial porque
explica por qué las partículas materiales no colapsan a un estado de muy alta
densidad, bajo la influencia de las fuerzas producidas por las partículas de espín 0, 1
y 2: si las partículas materiales están casi en la misma posición, deben tener
entonces velocidades diferentes, lo que significa que no estarán en la misma
posición durante mucho tiempo. Si el mundo hubiera sido creado sin el principio de
exclusión, los quarks no formarían protones y neutrones independientes bien
definidos. Ni tampoco éstos formarían, junto con los electrones, átomos
independientes bien definidos. Todas las partículas se colapsarían formando una
«sopa» densa, más o menos uniforme.





Un entendimiento adecuado del electrón y de las otras partículas de espín 1/2 no
llegó hasta 1928, en que una teoría satisfactoria fue propuesta por Paul Dirac, quien
más tarde obtuvo la cátedra Lucasian de Matemáticas, de Cambridge (la misma
cátedra que Newton había obtenido y que ahora ocupo yo). La teoría de Dirac fue la
primera que era a la vez consistente con la mecánica cuántica y con la teoría de la
relatividad especial. Explicó matemáticamente por qué el electrón tenía espín 1/2,
es decir, por qué no parecía lo mismo si se giraba sólo una vuelta completa, pero sí
que lo hacía si se giraba dos vueltas. También predijo que el electrón debería tener
una pareja: el antielectrón o positrón. El descubrimiento del positrón en 1932
confirmó la teoría de Dirac y supuso el que se le concediera el premio Nobel de
física en 1933. Hoy en día sabemos que cada partícula tiene su antipartícula, con la
que puede aniquilarse. (En el caso de partículas portadoras de fuerzas, las
antipartículas son las partículas mismas.) Podrían existir antimundos y antipersonas
enteros hechos de antipartículas. Pero, si se encuentra usted con su antiyó, ¡no le dé
la mano! Ambos desaparecerían en un gran destello luminoso. La cuestión de por
qué parece haber muchas más partículas que antipartículas a nuestro alrededor es
extremadamente importante, y volveré a ella a lo largo de este capítulo.

En mecánica cuántica, las fuerzas o interacciones entre partículas materiales, se
supone que son todas transmitidas por partículas de espín entero, 0, 1 o 2. Lo que
sucede es que una partícula material, tal como un electrón o un quark, emite una
partícula portadora de fuerza. El retroceso producido por esta emisión cambia la
velocidad de la partícula material. La partícula portadora de fuerza colisiona
después con otra partícula material y es absorbida. Esta colisión cambia la
velocidad de la segunda partícula, justo igual a como si hubiera habido una fuerza
entre las dos partículas materiales.

Una propiedad importante de las partículas portadoras de fuerza es que no
obedecen el principio de exclusión. Esto significa que no existe.un límite al número
de partículas que se pueden intercambiar, por lo que pueden dar lugar a fuerzas muy
intensas. No obstante, si las partículas portadoras de fuerza poseen una gran masa,
será difícil producirlas e intercambiarlas a grandes distancias. Así las fuerzas que
ellas transmiten serán de corto alcance. Se dice que las partículas portadoras de
fuerza, que se intercambian entre sí las partículas materiales, son partículas virtuales
porque, al contrario que las partículas «reales», no pueden ser descubiertas
directamente por un detector de partículas. Sabemos que existen, no obstante,
porque tienen un efecto medible: producen las fuerzas entre las partículas materiales.

Las partículas de espín 0, 1 o 2 también existen en algunas circunstancias como
partículas reales, y entonces pueden ser detectadas directamente. En este caso se
nos muestran como lo que un físico clásico llamaría ondas, tales como ondas
luminosas u ondas gravitatorias. A veces pueden ser emitidas cuando las partículas
materiales interactúan entre sí, por medio de un intercambio de partículas virtuales
portadoras de fuerza. (Por ejemplo, la fuerza eléctrica repulsiva entre dos electrones
es debida al intercambio de fotones virtuales, que no pueden nunca ser detectados
directamente; pero, cuando un electrón se cruza con otro, se pueden producir fotones
reales, que detectamos como ondas luminosas.)

