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JOSÉ BASILIO GALVÁN

La unión hace la fuerza (y bellas teorías)

Actualizada Viernes, 31 de octubre de 2008 - 04:00 h.
  • JOSÉ BASILIO GALVÁN HERRERA ES PROFESOR TITULAR DE LA UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA

E STA semana visitó Pamplona dentro del I Encuentro de Científicos y Tecnólogos de Navarra, en el que participa la Universidad Pública de Navarra de la que formo parte, el Premio Nobel de Física de 1979 Sheldon Lee Glashow.

En este mundo de hoy donde, con suerte, los ídolos de la gente son los futbolistas -y con mala suerte, el segundo novio de la cuarta novia de un descerebrado que ha salido en el último reality show-, es de agradecer la posibilidad de conocer de primera mano las reflexiones de una persona de la talla intelectual del Doctor Glashow. Además, hay que apuntar la feliz coincidencia de que hace sólo un par de semanas que se han dado a conocer los nombres de los Premios Nobel de Física de este año, que han galardonado, y no por primera vez, trabajos de investigación dentro del marco de la teoría propuesta por este físico hace cuatro décadas.

Esta teoría, creada por el Dr. Glashow junto con Steven Weinberg y Abdus Salam, es conocida como Teoría Estándar y es una de las que más éxitos ha dado a la Física. A lo largo del siglo XX, la teoría de la estructura última de la materia se había ido complicando: infinidad de partículas subatómicas (más pequeñas que el átomo), partículas tan ligeras que se discutía si tenían masa (el neutrino, casi indetectable), la radioactividad. Había un acuerdo casi general en que tenía que haber una estructura más profunda y simple que explicara todos estos fenómenos. Así nació la Teoría Estándar.

El primer paso en la simplificación lo dio a mediados de los años sesenta Murray Gell-Mann, que solucionó el caos de la multitud de partículas subatómicas del tipo de los conocidos protón y neutrón. Demostró que todas esas partículas (incluidos el protón y el neutrón) podían explicarse como la combinación de tres más pequeñas (elementales), a las que llamó quarks, más una fuerza que los une, a la que llamó fuerza de color (nada que ver con el color tal y como lo entendemos, pero es que los físicos teóricos suelen ser dados a las bromas). Por este trabajo, el Doctor Gell-Mann recibió el Premio Nobel de Física en 1969.

Así que a finales de los años sesenta se conocía la existencia de tres quarks, de los cuales uno parecía una copia de otro pero con más masa, del electrón que giraba alrededor del núcleo y de los fantasmales neutrinos. Además, había varias fuerzas elementales: la electricidad, el magnetismo, la de color, la de la radioactividad y la de la gravedad. Las de la electricidad y el magnetismo habían sido unificadas por James C. Maxwell ya en el siglo XIX; es decir, Maxwell había demostrado que se trataba tan solo de distintas facetas de una misma fuerza: la electromagnética. Durante el último siglo, ese camino, el de la unificación, ha sido una constante en toda la física que estudia la estructura última de la naturaleza (Física Fundamental). En particular, los trabajos que llevaron a la Teoría Estándar y de los que aquí estamos hablando son un gran paso en esa dirección.

El gran logro de Weinberg, Glashow y Salam fue conseguir demostrar que la fuerza electromagnética y la fuerza que producía la radioactividad eran también facetas de una sola fuerza: la electro-débil. Débil viene de la escasa magnitud de la fuerza que produce la radioactividad frente a la electromagnética. Esta unificación de fuerzas es uno de los momentos más importantes de la Física y una de las producciones más bellas de la Ciencia.

Antes de seguir, hay que señalar que a lo largo del siglo XX un grupo de físicos extraordinarios, Born, Pauli, Heisenberg, Dirac, Fermi, Schrödinger, de Broglie, Gerardus "t Hooft (todos ellos Premios Nobel de Física) y otros que omito u olvido habían creado la Física Cuántica de Campos a partir de los trabajos seminales de dos de los más grandes científicos de todos los tiempos: Max Planck y Albert Einstein. Esta teoría postula que existe un tipo de partículas especiales que portan a las fuerzas elementales. Por ejemplo, la partícula que porta la fuerza electromagnética es el fotón: cuando un cuerpo cargado con carga positiva se atrae con uno de carga negativa es porque están intercambiando fotones que llevan esa fuerza atractiva.

