Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (12 page)

De aquí es de donde surgen los mesones que mantienen unido el núcleo de un átomo. Surgen de la nada, como lo que se llama fluctuaciones de los campos cuánticos en el vacío. Cuando esto sucede, las reglas cuánticas dicen que cada partícula producida debe estar acompañada por su correspondiente antipartícula. En vez de quarks aislados que surgen del vacío, lo que tenemos son parejas de quark y antiquark. En otras palabras, mesones. Sin embargo, estos sólo pueden vivir durante un tiempo muy breve, el tiempo que permite la incertidumbre cuántica, hasta devolver su energía prestada al vacío y desaparecer de nuevo. Viven justo lo suficiente para ser objeto de un intercambio con el nucleón vecino, manteniendo así el núcleo unido (ésta es la razón por la que la analogía con el balón de fisioterapia puede ser útil). Sin embargo, la gama de valores de la fuerza nuclear resultante es tan limitada que nada que esté fuera del núcleo, ni siquiera el núcleo del átomo más próximo, puede llegar en ningún momento a sentir dicha fuerza.

Pero ¿cuál es la razón por la que los quarks sólo aparecen en tríos o parejas? Pues porque, a su vez, se mantienen juntos por el intercambio de otro tipo de partícula del campo cuántico. Cuando los físicos tuvieron que poner un nombre a estas partículas, se permitieron hacer una pequeña broma: las partículas se llaman gluones, ya que lo que hacen es pegar (glue) los quarks uno a otro. Los gluones son los cuantos que están asociados con una nueva clase de campo y actúan casi del mismo modo que todas las demás fuerzas que ya hemos mencionado. Sin embargo, existe una diferencia crucial. La fuerza de adherencia entre dos quarks se hace tanto más fuerte cuanto más alejados están uno de otro.

En vez de considerar el intercambio de gluones entre dos quarks como un chorro de partículas que los golpean para mantenerlos apartados, pensemos que son un trozo de un elástico muy poderoso que une a los dos quarks. Cuando éstos se encuentran suficientemente cerca, el elástico se queda flojo y blando, con lo que los quarks empiezan a moverse como a empujones. Pero cuando los quarks intentan separarse (aunque sea sólo a la distancia que hay desde un extremo al otro en un protón), el «elástico» se estira y vuelve a ponerlos juntos. Cuanto más se aparten, más se estira el elástico y, por consiguiente, los empuja con más fuerza cuando tira de ellos para juntarlos.

El único modo en que un quark puede ser despachado de un nucleón o de un mesón es que haya algo que lo golpee tan fuerte —con tanta energía— que «rompa el elástico». En efecto, esto puede suceder cuando un electrón que se mueve casi a la velocidad de la luz choca contra un protón en un experimento como los que hemos descrito anteriormente. Sin embargo, esto sólo puede suceder si la energía aportada por el impacto del electrón es lo suficientemente grande como para convertirse en la masa de dos nuevos quarks (concretamente, una pareja de quark y antiquark). Cuando el «elástico» se rompe, cada extremo de dicho elástico roto se ata a uno de los dos nuevos quarks. Uno de los extremos se agarra al protón, restaurando así su estado normal. El otro extremo ata el nuevo antiquark al quark que se escapa; en vez de un único quark que se escapa del lugar del impacto, lo que vemos es un mesón. Nunca, en ninguna clase de circunstancias, vemos un quark solitario.

Por lo tanto, la fuerza de adherencia de los gluones es la fuerza real que mantiene juntos los componentes del núcleo, incluyendo a las parejas de quark y antiquark que forman mesones. La poderosa fuerza nuclear que actúa entre los nucleones es en realidad un vestigio relativamente débil de la fuerza de adherencia de los gluones, y ambas fuerzas no están consideradas como dos fuerzas de la naturaleza genuinamente distintas. Junto con el electromagnetismo y la gravedad, esto significa que hasta ahora hemos mencionado tres tipos de fuerzas genuinamente diferentes que actúan en el mundo de las partículas. Existe aún otra más que debemos mencionar: la llamada fuerza débil (porque es más débil que la fuerza nuclear). Ésta es la que menos se parece a lo que en la realidad cotidiana significa el término «fuerza». Reconociendo este hecho, los físicos se refieren a menudo a las cuatro fuerzas de la naturaleza llamándolas las cuatro «interacciones».

La función de la interacción débil no es tanto mantener las cosas unidas, como separarlas. En particular, ejerce interacciones con los neutrones, convirtiéndolos en protones. Esto recibe el nombre de desintegración beta y en este proceso el neutrón emite un electrón y una partícula llamada neutrino (en sentido estricto, se trata de un antineutrino). Más exactamente, el neutrón interacciona con el campo que está asociado a la interacción débil y emite uno de los cuantos de dicho campo. Estos cuantos se llaman bosones vectoriales intermedios y poseen masa, por lo que su alcance (el alcance de la interacción débil) está limitado por las reglas de la incertidumbre cuántica. Posteriormente, el bosón se convierte en un electrón y un antineutrino. (El campo débil puede interaccionar de otras maneras con otras partículas, pero no es necesario que hablemos aquí de esto.)