Las partículas portadoras de fuerza se pueden agrupar en cuatro categorías, de
acuerdo con la intensidad de la fuerza que trasmiten y con el tipo de partículas con
las que interactúan. Es necesario señalar que esta división en cuatro clases es una
creación artificioso del hombre; resulta conveniente para la construcción de teorías
parciales, pero puede no corresponder a nada más profundo. En el fondo, la
mayoría de los físicos esperan encontrar una teoría unificada que explicará las cuatro
fuerzas, como aspectos diferentes de una única fuerza. En verdad, muchos dirían
que éste es el objetivo principal de la física contemporánea. Recientemente, se han
realizado con éxito diversos intentos de unificación de tres de las cuatro categorías
de fuerza, lo que describiré en el resto de este capítulo. La cuestión de la unificación
de la categoría restante, la gravedad, se dejará para más adelante.

La primera categoría es la fuerza gravitatoria. Esta fuerza es universal, en el sentido
de que toda partícula la experimenta, de acuerdo con su masa o energía. La
gravedad es la más débil, con diferencia, de las cuatro fuerzas; es tan débil que no la
notaríamos en absoluto si no fuera por dos propiedades especiales que posee:
puede actuar a grandes distancias, y es siempre atractiva. Esto significa que las
muy débiles fuerzas gravitatorias entre las partículas individuales de dos cuerpos
grandes, como la Tierra y el Sol, pueden sumarse todas y producir una fuerza total
muy significativa. Las otras tres fuerzas o bien son de corto alcance, o bien son a
veces atractivas y a veces repulsivas, de forma que tienden a cancelarse. Desde el
punto de vista mecano-cuántico de considerar el campo gravitatorio, la fuerza entre
dos partículas materiales se representa transmitida por una partícula de espín 2
llamada gravitón. Esta partícula no posee masa propia, por lo que la fuerza que
transmite es de largo alcance. La fuerza gravitatoria entre el Sol y la Tierra se
atribuye al intercambio de gravitones entre las partículas que forman estos dos
cuerpos. Aunque las partículas intercambiadas son virtuales, producen ciertamente
un efecto medible: ¡hacen girar a la Tierra alrededor del Sol! Los gravitones reales
constituyen lo que los físicos clásicos llamarían ondas gravitatorias, que son muy
débiles, y tan difíciles de detectar que aún no han sido observadas.

La siguiente categoría es la fuerza electromagnética, que interactúa con las
partículas cargadas eléctricamente, como los electrones y los quarks, pero no con
las partículas sin carga, como los gravitones. Es mucho más intensa que la fuerza
gravitatoria: la fuerza electromagnética entre dos electrones es aproximadamente un
millón de billones de billones de billones (un 1 con cuarenta y dos ceros detrás) de
veces mayor que la fuerza gravitatoria. Sin embargo, hay dos tipos de carga
eléctrica, positiva y negativa. La fuerza entre dos cargas positivas es repulsiva, al
igual que la fuerza entre dos cargas negativas, pero la fuerza es atractiva entre una
carga positiva y una negativa. Un cuerpo grande, como la Tierra o el Sol, contiene
prácticamente el mismo número de cargas positivas y negativas. Así, las fuerzas
atractiva y repulsiva entre las partículas individuales casi se cancelan entre sí,
resultando una fuerza electromagnética neta muy débil. Sin embargo, a distancias
pequeñas, típicas de átomos y moléculas, las fuerzas electromagnéticas dominan.