Los creadores de la Teoría Estándar supieron ver que podían utilizar este mecanismo junto otro conocido como la ruptura espontánea de simetría para conseguir la unificación de la fuerza electro-débil.

El mecanismo de ruptura espontánea de simetría había sido ideado años antes por Yoichiro Nambú, trabajo por el que ha compartido el Premio Nobel de Física de este año. Recientemente intenté explicar, con el ejemplo del asno de Buridán, qué era la ruptura espontánea de simetría. (Por cierto, me equivoqué al decir que Buridán era teólogo; sirva esto como ejemplo de los peligros de usar la Wikipedia y como agradecimiento a la filosofa especialista en Historia de la Ciencia Paloma Pérez-Ilzarbe que me avisó del error). Hoy voy a intentar otra explicación: partamos de una ruleta. Como tal, es una estructura simétrica en el sentido de que por más que la hagamos girar siempre tiene el mismo aspecto. Ahora la hacemos girar y lanzamos con fuerza la bola de la ruleta, que gira también. Si nos fijamos, sigue habiendo simetría: la bola va pasando por todos los números de la ruleta. Pero va perdiendo energía y termina parándose en un número (nunca en el que apostamos nosotros, pero eso lo explica otra teoría, el principio de Murphy: si algo puede ir mal, irá mal). En el momento en que se detiene, se rompe la simetría: ya no son todos los números iguales (pues uno tiene la bola y los otros no). La simetría profunda sigue allí; de hecho, si hiciéramos girar de nuevo la bola (si le diéramos energía), se recuperaría; pero ahora, dicha simetría se ha roto.

Otro físico, Peter Higgs, había propuesto un mecanismo de ruptura espontánea de simetría que tenía la gran ventaja de aportar masa a las partículas elementales. La explicación técnica es complicada pero hay una muy bonita del físico David Miller que me voy a permitir traducir con ejemplos de casa. Supongamos que hay una convención de cuadros del PSOE. La sala está llena de militantes del partido ansiosos por saludar a sus líderes: ésos son el llamado campo Higgs que ocupa todo el espacio. De pronto, aparece el subdelegado del Gobierno en la isla de La Palma (y amigo mío, espero que me perdone que lo utilice aquí) que, prácticamente desconocido, atraviesa la sala sin modificar su velocidad y sin que nadie se le acerque. Ahora viene un presidente de comunidad autónoma, por ejemplo Marcelino Iglesias, y varias personas se acercan a hablar con él, le hacen detenerse, para avanzar tiene que gastar energía sólo para que otras personas se le vuelvan a acercar. Mientras avanza las personas que están a su alrededor son distintas pero siempre hay un número similar. Por último aparece Rodríguez Zapatero, pasa lo mismo que con Marcelino Iglesias pero con mayor magnitud, más personas a su alrededor, más gasto de energía para avanzar, etc.

El primer caso es una partícula que no interacciona con el campo Higgs, no obtiene masa al romperse la simetría y se mueve a la velocidad de la luz (de hecho tiene que moverse a esa velocidad); los otros dos casos son partículas que interaccionan con distinta fuerza con el campo Higgs obteniendo una más masa que otra y necesitando, por tanto, más energía para moverse.

El mecanismo Higgs de ruptura espontánea de simetría fue utilizado por Weinberg, Glashow y Salam para demostrar que la fuerza electromagnética y la fuerza débil (la que produce la radioactividad) son facetas de la misma fuerza, que se muestran como fuerzas totalmente diferentes cuando su simetría se rompe espontáneamente al enfriarse el Universo, después del Big Bang -de la misma forma que la simetría se rompe al pararse la bola de la ruleta-. Con este mecanismo se predice que la partícula portadora de la fuerza electromagnética, el fotón, no tiene masa y se mueve a la velocidad de la luz (lo que ya se sabía) y que la fuerza débil está portada por tres partículas (una con carga eléctrica positiva, una con carga eléctrica negativa y otra neutra) que adquieren masa al romperse la simetría, pues éstas sí que interaccionan con el campo Higgs. La masa que adquieren sirve también para explicar el pequeño rango en que se hace notar la fuerza débil. Además, este mecanismo sirve para dar masa a otras partículas como los quarks y el electrón. La economía de medios y la elegancia matemática es difícilmente superable.

