Introducción a la ciencia. Una guía para todos (o casi) (13 page)

La variedad de las partículas implicadas permite a los físicos construir distintos tipos de Grandes Teorías Unificadas, de tal modo que cada una realiza diferentes predicciones sobre la manera en que debe comportarse la materia con energías muy altas. Sin embargo, con el fin de comprobar estas teorías y averiguar cuál es correcta (si alguna de ellas lo es), necesitaríamos un acelerador que fuera un billón (1012) de veces más potente que los aceleradores que se utilizaron en los años ochenta para comprobar la teoría electrodébil. Incluso un acelerador tan grande como el sistema solar sería aún demasiado pequeño para hacer este trabajo. Como veremos en el capítulo 12, ésta es la razón por la cual los físicos que trabajan en física de partículas están centrando buena parte de su atención en la cosmología, utilizando sus teorías para predecir lo que sucedió en el Big Bang y comparando después sus predicciones con el modo en que aparece actualmente el universo.

Pero hay que tener en cuenta que tampoco ahora hemos incluido la gravedad en el paquete. El Santo Grial de la física teórica es una especie de Gran Superteoría Unificada que incluiría también la gravedad. Desgraciadamente, aunque los gravitones tienen masa cero, esto no resulta fácil; hay que ir a energías aún más altas para poder hacer que la gravedad sea tan intensa como las otras fuerzas. Debido a que la gravedad es tan débil, el escalón de energía que hay que subir para realizar aquí un trabajo con el mismo planteamiento es tan enorme que resulta difícil prever cómo se podría hacer, por lo que un avance de este tipo ha de venir en una dirección completamente diferente, esto es, una teoría que reemplace la idea habitual de partículas, sustituyéndolas por puntos en los que se sitúan los cuantos del campo, como pequeños bucles de «cuerda».

Estas cuerdas forman bucles que son mucho menores que el tamaño de una partícula semejante a un protón, pero la cuestión clave es que sí tienen un tamaño definido; no son puntos matemáticos. En la teoría estándar de campos de cuantos se considera que las entidades auténticamente fundamentales, como son los quarks y los electrones (que, al menos hoy por hoy, siguen pareciendo fundamentales), presentan un tamaño nulo. El tamaño típico de un bucle de cuerda sería muy, muy pequeño, hasta tal punto que existe en la parte inferior de la escala en la que la incertidumbre cuántica es importante, lo cual significa que tienen diámetros de aproximadamente 10
^-33
cm. Un bucle de cuerda es mucho menor que un átomo, en la misma proporción en que un átomo es menor que el sistema solar.

Aunque no hay manera de comprobar directamente las predicciones de esta teoría de las cuerdas —al no poder concebirse experimentos que verifiquen estructuras a una escala tan pequeña—, sin embargo, hay dos razones por las que muchos físicos piensan actualmente que las cuerdas representan la verdad última y son los bloques básicos en la estructura de la materia.

La primera razón es que se libran de los molestos infinitos que plagan cualquier teoría basada en las ideas antiguas, según las cuales las partículas se consideran como puntos fundamentales. Esto significaría que las partículas tienen volumen cero y, en consecuencia, en algún momento dentro de la serie de cálculos, inevitablemente habría que dividir por cero. Por ejemplo, la fuerza eléctrica cumple una ley de cuadrados inversos. Su valor a cierta distancia de la fuente es proporcional a uno partido por el cuadrado de la distancia a dicha fuente. De este modo, a medida que nos acercamos a la fuente de un campo eléctrico, la fuerza aumenta al disminuir la distancia. Pero si la fuente tiene dimensión nula, la distancia puede disminuir recorriendo todos los valores hasta el cero. Si la fuente —por ejemplo, un electrón— es de tamaño nulo, la propia fuente siente una fuerza que es proporcional a uno dividido entre cero (aún peor: ¡uno dividido entre cero al cuadrado!). En otras palabras, infinito.

Existen modos de evitar esto, utilizando un truco llamado renormalización. En efecto, significa dividir un infinito entre otro para obtener un número finito. En primer lugar, imaginemos que infinito dividido por infinito es igual a 1, al igual que 2/2 es 1, o 51234/51234 es 1; pero el infinito es un material engañoso y se puede obtener cualquier respuesta que se desee a partir de este tipo de división. Por ejemplo, pensemos en un número que represente la suma total de los números naturales (1 + 2 + 3 + …). Obviamente es infinito. Ahora pongamos en esta serie el doble de cada número y sumémoslos de nuevo. Está claro que la respuesta es, una vez más, infinito. Pero ¿cómo será este infinito comparado con el primer infinito? Podríamos pensar que, siendo cada número de la serie del segundo infinito el doble que su correspondiente en la primera serie infinita, el infinito que resulta de la suma de todos ellos tendría que ser el doble de grande que el primer infinito. Pero, pensemos otra vez. La segunda suma sólo contiene los números pares (2 + 4 + 6 + …). No contiene absolutamente ninguno de los números impares, por lo que sólo puede ser la mitad de grande que el primer infinito. Si dividimos este segundo infinito entre el primero, el resultado es 0'5, no 2 (y desde luego no es 1).