La atracción electromagnética entre los electrones cargados negativamente y los
protones del núcleo cargados positivamente hace que los electrones giren alrededor
del núcleo del átomo, igual que la atracción gravitatoria hace que la Tierra gire
alrededor de¡ Sol. La atracción electromagnética se representa causada por el
intercambio de un gran número de partículas virtuales sin masa de espín 1, llamadas
fotones. De nuevo, los fotones que son intercambiados son partículas virtuales. No
obstante, cuando un electrón cambia de una órbita permitida a otra más cercana al
núcleo, se libera energía emitiéndose un fotón real, que puede ser observado como
luz visible por el ojo humano, siempre que posea la longitud de onda adecuada, o por
un detector de fotones, tal como una película fotográfica. Igualmente, si un fotón real
colisiona con un átomo, puede cambiar a un electrón de una órbita cercana al núcleo
a otra más lejana. Este proceso consume la energía del fotón, que, por lo tanto, es
absorbido.

La tercera categoría es la llamada fuerza nuclear débil, que es la responsable de la
radioactividad y que actúa sobre todas las partículas materiales de espín 1/2, pero
no sobre las partículas de espín 0, 1 o 2, tales como fotones y gravitones. La fuerza
nuclear débil no se comprendió bien hasta 1967, en que Abdus Salam, del Imperial
College de Londres, y Steven Weinberg, de Harvard, propusieron una teoría que
unificaba esta interacción con la fuerza electromagnética, de la misma manera que
Maxwell había unificado la electricidad y el magnetismo unos cien años antes.

Sugirieron que además del fotón había otras tres partículas de espín 1, conocidas
colectivamente como bosones vectoriales masivos, que transmiten la fuerza débil.

Estas partículas se conocen como W+ (que se lee W más), W- (que se lee W menos)
y Z0 (que se lee Z cero), y cada una posee una masa de unos 100 GeV (GeV es la
abreviatura de gigaelectrón-voltio, o mil millones de electrón-voltios). La teoría de
Weinberg-Salam propone una propiedad conocida como ruptura de simetría
espontánea. Esto quiere decir que lo que, a bajas energías, parece ser un cierto
número de partículas totalmente diferentes es, en realidad, el mismo tipo de
partícula, sólo que en estados diferentes. A altas energías todas estas partículas se
comportan de manera similar. El efecto es parecido al comportamiento de una bola
de ruleta sobre la rueda de la ruleta. A altas energías (cuando la rueda gira
rápidamente) la bola se comporta esencialmente de una única manera, gira dando
vueltas una y otra vez. Pero conforme la rueda se va frenando, la energía de la bola
disminuye, hasta que al final la bola se para en uno de los treinta y siete casilleros de
la rueda. En otras palabras, a bajas energías hay treinta y siete estados diferentes
en los que la bola puede existir. Si, por algún motivo, sólo pudiéramos ver la bola a
bajas energías, entonces ¡pensaríamos que había treinta y siete tipos diferentes de
bolas!

En la teoría de Weinberg-Salam, a energías mucho mayores de 100 GeV, las tres
nuevas partículas y el fotón se comportarían todas de una manera similar. Pero a
energías más bajas, que se dan en la mayoría de las situaciones normales, esta
simetría entre las partículas se rompería. W+, W- y Z0 adquirirían grandes masas,
haciendo que la fuerza que trasmiten fuera de muy corto alcance. En la época en
que Salam y Weinberg propusieron su teoría, poca gente les creyó y, al mismo
tiempo, los aceleradores de partículas no eran lo suficientemente potentes como
para alcanzar las energías de 100 GeV requeridas para producir partículas W+, W- o
Z0 reales. No obstante, durante los diez años siguientes, las tres predicciones de la
teoría a bajas energías concordaron tan bien con los experimentos que, en 1979,
Salam y Weinberg fueron galardonados con el premio Nobel de física, junto con
Sheldon Glashow, también de Harvard, que había sugerido una teoría similar de
unificación de las fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles. El comité de los
premios Nobel se salvó del riesgo de haber cometido un error al descubrirse, en
1983 en el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear), las tres partículas
con masa compañeras del fotón, y cuyas masas y demás propiedades estaban de
acuerdo con las predichas por la teoría. Carlo Rubbia, que dirigía el equipo de
varios centenares de físicos que hizo el descubrimiento, recibió el premio Nobel,
junto con Simon van der Meer, el ingeniero del CERN que desarrolló el sistema de
almacenamiento de antimateria empleado. (¡Es muy difícil realizar hoy en día una
contribución clave en física experimental a menos que ya se esté en la cima!)

