Física de lo imposible (44 page)

Cuando se discute la teoría de Maxwell, el escenario se hace mucho más complicado. Cuando resolvemos las ecuaciones de Maxwell para la luz no encontramos una, sino dos soluciones: una onda «retardada», que representa el movimiento estándar de la luz de un punto a otro; y también una onda «adelantada», donde el haz luminoso va hacia atrás en el tiempo. Esta solución adelantada ¡viene del futuro y llega al pasado!

Durante cien años, cuando los ingenieros han encontrado esta solución «adelantada» que va hacia atrás en el tiempo, simplemente la han descartado como una curiosidad matemática. Puesto que las ondas retardadas predecían de forma tan exacta el comportamiento de la radio, las microondas, la televisión, el radar y los rayos X, ellos simplemente arrojaron la solución adelantada por la ventana. Las ondas retardadas eran tan espectacularmente bellas y acertadas que los ingenieros se limitaron a ignorar la gemela fea. ¿Por qué empañar el éxito?

Pero para los físicos, la onda adelantada fue un problema constante durante el siglo pasado. Puesto que las ecuaciones de Maxwell son uno de los pilares de la era moderna, cualquier solución de estas ecuaciones tiene que ser tomada muy en serio, incluso si entraña aceptar ondas que vienen del futuro. Parecía que era imposible ignorar totalmente las ondas adelantadas. ¿Por qué la naturaleza, en su nivel más fundamental, iba a darnos una solución tan extraña? ¿Era esto una broma cruel, o había un significado más profundo?

Los místicos empezaron a interesarse por estas ondas adelantadas, y especularon con que aparecerían como mensajes del futuro. Quizá si pudiéramos dominar de alguna manera estas ondas, podríamos enviar mensajes al pasado, y con ello alertar a las generaciones precedentes de lo que les iba a acaecer. Por ejemplo, podríamos enviar un mensaje a nuestros abuelos en el año 1929 advirtiéndoles para que vendieran todas sus acciones antes del Gran Crash. Tales ondas adelantadas no nos permitirían visitar el pasado personalmente, como en el viaje en el tiempo, pero nos permitirían enviar cartas y mensajes al pasado para alertar a la gente sobre sucesos clave que todavía no habrían ocurrido.

Estas ondas adelantadas eran un misterio hasta que fueron estudiadas por Richard Feynman, que estaba intrigado por la idea de ir hacia atrás en el tiempo. Después de trabajar en el Proyecto Manhattan, que construyó la primera bomba atómica, Feynman dejó Los Alamos y fue a la Universidad de Princeton para trabajar con John Wheeler. Mientras analizaba el trabajo original de Dirac sobre el electrón, Feynman encontró algo muy extraño. Si invertía la dirección del tiempo en la ecuación de Dirac, e invertía también la carga del electrón, la ecuación permanecía igual. En otras palabras, ¡un electrón que fuera hacia atrás en el tiempo era lo mismo que un antielectrón que fuera hacia delante en el tiempo! Normalmente, un físico veterano descartaría esta interpretación, calificándola de simple truco, algo matemático sacado de la manga pero carente de significado. Ir hacia atrás en el tiempo parecía no tener sentido, pero las ecuaciones de Dirac eran claras en este punto. En otras palabras, Feynman había encontrado la razón de que la naturaleza permitiera estas soluciones hacia atrás en el tiempo: ellas representaban el movimiento de la antimateria. Si hubiera sido un físico más viejo, Feynman podría haber arrojado esta solución por la ventana, pero al ser un estudiante licenciado, decidió seguir su curiosidad.

Cuando siguió profundizando en este enigma, el joven Feynman advirtió algo aún más extraño. Lo normal es que si un electrón y un antielectrón colisionan, se aniquilan mutuamente y crean un rayo gamma. El lo dibujó en una hoja de papel: dos objetos chocan y se convierten en una ráfaga de energía.

Pero entonces, si se invertía la carga del antielectrón, este se convertía en un electrón ordinario que iba hacia atrás en el tiempo. Ahora se podía reescribir el mismo diagrama con la flecha del tiempo invertida. Era como si el electrón fuera hacia delante en el tiempo y repentinamente decidiera invertir la dirección. El electrón hacía un giro en U en el tiempo y retrocedía en el tiempo, liberando en el proceso una ráfaga de energía. En otras palabras, es el
mismo
electrón. ¡El proceso de aniquilación electrón-antielectrón era simplemente un mismo electrón que decidía volver atrás en el tiempo!

Así, Feynman reveló el verdadero secreto de la antimateria:
es tan solo materia ordinaria que va hacia atrás en el tiempo
. Esta sencilla observación explicaba el enigma de que todas las partículas tienen antipartículas compañeras: es porque todas las partículas pueden viajar hacia atrás en el tiempo, y así enmascararse como antimateria. (Esta interpretación es equivalente al «mar de Dirac» antes mencionado, pero es más sencilla, y es la explicación actualmente aceptada).