Utilizando este tipo de trucos en la teoría estándar, se puede aplicar la re-normalización para obtener resultados finitos que coincidan con las mediciones experimentales de la intensidad de una fuerza eléctrica. Sin embargo, se trata de un procedimiento que las circunstancias imponen a los físicos, y muchos físicos lo odian. Pero el problema de tener que manejar infinitos de este modo desaparece en la teoría de las cuerdas, porque aquí ya no hay que manejar puntos matemáticos que tienen tamaño nulo. No existe ninguna de esas incómodas fuentes puntuales (conocidas también como singularidades), por lo que no es necesaria la renormalización.

La segunda cosa importante en relación con la teoría de las cuerdas es que esta teoría predice la gravedad. Como ya hemos mencionado, en el antiguo planteamiento de la Gran Superteoría Unificada parece muy difícil encontrar un modo de incluir la gravedad, porque ésta es mucho más débil que las otras fuerzas. Cuando los científicos empezaron a jugar con la teoría de las cuerdas e intentaron utilizarla para conseguir una descripción de las fuerzas y partículas conocidas, supusieron que la gravedad resultaría también imposible de tratar en la nueva teoría y, al principio, ni siquiera intentaron tenerla en cuenta (esto sucedió en los años setenta).

Sin embargo, la forma en que funciona la teoría de cuerdas consiste en no tener una clase diferente de bucle de cuerda para cada tipo de partícula fundamental o de cuanto de campo, sino considerar a todas las partículas fundamentales y a los cuantos de campo como distintas formas de vibración del mismo tipo de cuerda, casi del mismo modo en que una única cuerda de violín puede tocar diferentes notas. A mediados de los años setenta, cuando unos cuantos físicos matemáticos estaban barajando esta idea como una concepción teórica abstracta, hallaron modos de describir de esta manera todas las entidades fundamentales conocidas (los quarks, los fotones, etc.). Un fotón correspondería a una vibración del bucle de cuerda equivalente a una nota de violín; un electrón correspondería a una vibración distinta (equivalente a una nota diferente en la cuerda del violín) y así sucesivamente. Pero también hallaron que existía otro modo según el cual los bucles de la cuerda podían vibrar y que no se correspondía con ninguna de las partículas y campos que intentaban describir.

Al principio intentaron hallar un modo de librarse de esa forma de vibración no deseada. Luego se dieron cuenta de que correspondía exactamente al gravitón, es decir, al cuanto del campo gravitatorio. Así que resultó que la teoría de cuerdas, se quiera o no, incluye automáticamente a la gravedad.

Esto no significa que los físicos ya hayan conseguido su Santo Grial, su teoría total. Las complejidades matemáticas inherentes a la teoría de cuerdas hacen que sea difícil desarrollar completamente las ideas, y sigue existiendo la frustración de no poder comprobar las ideas mediante experimentos. Comparado con el modo en que se habían hecho anteriormente los progresos en la física de partículas, el descubrimiento de la teoría de cuerdas se ha realizado dando marcha atrás. Antes, desde el trabajo pionero de Rutherford, se habían hecho demostraciones sobre la estructura del átomo y luego se había demostrado la existencia de partículas más fundamentales, para desarrollar posteriormente teorías que explicaran los resultados de los experimentos. Sin embargo, esta vez la teoría ha llegado por el camino de las matemáticas puras, sin ningún vestigio de experimento con el que apoyar dicha teoría. Nunca ha existido un experimento en el que se hayan creado partículas que chocaran entre sí y rebotaran apartándose unas de otras de una manera que sugiriera automáticamente que lo que generaba los rebotes eran bucles de cuerdas vibrantes. La teoría de cuerdas se ha calificado excepcionalmente como un ejemplo de la física del siglo
XXI
que ha caído en el regazo de los físicos del siglo
XX
. No obstante, está ampliamente considerada como una alternativa viable al antiguo planteamiento de la teoría de campos que utilizaba la idea de partículas puntuales, y suprime definitivamente (o más bien nunca sufre) las dificultades que parecían hacer que una teoría completa de los campos cuánticos aplicada a la gravedad fuera un sueño imposible.

Independientemente de cómo se desarrollen las cosas durante los próximos cien años, hay algo que es cierto: es lo más lejos que podemos llegar, escribiendo a finales del siglo
XX
, en cuanto a comprobación de la estructura más interna de la materia se refiere. También es verdad que ninguna de estas teorías, por muy fascinante que sea, tiene ningún soporte directo en la naturaleza del mundo en que vivimos. Con el fin de comprender el mundo cotidiano que nos rodea, sólo necesitamos comprender el comportamiento de los átomos y sus componentes, considerando a los protones y los neutrones, así como a los electrones, como partículas fundamentales. Además sólo tenemos que preocuparnos de dos de las cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad y el electromagnetismo.

