El universo elegante (3 page)

Todo lo que vemos en la tierra y en el cielo resulta estar hecho de combinaciones de electrones, quarks arriba y quarks abajo. Ninguna evidencia experimental indica que alguna de estas tres partículas esté constituida por algo menor. Pero muchas pruebas indican que el propio universo posee otras partículas adicionales. A mediados de la década de 1950, Frederick Reines y Clyde Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de partícula fundamental llamada
neutrino
, una partícula cuya existencia ya había predicho Wolfgang Pauli a principios de la década de 1930. Los neutrinos resultaron ser muy difíciles de encontrar porque son partículas fantasmas que rara vez interaccionan con otro tipo de materia: un neutrino dotado de una energía media puede atravesar fácilmente muchos miles de billones de kilómetros de plomo sin que en su movimiento se produzca el más leve efecto. Esto puede tranquilizarle, ya que, mientras usted está leyendo esto, miles de millones de neutrinos lanzados al espacio por el Sol están atravesando su cuerpo y también la Tierra, como parte de su largo viaje a través del cosmos. A finales de la década de 1930, otra partícula llamada
muon
—idéntica a un electrón, salvo por ser 200 veces más pesada que éste— fue descubierta por unos físicos que estudiaban los rayos cósmicos (lluvias de partículas que bombardean la Tierra desde el espacio exterior). Dado que no había nada en el orden cósmico, ni tampoco un rompecabezas sin resolver, ni un nicho hecho a la medida que necesitara la existencia del muon, el físico de partículas galardonado con el premio Nobel, Isidor Isaac Rabi, saludó el descubrimiento del muon diciendo con muy poco entusiasmo «¿Quién había pedido esto?». Sin embargo, ahí estaba. Y aún vendría más.

Utilizando una tecnología todavía más poderosa, los físicos han continuado juntando a golpes trozos de materia con una energía cada vez mayor, recreando en cada instante unas condiciones que no se habían dado desde el big bang. En los escombros resultantes han buscado nuevos componentes fundamentales, para añadirlos a la lista, cada vez más larga, de partículas. He aquí lo que han hallado: cuatro quarks más, llamados encanto (charm), extraño (strange), fondo (bottom) y cima (top), y un pariente aún más pesado del electrón, al que se ha denominado
tau
, así como otras dos partículas con propiedades similares a las del neutrino, que se llaman
muon-neutrino
y
tau-neutrino
, para distinguirlas del neutrino original, que actualmente se denomina
electrón-neutrino
. Estas partículas se producen como resultado de colisiones a altas energías y tienen una existencia efímera; no son constituyentes que podamos percibir en nuestro entorno habitual. Sin embargo, tampoco acaba aquí la historia: Cada una de estas partículas tiene como pareja una
antipartícula
, es decir, una partícula de masa idéntica pero que es opuesta a ella en algunos otros aspectos, como, por ejemplo, su carga eléctrica (así como sus cargas en relación con otras fuerzas de las que hablaremos más adelante). Por ejemplo, la antipartícula de un electrón se llama
positrón
, y tiene exactamente la misma masa que un electrón, pero su carga eléctrica es +1, mientras que la carga eléctrica del electrón es –1. Cuando se ponen en contacto, la materia y la antimateria pueden aniquilarse mutuamente para producir energía pura; ésta es la razón por la cual la existencia de la antimateria en el mundo que nos rodea es extremadamente poco natural.

Los físicos han observado entre estas partículas una pauta que se refleja en la Tabla 1.1. Las partículas que constituyen la materia se clasifican en tres grupos que, a menudo, se denominan
familias
. Cada familia contiene dos quarks, un electrón o uno de sus parientes, y además una partícula de la especie de los neutrinos. El tipo de partícula correspondiente en las tres familias tiene propiedades idénticas, salvo en lo relativo a su masa, que se hace mayor a medida que pasamos de una familia a la siguiente. El resultado es que los físicos han comprobado ya la estructura de la materia hasta escalas de alrededor de una trillonésima de metro y han demostrado que
todo
lo que se ha encontrado hasta ahora —tanto si se encuentra en la naturaleza, como si se produce artificialmente en gigantescos aceleradores de partículas atómicas— consiste en una cierta combinación de partículas de estas tres familias y de sus parejas de antimateria.