La cuarta categoría de fuerza es la interacción nuclear fuerte, que mantiene a los
quarks unidos en el protón y el neutrón, y a los protones y neutrones juntos en los
núcleos de los átomos. Se cree que esta fuerza es trasmitida por otra partícula de
espín 1, llamada gluón, que sólo interactúa consigo misma y con los quarks. La
interacción nuclear posee una curiosa propiedad llamada confinamiento: siempre
liga a las partículas en combinaciones tales que el conjunto total no tiene color. No
se puede tener un único quark aislado porque tendría un color (rojo, verde o azul).
Por el contrario, un quark rojo tiene que juntarse con un quark verde y uno azul por
medio de una «cuerda» de gluones (rojo + verde + azul = blanco). Un triplete así,
constituye un protón o un neutrón. Otra posibilidad es un par consistente en un quark
y un antiquark (rojo + antirrojo, o verde + antiverde, o azul + antiazul = blanco). Tales
combinaciones forman las partículas conocidas como mesones, que son inestables
porque el quark y el antiquark se pueden aniquilar entre sí, produciendo electrones y
otras partículas. Similarmente, el confinamiento impide que se tengan gluones
aislados, porque los gluones en sí también tienen color. En vez de ello, uno tiene que
tener una colección de gluones cuyos colores se sumen para dar el color blanco.

Esta colección forma una partícula inestable llamada glueball ('bola de gluones').

El hecho de que el confinamiento nos imposibilite la observación de un quark o de un
gluón aislados podría parecer que convierte en una cuestión metafísica la noción
misma de considerar a los quarks y a los gluones como partículas. Sin embargo,
existe otra propiedad de la interacción nuclear fuerte, llamada libertad asintótica, que
hace que los conceptos de quark y de gluón estén bien definidos. A energías
normales, la interacción nuclear fuerte es verdaderamente intensa y une a los quarks
entre sí fuertemente. Sin embargo, experimentos realizados con grandes
aceleradores de partículas indican que a altas energías la interacción fuerte se hace
mucho menos intensa, y los quarks y los gluones se comportan casi como partículas
libres. La figura 5.2 muestra una fotografía de una colisión entre un protón de alta
energía y un antiprotón. En ella, se produjeron varios quarks casi libres, cuyas
estelas dieron lugar a los «chorros» que se ven en la fotografía.




El éxito de la unificación de las fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles
produjo un cierto número de intentos de combinar estas dos fuerzas con la
interacción nuclear fuerte, en lo que se han llamado teorías de gran unificación (o
TGU). Dicho nombre es bastante ampuloso: las teorías resultantes ni son tan
grandes, ni están totalmente unificadas, pues no incluyen la gravedad. Ni siquiera
son realmente teorías completas, porque contienen un número de parámetros cuyos
valores no pueden deducirse de la teoría, sino que tienen que ser elegidos de forma
que se ajusten a los experimentos. No obstante, estas teorías pueden constituir un
primer paso hacia una teoría completa y totalmente unificada. La idea básica de las
TGU es la siguiente: como se mencionó arriba, la interacción nuclear fuerte se hace
menos intensa a altas energías; por el contrario, las fuerzas electromagnéticas y
débiles, que no son asintóticamente libres, se hacen más intensas a altas energías.