Con el objeto de continuar nuestra descripción de la manera científica de comprender el mundo en el que vivimos, es hora de dirigir nuestra atención hacia afuera, comenzando de nuevo por los átomos, pero observando ahora cómo se unen para formar entidades cada vez más grandes. Trabajando en esta dirección, el objetivo último de la ciencia es explicar la existencia del universo en sí mismo y cómo llegó a ser tal como es ahora. En algún lugar hacia la mitad de la escala de tamaños que va desde el mundo de las partículas fundamentales hasta el universo en su globalidad, encontraremos una explicación de nuestra propia existencia.

Cuando estábamos realizando comprobaciones en el interior del átomo, contemplábamos subunidades cada vez más sencillas del mundo físico a medida que nos centrábamos en escalas cada vez menores; sin embargo, nuestro primer paso saliendo de la escala del átomo para llegar al universo de grandes dimensiones tiene un efecto contrario, ya que observamos cómo el comportamiento de cosas tan sencillas como los átomos los capacita para unirse con el fin de constituir cosas tan complejas como son los seres humanos. El primer paso consiste en mirar de qué modo los átomos se adhieren unos a otros para formar moléculas. Nos vamos a la química.

Toda la química se puede explicar mediante la física de la década de 1930; además basta con un modelo muy sencillo para dar una idea de por qué los átomos se unen, del modo en que lo hacen, para formar moléculas. Ni siquiera necesitamos preocuparnos por los neutrinos, aún menos por la fuerza nuclear o la fuerza débil. Desde luego, no tenemos que preocuparnos por la gravedad, que es, con mucho, demasiado débil para ser importante en las reacciones químicas. Tampoco debemos preocupamos, al menos al principio, por la dualidad onda-partícula. Apenas hemos de tener en cuenta el hecho de que el núcleo de un átomo está constituido por dos tipos diferentes de partículas, el protón y el neutrón. Todo lo que necesitamos saber para comenzar a explicar la química es que, desde luego, los átomos contienen en su estructura electrones, que son partículas con carga negativa y están distribuidos de acuerdo con las reglas de la física cuántica a cierta distancia del núcleo central, cargado positivamente, y sometidos a la influencia de fuerzas electromagnéticas. Las bases de la química son increíblemente sencillas, pero la complejidad de las moléculas que se pueden construir de acuerdo con las reglas básicas sencillas es asombrosa.

La primera explicación que se logró para la tabla periódica de elementos se remonta en realidad a 1922, cuando Niels Bohr utilizó una mezcla de las viejas teorías de la física clásica (incluida la idea de electrón definido como una pequeña partícula) y las nuevas teorías de la física cuántica para desarrollar lo que es en esencia el modelo del átomo tal como se explica actualmente en las escuelas y que ya hemos mencionado en el capítulo 2. Esto sucedía diez años antes del descubrimiento del neutrón, hecho que muestra lo poco que se necesita saber sobre el interior del núcleo para entender la química.

El número atómico del núcleo (que, como sabemos en la actualidad, es igual al número de protones que hay en dicho núcleo) determina cuántos electrones hay en las capas más externas del átomo. Tiene que haber un electrón por cada protón, con el fin de que las cargas eléctricas se equilibren y el resultado sea un átomo eléctricamente neutro. Sea cual sea el número atómico, el primer electrón del átomo se encuentra en el nivel de energía más bajo, que se corresponde con el nivel de energía ocupado por el electrón solitario del átomo de hidrógeno, el átomo más sencillo que existe. El siguiente electrón se sitúa en el mismo nivel de energía, pero tiene un espín opuesto al del primer electrón. En este nivel sólo hay dos lugares disponibles. Sin embargo, hay más espacio para los electrones en el nivel de energía siguiente, en el sentido de alejamiento del núcleo. Así, los ocho electrones siguientes, correspondientes a los ocho números atómicos siguientes (es decir, a los ocho elementos siguientes de la tabla periódica) pueden encajarse todos ellos a más o menos la misma «distancia» del núcleo. Después el patrón se repite (con algunas sutilezas que tienen interés principalmente para los especialistas).

Cada estrato de electrones situado alrededor del núcleo se llama «capa». Se trata de un nombre algo desafortunado, ya que implica (erróneamente) que las capas más externas no «ven» el núcleo, sino sólo la capa que tienen debajo; sin embargo, esta terminología es un remanente de principios de los años veinte y constituye una carga que hemos heredado. Una de las sutilezas, que comentaremos sin entrar en detalles, es que, debido al modo en que la energía de todo el átomo se altera a medida que se llenan sucesivas capas, se llega a un punto en que es posible introducir algunos electrones suplementarios en una de las capas internas. El resultado es toda una serie de elementos (las tierras raras) que presentan propiedades químicas muy similares, porque tienen las capas más externas idénticas, pero diferentes pesos y números atómicos. En estos elementos, cuando el número de protones del núcleo se va incrementado de uno en uno, los electrones suplementarios no forman nuevas capas en el exterior del átomo, sino que están escondidos en las capas internas.