Si echamos un vistazo a la Tabla 1.1, nos quedaremos, sin duda, con una fuerte sensación de perplejidad similar a la de Rabi cuando se descubrió el muon. El agrupamiento en familias produce al menos la impresión de algo ordenado, pero surgen innumerables preguntas que empiezan por ¿Por qué…? ¿Por qué existen tantas partículas fundamentales, cuando parece que la gran mayoría de las cosas que se encuentran en el mundo que nos rodea sólo necesitan electrones, quarks arriba y quarks abajo? ¿Por qué hay tres familias? ¿Por qué no una familia o cuatro familias, o cualquier otro número? ¿Por qué tienen las partículas una variedad de masas aparentemente aleatoria? ¿Por qué, por ejemplo, el tau pesa alrededor de 3.520 veces lo que pesa un electrón? ¿Por qué el quark cima pesa cerca de 40.200 veces el peso de un quark arriba? Son unos números extraños, aparentemente aleatorios. ¿Son así por azar, por algún designio divino, o existe una explicación científica comprensible para estas características fundamentales de nuestro universo?

Tabla 1.1
Las tres familias de partículas fundamentales y sus masas (en multiplos de la masa del protón). Los valores de la masa del neutrino han eludido hasta ahora la determinación experimental.

Cuando tenemos en cuenta las fuerzas que actúan en la naturaleza, lo único que conseguimos es complicar las cosas aún más. El mundo que nos rodea está lleno de medios de ejercer influencia: las pelotas se pueden golpear mediante raquetas o palas, los aficionados al
bungee
se pueden lanzar hacia el suelo desde elevadas plataformas, los imanes pueden mantener a los trenes de alta velocidad sobre carriles metálicos, los contadores Geiger pueden sonar como respuesta a la presencia de material radiactivo, las bombas termonucleares pueden explotar. Se puede actuar sobre los objetos empujándolos, tirando de ellos o agitándolos vigorosamente; también lanzando o disparando otros objetos contra ellos; estirándolos, retorciéndolos o aplastándolos; congelándolos, calentándolos o quemándolos. Durante los últimos cien años, los físicos han acumulado un número de pruebas cada vez mayor de que todas estas interacciones entre objetos o materiales distintos, así como cualquiera de las interacciones que por millones y millones se observan a diario, se pueden reducir a combinaciones de cuatro fuerzas fundamentales. Una de éstas es la fuerza de la gravedad. Las otras tres son la fuerza
electromagnética
, la fuerza
nuclear débil
y la fuerza
nuclear fuerte
.

La fuerza de la gravedad es, de las tres, la que nos resulta más familiar. Es la responsable de que nos mantengamos en órbita alrededor del Sol, y también de que nuestros pies permanezcan firmemente plantados sobre el suelo. La masa de un objeto determina la medida de cuánta fuerza de la gravedad puede ejercer o soportar dicho objeto. A continuación, la más familiar para nosotros es la fuerza electromagnética. Es la fuerza que hace funcionar todas las comodidades de la vida moderna —iluminación, ordenadores, televisores, teléfonos— y subyace al poder terrorífico de las tormentas con aparato eléctrico y al suave tacto de una mano humana. Microscópicamente, la carga eléctrica de una partícula desempeña la misma función en relación con la fuerza electromagnética que la que desempeña la masa en relación con la gravedad: determina la fuerza electromagnética que puede ejercer una partícula o la fuerza con que puede responder electromagnéticamente esa partícula.

Las fuerzas denominadas, respectivamente, nuclear fuerte y nuclear débil nos resultan menos familiares, porque su magnitud disminuye rápidamente a escalas de distancias casi subatómicas; son las fuerzas nucleares. Ésta es también la razón por la que se descubrieron mucho más recientemente que las otras dos fuerzas. La fuerza nuclear fuerte es la responsable de que los quarks se mantengan «pegados» unos a otros dentro de los protones y los neutrones, y de que los propios protones y neutrones estén estrechamente apiñados dentro del núcleo del átomo. La fuerza nuclear débil se conoce sobre todo como la fuerza responsable de la desintegración radiactiva de sustancias como el uranio y el cobalto.

