El universo elegante (25 page)

El éxito de la electrodinámica cuántica animó a otros físicos durante las décadas de 1960 y 1970 a intentar un planteamiento análogo para desarrollar dentro de la mecánica cuántica un modo de entender las fuerzas nuclear débil, nuclear fuerte y gravitatoria. Por lo que respecta a las fuerzas nuclear débil y nuclear fuerte, esta línea de ataque resultó ser inmensamente fructífera. En una analogía con la electrodinámica cuántica, los físicos consiguieron construir teorías cuánticas de campos para las fuerzas nuclear débil y nuclear fuerte, llamando a estas teorías
cromodinámica cuántica
y
teoría cuántica electrodébil
. La «cromodinámica cuántica» es un nombre sin significado profundo, aunque más llamativo que «dinámica cuántica de la interacción nuclear fuerte»; que sin embargo resultaría más lógico; por otra parte, el término «electrodébil» resume un importante logro en el camino de comprender las fuerzas de la naturaleza.

En el trabajo por el que se les concedió el premio Nobel, Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg demostraron que las fuerzas nuclear débil y electromagnética están
unidas
de forma natural por la descripción teórica cuántica de sus campos, aunque sus manifestaciones sean en apariencia completamente distintas en nuestro entorno inmediato. Después de todo, los campos de la fuerza nuclear débil disminuyen hasta tener una intensidad casi nula en todas las escalas, excepto en las de distancias subatómicas mientras que los campos electromagnéticos —la luz visible, las señales de radio y televisión, los rayos X— tienen una presencia macroscópica indiscutible. No obstante, Glashow, Salam y Weinberg demostraron, en esencia, que a una energías y temperaturas lo suficientemente altas —como sucedió una fracción de segundo después del
big bang
— los campos de las fuerzas nuclear débil y electromagnética
se disuelven
los unos en los otros, adoptan características indistinguibles, y su nombre más preciso es el de campos
electrodébiles
. Cuando la temperatura desciende, como ha estado sucediendo continuamente desde el
big bang
, las fuerza electromagnética y nuclear débil
cristalizan
en un modo diferente de la forma común que adoptan a altas temperaturas —a través de un proceso conocido como
ruptura de la simetría
, que describiremos más adelante— y por consiguiente parecen ser distintas en el frío universo en que actualmente habitamos.

Por lo tanto, si está llevando la cuenta, para la década de 1970 los físicos ya habían desarrollado en el marco de la mecánica cuántica una descripción coherente y muy bien aceptada de tres de las cuatro fuerzas (la nuclear fuerte, la nuclear débil y la electromagnética) y habían demostrado que dos de ellas (la nuclear débil y la electromagnética) comparten en realidad un origen común (la fuerza electrodébil). Durante las dos últimas décadas, los físicos han sometido este tratamiento en el marco de la mecánica cuántica de las tres fuerzas no gravitatorias —con respecto a las interacciones mutuas y con las partículas de materia que presentamos en el capítulo 1— a una enorme cantidad de pruebas experimentales. La teoría ha satisfecho con aplomo todos estos desafíos. Una vez que los físicos experimentales han medido alrededor de 19 parámetros (las masas de las partículas que figuran en la Tabla 1.1, sus cargas de fuerza que se reflejan en la tabla que aparece en la nota final número 1 relativa al capítulo 1, las intensidades de las tres fuerzas no gravitatorias que aparecen en la Tabla 1.2, así como algunos otros parámetros que no necesitamos mencionar aquí), y los teóricos han incluido estos números en las teorías cuánticas de campos relativas a las partículas de materia y a las fuerzas nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética, las predicciones subsiguientes de la teoría que se refiere al microcosmos concuerdan espectacularmente con los resultados experimentales. Esto es aplicable en todo orden, incluso llegando a energías capaces de pulverizar la materia en fragmentos tan pequeños como una trillonésima de metro, que es el límite tecnológico actual. Por esta razón, los físicos se refieren a la teoría de las tres fuerzas no gravitatorias y las tres familias de partículas de materia denominándola teoría estándar, o (más frecuentemente)
modelo estándar
de la física de partículas.

Según el modelo estándar, al igual que el fotón es el constituyente mínimo de un campo electromagnético, los campos de las fuerzas nuclear fuerte y nuclear débil poseen también constituyentes mínimos. Como ya mencionamos brevemente en el capítulo 1, los paquetes mínimos de la fuerza nuclear fuerte se llaman
gluones
, y los de la fuerza nuclear débil reciben el nombre de
bosones gauge débiles
(o, más concretamente, los bosones W y Z). El modelo estándar nos orienta a pensar que estas partículas de fuerza no tienen estructura interna; en este marco son, en todos los sentidos, tan elementales como las partículas de las tres familias de partículas materiales.