A determinada energía muy alta, llamada energía de la gran unificación, estas tres
fuerzas deberían tener todas la misma intensidad y sólo ser, por tanto, aspectos
diferentes de una única fuerza. Las TGU predicen, además, que a esta energía las
diferentes partículas materiales de espín 112, como los quarks y los electrones,
también serían esencialmente iguales, y se conseguiría así otra unificación.

El valor de la energía de la gran unificación no se conoce demasiado bien, pero
probablemente tendría que ser como mínimo de mil billones de GeV. La generación
actual de aceleradores de partículas puede hacer colisionar partículas con energías
de aproximadamente 100 GeV, y están planeadas unas máquinas que elevarían
estas energías a unos pocos de miles de GeV. Pero una máquina que fuera lo
suficientemente potente como para acelerar partículas hasta la energía de la gran
unificación tendría que ser tan grande como el sistema solar, y sería difícil que
obtuviese financiación en la situación económica presente. Así pues, es imposible
comprobar las teorías de gran unificación directamente en el laboratorio. Sin
embargo, al igual que en el caso de la teoría unificada de las interacciones
electromagnética y débil, existen consecuencias a baja energía de la teoría que sí
pueden ser comprobadas.

La más interesante de ellas es la predicción de que los protones, que constituyen
gran parte de la masa de la materia ordinaria, pueden decaer espontáneamente en
partículas más ligeras, tales como antielectrones. Esto es posible porque en la
energía de la gran unificación no existe ninguna diferencia esencial entre un quark y
un antielectrón. Los tres quarks que forman el protón no tienen normalmente la
energía necesaria para poder transformarse en antielectrones, pero muy
ocasionalmente alguno de ellos podría adquirir suficiente energía para realizar la
transición, porque el principio de incertidumbre implica que la energía de los quarks
dentro del protón no puede estar fijada con exactitud. El protón decaería entonces.

La probabilidad de que un quark gane la energía suficiente para esa transición es
tan baja que probablemente tendríamos que esperar como mínimo un millón de
billones de billones de años (un 1 seguido de treinta ceros). Este período es más
largo que el tiempo transcurrido desde el big bang, que son unos meros diez mil
millones de años aproximadamente (un 1 seguido de diez ceros). Así, se podría
pensar que la posibilidad de desintegración espontánea del protón no se puede
medir experimentalmente. Sin embargo, uno puede aumentar las probabilidades de
detectar una desintegración, observando una gran cantidad de materia con un
número elevadísimo de protones. (Si, por ejemplo, se observa un número de
protones igual a 1 seguido de treinta y un ceros por un período de un año, se
esperaría, de acuerdo con la TGU más simple, detectar más de una desintegración
del protón.)

Diversos experimentos de este tipo han sido llevados a cabo, pero ninguno ha
producido una evidencia definitiva sobre el decaimiento del protón o del neutrón. Un
experimento utilizó ocho mil toneladas de agua y fue realizado en la mina salada de
Morton, en Ohio (para evitar que tuvieran lugar otros fenómenos, causados por rayos
cósmicos, que podrían ser confundidos con la desintegración de protones). Dado
que no se observó ninguna desintegración de protones durante el experimento, se
puede calcular que la vida media del protón debe ser mayor de diez billones de
billones de años (1 con treinta y un ceros). Lo que significa más tiempo que la vida
media predicha por la teoría de gran unificación más simple, aunque existen teorías
más elaboradas en las que las vidas medias predichas son mayores. Experimentos
todavía más sensibles, involucrando incluso mayores cantidades de materia, serán
necesarios para comprobar dichas teorías.

Aunque es muy difícil observar el decaimiento espontáneo de protones, puede ser
que nuestra propia existencia sea una consecuencia del proceso inverso, la
producción de protones, o más simplemente de quarks, a partir de una situación
inicial en la que no hubiese más que quarks y antiquarks, que es la manera más
natural de imaginar que empezó el universo. La materia de la Tierra está formada
principalmente por protones y neutrones, que a su vez están formados por quarks.

