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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