Lo más bonito de todo esto es que los físicos disponen de una simetría fundamental muy clara en el mundo de las partículas. Existen cuatro tipos de fuerzas fundamentales y también cuatro tipos de partículas fundamentales (los quarks superiores e inferiores, el electrón y el neutrino). Esto es todo lo que se necesita para explicar cualquier cosa que se pueda ver en el universo. Desafortunadamente, por razones que nadie ha podido entender, parece funcionar cierto tipo de duplicación (incluso triplicación) en las leyes de la física. En experimentos en los que se realizan choques de alta energía entre haces de partículas, los físicos han encontrado otras dos familias de partículas, con masas que son cada vez mayores. No son en ningún caso partículas que, del mismo modo en que los quarks se encuentran dentro de los nucleones, estuvieran «dentro» de las partículas a las que se hizo colisionar en estos experimentos. En vez de esto, son partículas que se han creado a partir de energía pura (como las parejas de quark y antiquark en el lugar dónde se rompe el elástico con el que comparábamos a los gluones). En casos extremos, estas partículas incluyen ciertas variedades que pueden no haber existido de forma natural en el universo desde el Big Bang. Hay una partícula que es la contrapartida del electrón, pero más pesada, y está asociada con su propio tipo de neutrino. Asimismo, también hay contrapartidas más pesadas para el quark superior y el quark inferior. Y luego, por si fuera poco, existe otro conjunto de todo esto, pero con más peso.

Ninguna de estas versiones más pesadas de las partículas básicas desempeña papel alguno en el modo en que el universo funciona actualmente (aunque pueden haber sido importantes en el Big Bang; véase el capítulo 12). Son todas ellas inestables y se desintegran progresivamente, convirtiéndose al final, después de liberar energía, en sus contrapartidas más ligeras. A los físicos que se dedican a la física de partículas les suministran muchos temas de investigación interesantes, así como un ámbito donde desarrollar muchas teorías sobre el comportamiento de estas partículas. Sin embargo, en este libro nos vamos a concentrar en hablar de cómo es el universo en el que vivimos, y no de las posibilidades más exóticas en cuanto a cómo podría haber sido, por lo tanto no diremos nada más, por ahora, sobre esas versiones más pesadas de las partículas fundamentales. En cambio, antes de salir de las profundidades de la física intranuclear para ir al mundo de las moléculas, quisiéramos hacer inventario de esas cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y de cómo los físicos están intentando desarrollar una imagen global —una teoría unificada— para explicar el comportamiento de dichas fuerzas (o campos) y del conjunto básico de cuatro partículas, considerando todo ello en bloque.

La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas, pero es la más obvia en la vida cotidiana y fue la primera que se estudió científicamente, por el modo en que se presenta y por su larguísimo alcance. En cualquier bloque de materia se suma la gravedad de todas y cada una de las partículas que haya en dicho bloque. No existe nada parecido a su neutralización, tal como sucede con las cargas eléctricas positivas y negativas que se neutralizan entre sí en un átomo. El alcance de la gravedad, como el alcance del electromagnetismo, es, en principio, infinito, porque los cuantos de su campo (gravitones) tienen masa cero, como los fotones. Sin embargo, esto no significa que la fuerza de un bloque de materia tenga el mismo valor en todos los lugares. En efecto, la fuerza gravitatoria de un objeto va disminuyendo en función de uno dividido entre el cuadrado de la distancia al objeto (la famosa «ley de los cuadrados inversos»); por lo tanto si nos situamos al doble de la distancia, la fuerza será sólo un cuarto de su valor; si estamos tres veces más lejos, la fuerza es un noveno de su valor, y así sucesivamente.

El electromagnetismo es mucho más fuerte que la gravedad, pero esto no es obvio en el entorno cotidiano, debido a que la electricidad y el magnetismo se presentan en dos variedades —carga positiva y negativa, polos norte y surque se neutralizan entre sí. Sin embargo, al igual que la gravedad, tanto la electricidad como el magnetismo obedecen a leyes de cuadrados inversos, cuando no están completamente neutralizados. Como muestran las ecuaciones de Maxwell, son diferentes aspectos de una única fuerza, y las dos son transportadas, según el modelo del campo cuántico, por fotones que no tienen masa.

La mejor manera de entender las fuerzas relativas de la gravedad y el electromagnetismo consiste en pensar en lo que sucede cuando una manzana cae de un árbol. La fuerza que intenta mantener el átomo en la rama donde crece es la fuerza electromagnética, que actúa entre unos pocos átomos del tallo que sujeta la manzana a la rama. La fuerza que tira de la manzana hacia abajo es la fuerza de la gravedad, ejercida por todos los átomos del planeta Tierra tirando juntos y a la vez. La Tierra tiene una masa de poco menos de 6x10
²⁴
kilogramos. La gravedad de toda esta concentración de masa, actuando toda ella a la vez, es capaz de romper la unión electromagnética existente entre unos pocos átomos del tallo de una manzana.