No existen antiprotones o antineutrones, hechos de antiquarks, excepto unos pocos
que los físicos producen en grandes aceleradores de partículas. Tenemos
evidencia, a través de los rayos cósmicos, de que lo mismo sucede con la materia
de nuestra galaxia: no hay antiprotones o antineutrones, aparte de unos pocos que
se producen como pares partícula/antipartícula en colisiones de altas energías. Si
hubiera extensas regiones de antimateria en nuestra galaxia, esperaríamos observar
grandes cantidades de radiación proveniente de los límites entre las regiones de
materia y antimateria, en donde muchas partículas colisionarían con sus
antipartículas, y se aniquilarían entre sí, desprendiendo radiación de alta energía.

No tenemos evidencia directa de si en otras galaxias la materia está formada por
protones y neutrones o por antiprotones y antineutrones, pero tiene que ser o lo uno o
lo otro: no puede, haber una mezcla dentro de una misma galaxia, porque en ese
caso observaríamos de nuevo una gran cantidad de radiación producida por las
aniquilaciones. Por lo tanto, creemos que todas las galaxias están compuestas por
quarks en vez de por antiquarks; parece inverosímil que algunas galaxias fueran de
materia y otras de antimateria.

¿Por qué debería haber santísimos más quarks que antiquarks? ¿Por qué no existe
el mismo número de ellos? Es ciertamente una suerte para nosotros que sus
cantidades sean desiguales porque, si hubieran sido las mismas, casi todos los
quarks y antiquarks se hubieran aniquilado entre sí en el universo primitivo y hubiera
quedado un universo lleno de radiación, pero apenas nada de materia. No habría
habido entonces ni galaxias, ni estrellas, ni planetas sobre los que la vida humana
pudiera desarrollarse. Afortunadamente, las teorías de gran unificación pueden
proporcionarnos una explicación de por qué el universo debe contener ahora más
quarks que antiquarks, incluso a pesar de que empezara con el mismo número de
ellos. Como hemos visto, las TGU permiten a los quarks transformarse en
antielectrones a altas energías. También permiten el proceso inverso, la conversión
de antiquarks en electrones, y de electrones y antielectrones en antiquarks y quarks.

Hubo un tiempo, en los primeros instantes del universo, en que éste estaba tan
caliente que las energías de las partículas eran tan altas que estas transformaciones
podían tener lugar. ¿Pero por qué debería esto suponer la existencia de más quarks
que antiquarks? La razón es que las leyes de la física no son exactamente las
mismas para partículas que para antipartículas.

Hasta 1956, se creía que las leyes de la física poseían tres simetrías independientes
llamadas C, P y T. La simetría C significa que las leyes son las mismas para
partículas y para antipartículas. La simetría P implica que las leyes son las mismas
para una situación cualquiera y para su imagen especular (la imagen especular de
una partícula girando hacia la derecha es la misma partícula, girando hacia la
izquierda). La simetría T significa que si se invirtiera la dirección del movimiento de
todas las partículas y antipartículas, el sistema volvería a ser igual a como fue antes:
en otras palabras, las leyes son las mismas en las direcciones hacia adelante y
hacia atrás del tiempo.