Supongamos que tenemos una masa de antimateria que colisiona con materia ordinaria, lo que produce una enorme explosión. Existen ahora billones de electrones y billones de antielectrones que se aniquilan. Pero si invirtiéramos la dirección de la flecha para el antielectrón, convirtiéndolo en un electrón que va hacia atrás en el tiempo, esto significaría que el mismo electrón iba zigzagueando hacia atrás y hacia delante billones de veces.

Había otro curioso resultado: debe haber solo un electrón en la masa de materia. El mismo electrón zigzagueando en el tiempo atrás y adelante. Cada vez que hacía un giro U en el tiempo, se convertía en antimateria. Pero si hacía otro giro en U en el tiempo se convertía en otro electrón.

(Con su director de tesis, John Wheeler, Feynman especuló con que quizá el universo entero consistía en solo un electrón, zigzagueando atrás y adelante en el tiempo. Imaginemos que del caos del big bang original solo salió un electrón. Billones de años después, este único electrón encontraría finalmente el cataclismo del Día del Juicio Final, donde haría un giro en U y retrocedería en el tiempo, liberando un rayo gamma en el proceso. Volvería atrás hasta el big bang original, y entonces haría otro giro en U. El electrón repetiría entonces viajes en zigzag hacia atrás y hacia delante, desde el big bang al Día del Juicio Final. Nuestro universo en el siglo XXI es solo un corte en el tiempo de este viaje del electrón, en el que vemos billones de electrones y antielectrones, es decir, el universo visible. Por extraña que esta teoría pueda parecer, explicaría un hecho curioso de la teoría cuántica: por qué todos los electrones son iguales. En física no se pueden etiquetar los electrones. No hay electrones verdes o electrones Juanito. Los electrones no tienen individualidad. No se puede «marcar» un electrón, como los científicos marcan a veces a los animales salvajes para estudiarlos. Quizá la razón es que el universo entero consiste en el mismo electrón, solo que rebotando atrás y adelante en el tiempo).

Pero si la antimateria es materia ordinaria que va hacia atrás en el tiempo ¿es posible enviar un mensaje al pasado? ¿Es posible enviar el
Wall Street Journal
de hoy al pasado para que uno pueda hacer una buena operación en la Bolsa?

La respuesta es no.

Si tratamos la antimateria como tan solo otra forma exótica de materia y entonces hacemos un experimento con antimateria, no hay violaciones de causalidad. Causa y efecto siguen siendo iguales. Si ahora invertimos la flecha del tiempo para el antielectrón, y lo enviamos hacia atrás en el tiempo, solo hemos realizado una operación matemática. La física sigue siendo la misma. Nada ha cambiado físicamente. Todos los resultados experimentales siguen siendo los mismos. Por eso es absolutamente válido ver el electrón yendo hacia atrás y hacia delante en el tiempo. Pero cada vez que el electrón va hacia atrás en el tiempo, simplemente satisface el pasado. Por ello parece como si las soluciones adelantadas procedentes del futuro fueran realmente necesarias para tener una teoría cuántica consistente, pero no violan la causalidad. (De hecho, sin estas extrañas ondas adelantadas la causalidad se violaría en la teoría cuántica. Feynman demostró que si sumamos la contribución de las ondas adelantadas y retardadas, encontramos que los términos que podrían violar la causalidad se cancelan exactamente. Así pues, la antimateria es esencial para preservar la causalidad. Sin antimateria, la causalidad podría venirse abajo).

Feynman desarrolló el germen de esta idea descabellada hasta que finalmente cristalizó en una completa teoría cuántica del electrón. Su creación, la electrodinámica cuántica (QED), ha sido verificada experimentalmente hasta una precisión de una parte en 10.000 millones, lo que la hace una de las teorías más precisas de todos los tiempos. Le valió a él y a sus colegas Julián Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga el premio Nobel en 1965.

(En el discurso de aceptación del premio Nobel, Feynman dijo que cuando era joven se había enamorado impulsivamente de estas ondas adelantadas procedentes del futuro, como quien se enamora de una hermosa joven. Hoy esa hermosa joven se ha convertido en una mujer adulta que es la madre de muchos niños. Uno de estos niños es su teoría de la electrodinámica cuántica).

Además de ondas adelantadas procedentes del futuro (que han demostrado su utilidad una y otra vez en la teoría cuántica) hay aún otro concepto extraño de la teoría cuántica que parece igual de descabellado, aunque quizá no tan útil. Se trata de la idea de los «taquiones», que aparecen regularmente en
Star Trek
. Cada vez que los guionistas de
Star Trek
necesitan algún nuevo tipo de energía para realizar una operación mágica, acuden a los taquiones.