La potencia de esta teoría es de tal calibre que, de hecho, le bastaba con dos de los quarks de Gell-Mann y del electrón y el neutrino para explicar toda la materia que vemos en el Universo. La existencia de un tercer quark -como ya se dijo, copia con más masa de uno de los otros dos- hizo que se predijera un cuarto quark, copia del otro y también con más masa. Además, se tenía constancia de una partícula (la tau) igual que el electrón pero con más masa. Así, las partículas elementales se podían ver encuadradas en dos grupos (llamados generaciones) de los que el segundo es una copia gorda del primero. El físico italiano Nicola Cabibbo propuso un método de mezcla de estas generaciones de forma que la más pesada se descomponía en la más ligera. Posteriormente, Makoto Kobayashi y Toshihide Mashkawa demostraron que si en vez de dos generaciones hubiera al menos tres y se mezclaran como había previsto Cabibbo, esta mezcla podría ser la base de una explicación de por qué el Universo está formado por materia sin rastro de antimateria. Por estos trabajos Kobayashi y Mashkawa han recibido este año el Premio Nobel de Física (junto con Yoichiro Bambú, del que ya hemos hablado). Somos muchos los que no entendemos el olvido de Nicola Cabibbo en este premio.

Todas estas predicciones se han ido mostrando correctas a lo largo de los años. En concreto, las partículas portadoras de la fuerza débil se descubrieron en 1983 en el acelerador de partículas del laboratorio europeo CERN, lo que al año siguiente le valió el Premio Nobel de Física a Carlo Rubbia y Simon van der Merr. También se descubrieron las partículas que forman el resto de la segunda generación y la tercera (más pesada que la segunda), predichas por Kobayashi y Mashkawa. La última en descubrirse fue el quark top, en 1995, en el laboratorio estadounidense Fermilab. Los éxitos de la teoría Estándar en los últimos treinta años son impresionantes.

Sin embargo, queda una partícula por encontrar. El mecanismo Higgs predice que hay una nueva partícula, llamada Higgs, muy pesada, tanto que con las máquinas que tenemos ahora a nuestra disposición no es posible crearla, no hay suficiente energía. Pero en Europa, donde estaba el acelerador del CERN, cerca de Ginebra, se ha construido -y esperamos que esté pronto en funcionamiento- el gran colisionador de hadrones (LHC), una máquina mucho más potente que debería poder producir partículas Higgs. Si esto sucede, no es nada arriesgado decir que habrá otro merecido Premio Nobel relacionado con la Teoría Estándar: para Peter Higgs y los descubridores de dicha partícula. Pero si no aparece, las perspectivas de la necesaria modificación de la teoría son también apasionantes.

Con todo, sabemos que la Teoría Estándar no es la teoría final. Por un lado, hay predicciones de la citada teoría como, por ejemplo, la velocidad de expansión del Universo, que son claramente erróneas. Además, dentro del movimiento de unificación de todas las fuerzas se han quedado fuera la del color (que une los quarks) y la de la gravedad. Esta última, explicada de la forma más bella posible como geometría del espacio-tiempo por Albert Einstein, se resiste a ser tratada con los mismos métodos que las otras fuerzas. Hay propuestas esperanzadoras pero que adolecen, en mi opinión, de la suficiente base empírica: necesitamos más datos sobre lo que ocurre cuando hay en juego mucha más energía que la que ahora podemos producir. Puede que el LHC nos empiece a dar esos datos: quizás esto no ha hecho más que empezar.

Les ruego, a los que han llegado hasta aquí, que perdonen por la extensión de este artículo. Aparte de glosar la importancia de las teorías de Sheldon Lee Glasgow, he querido mostrarles un ejemplo de algo que suele decir otro gran físico (navarro y el último que va a aparecer aquí), Pedro Miguel Etxenike: la ciencia es la mayor obra de arte colectiva de la Humanidad. Lo pueden comprobar por la cantidad de grandes físicos que han ido desfilando por este escrito (y me he dejado a muchos más). Si admiten que la Ciencia es también arte, y yo al menos así lo hago, podemos decir que esta semana hemos tenido en Pamplona a uno de sus más importantes artistas vivos. Alegrémonos por ello.


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