En 1956, dos físicos norteamericanos, Tsung-Dao Lee y Chen Ning Yang, sugirieron
que la fuerza débil no posee de hecho la simetría P. En otras palabras, la fuerza débil
haría evolucionar el universo de un modo diferente a como evolucioba la imagen
especular del mismo. El mismo año, una colega, Chien-Shiung Wu, probó que las
predicciones de aquéllos eran correctas. Lo hizo alineando los núcleos de átomos
radioactivos en un campo magnético, de tal modo que todos girarian en la misma
dirección, y demostró que se liberaban más electrones en una dirección que en la
otra. Al año siguiente, Lee y Yang recibieron el premio Nobel por su idea. Se
encontró también que la fuerza débil no poseía la simetría C. Es decir, un universo
formado por antipartículas se comportaría de manera diferente al nuestro. Sin
embargo, parecía que la fuerza débil sí poseía la simetría combinada CP. Es decir,
el universo evolucionaría de la misma manera que su imagen especular si, además,
cada partícula fuera cambiada por su antipartícula. Sin embargo, en 1964 dos
norteamericanos más, J. W. Cronin y Val Fitch, descubrieron que ni siquiera la
simetría CP se conservaba en la desintegración de ciertas partículas llamadas
mesones-K. Cronin y Fitch recibieron finalmente, en 1980, el premio Nobel por su
trabajo. (¡Se han concedido muchos premios por mostrar que el universo no es tan
simple como podíamos haber pensado!)

Existe un teorema matemático según el cual cualquier teoría que obedezca a la
mecánica cuántica y a la relatividad debe siempre poseer la simetría combinada
CPT. En otras palabras, el universo se tendría que comportar igual si se
reemplazaran las partículas por antipartículas, si se tomara la imagen especular y se
invirtiera la dirección del tiempo. Pero Cronin y Fitch probaron que si se
reemplazaban las partículas por antipartículas y se tomaba la imagen especular,
pero no se invertía la dirección del tiempo, entonces el universo no se comportaría
igual. Las leyes de la física tienen que cambiar, por lo tanto, si se invierte la
dirección del tiempo: no poseen, pues, la simetría T.

Ciertamente, el universo primitivo no posee la simetría T: cuando el tiempo avanza, el
universo se expande; si el tiempo retrocediera, el universo se contraería. Y dado que
hay fuerzas que no poseen la simetría T, podría ocurrir que, conforme el universo se
expande, estas fuerzas convirtieran más antielectrones en quarks que electrones en
antiquarks. Entonces, al expandirse y enfriarse el universo, los antiquarks se
aniquilarían con los quarks, pero, como habría más quarks que antiquarks, quedaría
un pequeño exceso de quarks, que son los que constituyen la materia que vemos hoy
en día y de la que estamos hechos. Así, nuestra propia existencia podría ser vista
como una confirmación de las teorías de gran unificación, aunque sólo fuera una
confirmación únicamente cualitativa; las incertidumbres son tan grandes que no se
puede predecir el número de quarks que quedarían después de la aniquilación, o
incluso si serían los quarks o los antiquarks los que permanecerían. (Si hubiera
habido un exceso de antiquarks, sería lo mismo, pues habríamos llamado antiquarks
a los quarks, y quarks a los antiquarks.)

Las teorías de gran unificación no incluyen a la fuerza de la gravedad. Lo cual no
importa demasiado, porque la gravedad es tan débil que sus efectos pueden
normalmente ser despreciados cuando estudiamos partículas o átomos. Sin
embargo, el hecho de que sea a la vez de largo alcance y siempre atractiva significa
que sus efectos se suman. Así, para un número de partículas materiales
suficientemente grande, las fuerzas gravitatorias pueden dominar sobre todas las
demás. Por ello, la gravedad determina la evolución del universo. Incluso para
objetos del tamaño de una estrella, la fuerza atractiva de la gravedad puede dominar
sobre el resto de las fuerzas y hacer que la estrella se colapse. Mi trabajo en los
años setenta se centró en los agujeros negros que pueden resultar de un colapso
estelar y en hs intensos campos gravitatorios existentes a su alrededor. Fue eso lo
que nos condujo a las primeras pistas de cómo las teorías de la mecánica cuántica y
de la relatividad general podrían relacionarse entre sí: un vislumbre de la forma que
tendría una venidera teoría cuántica de la gravedad.

Historia del Tiempo: Del Big Bang a los Agujeros Negros Stephen Hawking

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