Los taquiones viven en un mundo extraño donde todo viaja más rápido que la luz. Cuando los taquiones pierden energía, viajan más rápidos, lo que viola el sentido común. De hecho, si pierden toda su energía viajan a velocidad infinita. Sin embargo, cuando los taquiones ganan energía se frenan hasta que alcanzan la velocidad de la luz.

Lo que hace tan extraños a los taquiones es que tienen masa imaginaria. (Por «imaginaria» entendemos que su masa se ha multiplicado por la raíz cuadrada de menos uno, o «i»). Si simplemente tomamos las famosas ecuaciones de Einstein y sustituimos «m» por «im», sucede algo maravilloso. De repente, todas las partículas viajan más rápidas que la luz.

Este resultado da lugar a extrañas situaciones. Si un taquión atraviesa la materia, pierde energía porque colisiona con átomos. Pero cuando pierde energía se acelera, lo que aumenta sus colisiones con los átomos. Estas colisiones deberían hacer que pierda más energía y con ello se acelere todavía más. Puesto que esto crea un círculo vicioso, el taquión alcanza de manera natural una velocidad infinita por sí solo.

(Los taquiones son diferentes de la antimateria y la materia negativa. La antimateria tiene energía positiva, viaja a una velocidad menor que la de la luz y puede crearse en nuestros aceleradores de Pensemos en una presa que retiene al agua en un pantano. Esto representa el «falso vacío». Aunque la presa parece perfectamente estable, hay un estado de energía que está más bajo que la presa. Si se abre una grieta en la presa y el agua se filtra por ella hasta que se rompe, el sistema alcanza el verdadero vacío cuando el agua fluye hasta el nivel del mar.

Del mismo modo, se cree que el universo antes del big bang partió del falso vacío, en el que había taquiones. Pero la presencia de taquiones significaba que este no era el estado de mínima energía, y por ello el sistema era inestable. En el tejido del espacio-tiempo apareció un minúsculo «desgarrón» que representaba el verdadero vacío. Cuando el desgarrón se hizo más grande, surgió una burbuja. Fuera de la burbuja los taquiones siguen existiendo, pero en su interior han desaparecido todos los taquiones. Cuando la burbuja se expande encontramos el universo tal como lo conocemos, sin taquiones. Eso es el big bang.

Una teoría que toman muy en serio los cosmólogos es que un taquión, llamado el «inflatón», inició el proceso de inflación original. Como he mencionado antes, la teoría del universo inflacionario afirma que el universo empezó como una minúscula burbuja de espacio-tiempo que experimentó una fase inflacionaria turbocargada. Los físicos creen que el universo empezó originalmente en el estado de falso vacío, donde el campo inflatón era un taquión. Pero la presencia de un taquión desestabilizó el vacío y formó burbujas minúsculas. Dentro de una de estas burbujas el campo inflatón tomó el estado de verdadero vacío. Esta burbuja empezó entonces a inflarse rápidamente, hasta que se convirtió en nuestro universo. En el interior de nuestro universo-burbuja la inflación ha desaparecido, de modo que ya no puede detectarse en nuestro universo. Por ello los taquiones representan un estado cuántico extraño en el que los objetos van más rápidos que la luz y quizá incluso violan la causalidad. Pero ellos desaparecieron hace mucho tiempo, y quizá dieron lugar al propio universo.

Todo esto puede sonar como especulación ociosa que no es comprobable. Pero la teoría del falso vacío tendrá su primer test experimental, a partir de 2008, cuando se ponga en marcha el gran colisionador de hadrones en las afueras de Ginebra, Suiza. Uno de los objetivos clave del LHC es encontrar el «bosón de Higgs«, la última partícula en el modelo estándar, la única que está por encontrar. Es la última pieza de este rompecabezas. (La partícula de Higgs es tan importante pero tan escurridiza que el premio Nobel León Lederman la llamó «la partícula divina»).

Los físicos creen que el bosón de Higgs empezó originalmente como un taquión. En el falso vacío ninguna de las partículas subatómicas tenía masa. Pero su presencia desestabilizó el vacío, y el universo hizo una transición a un nuevo vacío en el que el bosón de Higgs se convirtió en una partícula ordinaria. Después de la transición de un taquión a una partícula ordinaria, las partículas subatómicas empezaron a tener las masas que medimos hoy en el laboratorio. Así pues, el descubrimiento del bosón de Higgs no solo completará la última pieza que falta en el modelo estándar, sino que también verificará que el estado taquiónico existió una vez pero se ha transformado en una partícula ordinaria.

En resumen, la precognición está descartada por la física newtoniana. La regla de hierro de causa y efecto nunca se viola. En la teoría cuántica son posibles nuevos estados de materia, tales como antimateria, que corresponden a materia que va hacia atrás en el tiempo, pero la causalidad no se viola. De hecho, en una teoría cuántica la antimateria es esencial para restaurar la causalidad. A primera vista los taquiones parecen violar la causalidad, pero los físicos creen que su verdadero propósito era desencadenar el big bang y por ello ya no son observables.