Los antiguos griegos suponían que la materia del universo estaba formada por diminutos componentes «indivisibles» que ellos llamaban átomos. Del mismo modo que el número de palabras posibles en un lenguaje alfabético está formado por el gran número de combinaciones de
una pequeña cantidad de letras, los griegos intuyeron que la amplia variedad de objetos materiales podría también resultar de combinaciones hechas mediante un pequeño número de bloques
elementales distintos. Fue una intuición presciente. Más de dos mil años después seguimos
creyendo que esto es cierto, aunque la identidad de las unidades más fundamentales ha sido sometida a numerosas revisiones.
En el siglo XIX, los científicos demostraron que muchas sustancias corrientes, como el oxígeno y el carbono, tenían un componente mínimo reconocible;
En el siglo XIX, los científicos demostraron que muchas sustancias corrientes, como el oxígeno y el carbono, tenían un componente mínimo reconocible;
siguiendo la tradición establecida por los griegos, lo llamaron átomo. El nombre permaneció,
aunque la historia ha demostrado que era un nombre inapropiado, ya que los átomos son ciertamente «divisibles».
A principios de la década de 1930, las obras colectivas de J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr y James Chadwick habían establecido la estructura del sistema solar como un modelo atómico que nos resulta conocido a la mayoría de nosotros. Lejos de ser el material constitutivo más elemental, los átomos están formados por un núcleo que contiene
protones y neutrones, rodeado por un enjambre de electrones que describen órbitas alrededor de él.
Durante cierto tiempo muchos físicos pensaron que los protones, los neutrones y los electrones eran los «átomos» griegos. Pero, en 1968, los científicos que realizaban experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center, valiéndose de una capacidad tecnológica cada vez mayor para comprobar las profundidades microscópicas de la materia, descubrieron que los protones y los neutrones no eran las partículas fundamentales. Demostraron que cada una de ellas estaba constituida por tres partículas menores, llamadas quarks -un nombre caprichoso que aparece en un pasaje de Finnegan’s Wake de James Joyce y que fue adoptado por el físico teórico Murray Gell-Mann, quien previamente había intuido su existencia-. Los científicos que realizaron los experimentos confirmaron que los propios quarks existen en dos variedades, llamados, un poco
menos creativamente, arriba up y abajo down. Un protón está formado por dos quarks arriba y un
quark abajo; un neutrón está formado por dos quarks abajo y un quark arriba.
Todo lo que vemos en la tierra y en el cielo resulta estar hecho de combinaciones de electrones,
quarks arriba y quarks abajo. Ninguna evidencia experimental indica que alguna de estas tres
partículas esté constituida por algo menor. Pero muchas pruebas indican que el propio universo
posee otras partículas adicionales. A mediados de la década de 1950, Frederick Reines y Clyde
Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de
partícula fundamental llamada neutrino, una partícula cuya existencia ya había predicho Wolfgang
Pauli a principios de la década de 1930. Los neutrinos resultaron ser muy difíciles de encontrar
porque son partículas fantasmas que rara vez interaccionan con otro tipo de materia: un neutrino
dotado de una energía media puede atravesar fácilmente muchos miles de billones de kilómetros de
plomo sin que en su movimiento se produzca el más leve efecto. Esto puede tranquilizarle, ya que,
mientras usted está leyendo esto, miles de millones de neutrinos lanzados al espacio por el Sol
están atravesando su cuerpo y también la Tierra, como parte de su largo viaje a través del cosmos.
A finales de la década de 1930, otra partícula llamada muón -idéntica a un electrón, salvo por ser
200 veces más pesada que éste- fue descubierta por unos físicos que estudiaban los rayos cósmicos
(lluvias de partículas que bombardean la Tierra desde el espacio exterior). Dado que no había nada
en el orden cósmico, ni tampoco un rompecabezas sin resolver, ni un nicho hecho a la medida que
necesitara la existencia del muón, el físico de partículas galardonado con el premio Nobel, Isidor
Isaac Rabi, saludó el descubrimiento del muón diciendo con muy poco entusiasmo «¿Quién había
pedido esto?». Sin embargo, ahí estaba. Y aún vendría más.
Utilizando una tecnología todavía más poderosa, los físicos han continuado juntando a golpes
trozos de materia con una energía cada vez mayor, recreando en cada instante unas condiciones que
no se habían dado desde el big bang. En los escombros resultantes han buscado nuevos
componentes fundamentales, para añadirlos a la lista, cada vez más larga, de partículas. He aquí lo
que han hallado: cuatro quarks más, llamados encanto (charm), extraño (strange), fondo (bottom) y cima (top), y un pariente aún más pesado del electrón, al que se ha denominado tau, así como otras
dos partículas con propiedades similares a las del neutrino, que se llaman muon-neutrino y tauneutrino, para distinguirlas del neutrino original, que actualmente se denomina electron-neutrino.