Los fotones, los gluones y los bosones gauge débiles, proporcionan el mecanismo microscópico necesario para transmitir las fuerzas de las cuales son constituyentes. Por ejemplo, cuando una partícula cargada eléctricamente repele a otra de la misma carga eléctrica, se puede pensar más o menos que cada partícula está rodeada por un campo eléctrico —una «nube» o «niebla» de «esencia eléctrica»— y la fuerza que cada partícula experimenta surge de la repulsión entre sus respectivos campos de fuerza. Sin embargo, la descripción microscópica más precisa del modo en que se repelen una a otra es algo diferente. Un campo electromagnético está formado por un enjambre de fotones; la interacción entre dos partículas cargadas surge en realidad del hecho de que dichas partículas se «disparan» fotones entre ellas mismas, lanzándolos y devolviéndolos. En una analogía aproximada al modo en que puede usted perturbar el movimiento de alguien que patina sobre hielo con usted, y el de usted mismo, lanzándole una andanada de bolas de bowling, también dos partículas cargadas eléctricamente ejercen influencia la una en la otra intercambiando esos pequeños paquetes de luz.

Un fallo importante de la analogía del patinaje sobre hielo es que el intercambio de bolas siempre es «de repulsión»: aleja a los patinadores uno del otro. Por el contrario, dos partículas dotadas de cargas opuestas interaccionan también a través del intercambio de fotones, aunque la fuerza electromagnética resultante es una fuerza de atracción. Es como si el fotón no fuera en sí mismo el transmisor de la fuerza, sino más bien el transmisor de un
mensaje
que dice cómo debe responder el receptor a la fuerza en cuestión. En el caso de las partículas que tienen cargas iguales, el fotón es portador de un mensaje que dice «Apártate», mientras que, si las partículas tienen cargas opuestas, lleva el mensaje que dice «Acércate». Por esta razón, el fotón se denomina a veces
partícula mensajera
de la fuerza electromagnética. De un modo similar, los gluones y los bosones gauge débiles son las partículas mensajeras de las fuerzas nucleares fuerte y débil, respectivamente. La fuerza nuclear fuerte, que mantiene a los quarks unidos dentro de los protones y los neutrones, surge de quarks que intercambian gluones. Los gluones, (del inglés «glue» que significa cola o engrudo) proporcionan el «pegamento» que mantiene a las partículas sub-atómicas unidas. La fuerza nuclear débil, que es responsable de ciertos tipos de transmutaciones de partículas en la desintegración radiactiva, tiene como mediadores a los bosones gauge débiles.

Ya habrá notado el lector que la fuerza de la gravedad es la excepción en nuestra discusión sobre la teoría cuántica de las fuerzas de la naturaleza. Dado el éxito del planteamiento que han utilizado los físicos para las otras tres fuerzas, se podría sugerir a los físicos que buscaran una teoría cuántica de campos aplicable a la fuerza gravitatoria —una teoría en la cual el paquete mínimo del campo de la fuerza gravitatoria, el
gravitón
, sería la partícula mensajera correspondiente al campo gravitatorio—. A primera vista, tal como la percibimos ahora, esta sugerencia parecería ser especialmente adecuada porque la teoría cuántica de campos, aplicada a las tres fuerzas no gravitatorias, pone de manifiesto que existe una similitud sumamente seductora entre dichas fuerzas y un aspecto de la fuerza gravitatoria que tratábamos en el capítulo 3.

Recuérdese que la fuerza gravitatoria nos permite afirmar que todos los observadores —independientemente de su estado de movimiento— están en pie de igualdad absoluta. Incluso aquellos de los que pensaríamos normalmente que experimentan una aceleración pueden proclamar que se encuentran en reposo, ya que pueden atribuir la fuerza que experimentan al hecho de estar inmersos en un campo gravitatorio. En este sentido, la gravedad refuerza la simetría: garantiza que todos los puntos de vista de los observadores, todos los marcos de referencia posibles, tienen igual validez. La similitud con las fuerzas nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnética es que éstas también están todas ellas conectadas necesariamente con simetrías, aunque éstas sean significativamente más abstractas que la simetría asociada a la gravedad.