Los valores relativos que alcanzan las cuatro fuerzas de la naturaleza se pueden expresar en función del valor de la fuerza nuclear. Si el valor de la fuerza nuclear se sitúa en uno, en números redondos el valor de la fuerza electromagnética sería alrededor de 10
^-2
(1 por 100 del valor de la fuerza nuclear), el valor de la fuerza débil sería 10
^-13
(una cienmilmillonésima del 1 por 100 del valor de la fuerza nuclear) y el valor de la gravedad sería solamente 10
^-38
. La fuerza nuclear es cien billones de billones de billones de veces más fuerte que la gravedad. Sin embargo hemos de recordar que la fuerza débil y la fuerza nuclear tienen un alcance muy limitado y actúan a una escala mucho menor que el diámetro de un átomo. El universo sería muy diferente si tuvieran el mismo alcance que la gravedad y el electromagnetismo.

No obstante, esto es exactamente lo que, en opinión de los físicos, sucedió en el Big Bang, cuando el universo era aún muy joven. En el capítulo 12 veremos más acerca de esto. Por ahora, diremos que enlaza con la idea de los físicos que están intentando encontrar un modo de combinar todas las fuerzas en un solo paquete matemático: una teoría de campos unificada.

En cierto sentido, están ya a medio camino para conseguirlo. El electromagnetismo y la interacción débil ya se han combinado en un solo paquete que se llama la teoría electrodébil. Se desarrolló en la década de 1960 y ha sido el modelo para casi todas las iniciativas subsiguientes encaminadas a desarrollar una teoría de campos unificada.

La base de la teoría electrodébil es la similitud de las funciones desempeñadas por los cuantos del campo en el electromagnetismo (los fotones) y en la interacción débil (los bosones vectoriales intermedios). El electromagnetismo es una interacción que resulta especialmente fácil de describir mediante las matemáticas, porque sólo tiene una clase de cuanto de campo, el fotón, y no tiene ni carga ni masa. En la interacción débil los bosones vectoriales intermedios aparecen en tres variedades. Una de ellas tiene carga positiva, otra carga negativa y la tercera posee carga nula. Todas las variedades tienen masa. Sin embargo, en todo lo demás son como los fotones. Si no tuvieran los impedimentos que origina el límite de su alcance impuesto (a causa de su masa) por la incertidumbre, se comportarían exactamente igual que los fotones. No obstante, si el universo estuviera suficientemente caliente, los bosones vectoriales intermedios no tendrían que depender de la incertidumbre cuántica para existir. La energía de fondo del universo sería suficiente para fabricar bosones vectoriales intermedios a partir de la radiación caliente que llenaría el universo, siendo dichos bosones capaces de existir eternamente y tener un alcance infinito, exactamente igual que los fotones.

La teoría electrodébil describe cómo habrían interaccionado las partículas en estas condiciones, estando en pie de igualdad los fotones y los bosones vectoriales intermedios. Y lo que es crucial, también describe cómo se habrían separado las diferentes fuerzas cuando el universo se enfrió y se expandió a partir del Big Bang, y predice que esta separación sería responsable de las diferencias entre las dos fuerzas que vemos actualmente, contando con que los bosones vectoriales intermedios poseen una cierta masa.

Los bosones vectoriales intermedios se fabricaron a partir de energía pura en experimentos con colisiones de partículas en el CERN, cerca de Ginebra, a principios de los ochenta, y se descubrió que tenían exactamente las masas que había predicho la teoría electrodébil.

El paso siguiente será hallar un tipo de teoría similar que englobe la fuerza nuclear y la interacción débil. Esto significa poner a los gluones en un plano de igualdad con los fotones y los bosones vectoriales intermedios. En principio, tendría que funcionar el mismo planteamiento. Sin embargo, debido a que los gluones tienen todavía más masa que los bosones vectoriales intermedios, esto sólo funcionaría a temperaturas todavía más elevadas, que corresponderían a épocas anteriores aún más remotas durante el Big Bang.

La manera de comprobar estas teorías es, por supuesto, hacer que las partículas choquen entre sí en los aceleradores y, al hacerlo, recrear las condiciones en las que las fuerzas fundamentales están en un plano de igualdad. Tales experimentos son, como ya hemos mencionado, suficientemente potentes para comprobar la teoría electrodébil con bastante amplitud y asegurarse de que la teoría describe con precisión el modo en que se comportan las partículas reales. No se puede construir aceleradores lo suficientemente potentes como para probar las predicciones de las teorías equivalentes, que incluyen también la fuerza nuclear (estas teorías se conocen habitualmente como Grandes Teorías Unificadas, a pesar de que no incluyen la gravedad). No es demasiado difícil encontrar teorías de este tipo, pero una teoría que no esté comprobada mediante experimentos no tiene ningún valor práctico: «Si no concuerda con el experimento, es falsa». Ello resulta especialmente importante en este caso, porque hay que comprobar también más aspectos complicados que en la teoría electrodébil, ya que deben tenerse en cuenta ocho clases diferentes de gluones.