Durante el último siglo, los físicos han descubierto dos características comunes a todas estas fuerzas. En primer lugar, como veremos en el capítulo 5, a nivel microscópico todas las fuerzas tienen asociada una partícula que se puede considerar como el mínimo paquete o haz que puede formar la fuerza. Si se dispara un haz de rayos láser —una «escopeta de rayos electromagnéticos»— se está disparando un chorro de
fotones
que es el haz mínimo de fuerza electromagnética. De manera similar, los constituyentes más pequeños de los campos de la fuerza nuclear débil y de la fuerza nuclear fuerte son partículas llamadas
bosones gauge
asociados a la fuerza nuclear débil y
gluones
. (El nombre
gluón
es especialmente descriptivo: se puede pensar en los gluones considerándolos como el componente microscópico del fuerte pegamento (glue) que mantiene unidos los elementos de los núcleos de los átomos). En 1984, los físicos que realizaban experimentos al respecto, ya habían establecido definitivamente la existencia y las propiedades detalladas de estos tres tipos de partículas de fuerza, reseñadas en la Tabla 1.2. Los físicos creen que la fuerza de la gravedad también tiene una partícula asociada —el gravitón— pero su existencia está aún pendiente de confirmarse experimentalmente.

Los científicos no suelen traducir al castellano la palabra gauge. En los diferentes términos compuestos en que aparece, se podría traducir como «de calibre» o «de calibración».

Tabla 1.2
Las cuatro fuerzas de la naturaleza, junto con sus partículas de fuerza asociadas y sus masas en múltiplos de la masa del protón. (Las partículas de fuerza débil vienen en variedades con las dos masas posibles listadas. Estudios teóricos demuestran que el gravitón no debería tener masa).

La segunda característica común a estas fuerzas es que, del mismo modo que la masa determina cómo afecta la gravedad a una partícula, y su carga eléctrica determina cómo le afecta la fuerza electromagnética, las partículas están provistas de ciertas cantidades de «carga fuerte» y «carga débil» que determinan cómo se verán afectadas dichas partículas por la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. (Estas propiedades se detallan en la tabla que aparece en las notas finales correspondientes a este capítulo
^[1]
). Sin embargo, al igual que sucede con las masas de las partículas, más allá del hecho de que los físicos experimentales han medido minuciosamente estas propiedades, nadie tiene una explicación de por qué nuestro universo está compuesto precisamente por esas partículas, con esas masas y cargas de fuerza tan peculiares.

A pesar de sus características comunes, el examen de las propias fuerzas fundamentales sólo sirve para plantear preguntas. Por ejemplo, ¿por qué son cuatro las fuerzas fundamentales? ¿Por qué no cinco, o tres, o quizá sólo una? ¿Por qué tienen estas fuerzas unas propiedades diferentes? ¿Por qué las fuerzas llamadas nuclear fuerte y nuclear débil se limitan a operar a escalas microscópicas, mientras que la fuerza de la gravedad y la electromagnética tienen un alcance ilimitado en su influencia? Y, ¿por qué existe una gama enorme en cuanto a la intensidad intrínseca de estas fuerzas?

Para valorar la última pregunta, imaginemos que sostenemos un electrón con la mano izquierda y otro en la derecha, y que aproximamos estas dos partículas de idéntica carga eléctrica intentando juntarlas. Su atracción gravitatoria mutua favorecerá que se acerquen, mientras que su fuerza de repulsión electromagnética intentará separarlas. ¿Cuál de estas dos fuerzas es más intensa? No hay discusión posible: la repulsión electromagnética es un millón de billones de billones de billones (10 a la 42) de veces más fuerte. Si el bíceps derecho representa la intensidad de la fuerza de la gravedad, entonces el bíceps izquierdo tendría que ser tan grande que sobrepasara los límites del universo conocido para poder representar la intensidad de la fuerza electromagnética. La única razón por la que la fuerza electromagnética no aplasta completamente a la fuerza de la gravedad en el mundo que nos rodea es que la mayoría de las cosas están compuestas por una cantidad igual de cargas eléctricas positivas y negativas cuyas fuerzas se cancelan mutuamente. Por otra parte, ya que la gravedad siempre es una fuerza de atracción, no existen cancelaciones análogas —más materia significa una fuerza de la gravedad mayor—. Sin embargo, hablando de partículas fundamentales, se puede afirmar que la fuerza de la gravedad es en este contexto una fuerza extremadamente débil. (Un hecho que explica la dificultad para confirmar experimentalmente la existencia del gravitón. Buscar el haz más pequeño de la fuerza más débil es todo un desafío). También hay experimentos que han demostrado que la fuerza nuclear fuerte es alrededor de cien veces más fuerte que la fuerza electromagnética y cerca de cien mil veces más fuerte que la fuerza nuclear débil. Pero ¿dónde está por qué —la razón de ser— de que nuestro universo tenga estas características?