Para hacemos una idea aproximada de estos principios de simetría más bien sutiles, veamos un ejemplo importante. Como hemos indicado en la tabla de la nota final 1 del capítulo 1, cada quark se presenta en tres «colores» (llamados fantasiosamente rojo, verde y azul, aunque se trata de meras etiquetas que no tienen relación con el color en el sentido visual corriente), que determinan cómo responde ese quark a la fuerza nuclear fuerte, casi del mismo modo que su carga eléctrica determina cómo responde a la fuerza electromagnética. Todos los datos que se han recogido establecen que existe una simetría entre los quarks en el sentido de que las interacciones entre dos quarks del mismo color (rojo con rojo, verde con verde, o azul con azul) son todas idénticas y, de un modo similar, las interacciones entre dos quarks de diferente color (rojo con verde, verde con azul, o azul con rojo) son también idénticas. De hecho, los datos apoyan algo aún más impactante. Si los tres colores —las tres cargas fuertes diferentes— que un quark puede llevar se cambiasen todos ellos de una manera determinada (hablando simbólicamente, en nuestro lenguaje cromático imaginario, si el rojo, el verde y el azul se cambiasen a amarillo, índigo y violeta) e incluso si los detalles de este cambio variaran de un momento a otro, o de un lugar a otro; las interacciones entre los quarks permanecerían, una vez más, absolutamente invariables. Por esta razón, del mismo modo que decimos que una esfera constituye un ejemplo de simetría rotatoria porque tiene el mismo aspecto independientemente de cómo la hagamos rotar en nuestras manos o de cómo cambiemos el ángulo desde el que la vemos, también podemos decir que el universo constituye un ejemplo de
simetría de la fuerza nuclear fuerte
: la física permanece invariable —es completamente indiferente— ante estos cambios de carga y fuerza. Por razones históricas, los físicos dicen también que la simetría de la fuerza nuclear fuerte es un ejemplo de
simetría gauge
.
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Ésta es la cuestión esencial. Al igual que, en la relatividad general, la simetría entre todos los posibles puntos ventajosos de observación requiere la existencia de la fuerza gravitatoria, los trabajos basados en la obra desarrollada por Hermann Weyl en la década de
1920
y por Chen-Ning Yang y Robert Mills en la década de
1950
demostraron que las simetrías gauge requieren la existencia de otras fuerzas. De un modo muy parecido a un sistema sensible de control medioambiental que, en una zona determinada, mantiene la temperatura, la presión atmosférica y la humedad totalmente constantes, compensando perfectamente cualquier influencia exterior, ciertos tipos de campos de fuerzas, según Yang y Mills, proporcionarán una compensación perfecta de los cambios en las cargas de fuerza, manteniendo así completamente invariables las interacciones físicas entre partículas. En el caso de la simetría gauge asociada a las cargas cambiantes según el color de los quarks, la fuerza requerida no es otra que la propia fuerza nuclear fuerte. Es decir, sin la fuerza nuclear fuerte, la física cambiaría según los tipos de cambios de las cargas correspondientes a los diferentes colores mencionadas anteriormente. Esta constatación muestra que, aunque la fuerza gravitatoria y la fuerza nuclear fuerte tienen propiedades muy diferentes (recordemos, por ejemplo, que la gravedad es mucho más débil que la fuerza nuclear fuerte y actúa a distancias enormemente mayores), poseen un cierto patrimonio similar: cada una de ellas es necesaria para que el universo abarque simetrías especiales. Además, una discusión similar se podría aplicar a las fuerzas nuclear débil y electromagnética, demostrando que también su existencia está ligada a otras simetrías gauge. Por consiguiente, las cuatro fuerzas están asociadas directamente con principios de simetría.

Esta característica común de las cuatro fuerzas parecería ser de buen agüero para la sugerencia planteada al principio de esta sección. A saber, en nuestro esfuerzo por incorporar la mecánica cuántica a la relatividad general tendríamos que buscar una teoría cuántica de campos para la fuerza gravitatoria, de un modo parecido a lo que han hecho los físicos descubriendo unas teorías cuánticas de campos muy acertadas para las otras tres fuerzas. A lo largo de los años, este razonamiento ha inspirado a un prodigioso y distinguido grupo de físicos la idea de seguir este camino animosamente, pero el terreno ha resultado estar sembrado de peligros y ninguno ha logrado recorrerlo completamente. Veamos por qué.

El ámbito habitual en el que es aplicable la relatividad general se encuentra a escala de las grandes distancias astronómicas. Con tales distancias, según la teoría de Einstein, la ausencia de masa significa que el espacio es plano, como se reflejaba en la Figura 3.3. Si queremos unificar la relatividad general y la mecánica cuántica, debemos cambiar radicalmente nuestro enfoque y examinar las propiedades
microscópicas
del espacio. Esto se ilustra en la Figura 5.1, enfocando en primer plano y ampliando secuencialmente unas regiones cada vez más pequeñas de la estructura espacial.