Estas partículas se producen como resultado de colisiones a altas energías y tienen una existencia
efímera; no son constituyentes que podamos percibir en nuestro entorno habitual. Sin embargo,
tampoco acaba aquí la historia: Cada una de estas partículas tiene como pareja una antipartícula, es
decir, una partícula de masa idéntica pero que es opuesta a ella en algunos otros aspectos, como,
por ejemplo, su carga eléctrica (así como sus cargas en relación con otras fuerzas de las que hablaremos más adelante). Por ejemplo, la antipartícula de un electrón se llama positrón, y tiene exactamente la misma masa que un electrón, pero su carga eléctrica es +1, mientras que la carga eléctrica del electrón es -1. Cuando se ponen en contacto, la materia y la antimateria pueden aniquilarse mutuamente para producir energía pura; ésta es la razón por la cual la existencia de la antimateria en el mundo que nos rodea es extremadamente poco natural.
Los físicos han observado entre estas partículas una pauta que se refleja en la Tabla 1.1. Las partículas que constituyen la materia se clasifican en tres grupos que, a menudo, se denominan familias.
Cada familia contiene dos quarks, un electrón o uno de sus parientes, y además una partícula de la especie de los neutrinos. El tipo de partícula correspondiente en las tres familias tiene propiedades idénticas, salvo en lo relativo a su masa, que se hace mayor a medida que pasamos de una familia a la siguiente. El resultado es que los físicos han comprobado ya la estructura de la materia hasta escalas de alrededor de una trillonésima de metro y han demostrado que todo lo que se ha encontrado hasta ahora -tanto si se encuentra en la naturaleza, como si se produce artificialmente en gigantescos aceleradores de partículas atómicas- consiste en una cierta combinación de partículas de estas tres familias y de sus parejas de antimateria.
Si echamos un vistazo a la Tabla 1.1, nos quedaremos, sin duda, con una fuerte sensación de perplejidad similar a la de Rabi cuando se descubrió el muón. El agrupamiento en familias produce al menos la impresión de algo ordenado, pero surgen
innumerables preguntas que empiezan por
¿Por qué ... ?. ¿Por qué existen tantas partículas fundamentales, cuando parece que la gran mayoría
de las cosas que se encuentran en el mundo que nos rodea sólo necesitan electrones, quarks arriba y
quarks abajo? ¿Por qué hay tres familias? ¿Por qué no una familia o cuatro familias, o cualquier
otro número? ¿Por qué tienen las partículas una variedad de masas aparentemente aleatoria? ¿Por
qué, por ejemplo, el tau pesa alrededor de 3.520 veces lo que pesa un electrón? ¿Por qué el quark
cima pesa cerca de 40.200 veces el peso de un quark arriba? Son unos números extraños, aparentemente aleatorios. ¿Son así por azar, por algún designio divino, o existe una explicación científica comprensible para estas características fundamentales de nuestro universo?
Las fuerzas o ¿dónde está el fotón?
Cuando tenemos en cuenta las fuerzas que actúan en la naturaleza, lo único que conseguimos es
complicar las cosas aún más. El mundo que nos rodea está lleno de medios de ejercer influencia:
las pelotas se pueden golpear mediante raquetas o palas, los aficionados al bungee se pueden lanzar
hacia el suelo desde elevadas plataformas, los imanes pueden mantener a los trenes de alta
velocidad sobre carriles metálicos, los contadores Geiger pueden sonar como respuesta a la
presencia de material radiactivo, las bombas termonucleares pueden explotar. Se puede actuar
sobre los objetos empujándolos, tirando de ellos o agitándolos vigorosamente; también lanzando o
disparando otros objetos contra ellos; estirándolos, retorciéndolos o aplastándolos; congelándolos,
calentándolos o quemándolos. Durante los últimos cien años, los físicos han acumulado un número
de pruebas cada vez mayor de que todas estas interacciones entre objetos o materiales distintos, así
como cualquiera de las interacciones que por millones y millones se observan a diario, se pueden
reducir a combinaciones de cuatro fuerzas fundamentales. Una de éstas es la fuerza de la gravedad.
Las otras tres son la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
La fuerza de la gravedad es, de las tres, la que nos resulta más familiar. Es la responsable de
que nos mantengamos en órbita alrededor del Sol, y también de que nuestros pies permanezcan
firmemente plantados sobre el suelo. La masa de un objeto determina la medida de cuánta fuerza de
la gravedad puede ejercer o soportar dicho objeto. A continuación, la más familiar para nosotros es
la fuerza electromagnética. Es la fuerza que hace funcionar todas las comodidades de la vida
moderna -iluminación, ordenadores, televisores, teléfonos- y subyace al poder terrorífico de las
tormentas con aparato eléctrico y al suave tacto de una mano humana. Microscópicamente, la carga
eléctrica de una partícula desempeña la misma función en relación con la fuerza electromagnética
que la que desempeña la masa en relación con la gravedad: determina la fuerza electromagnética
que puede ejercer una partícula o la fuerza con que puede responder electromagnéticamente esa
partícula.
Las fuerzas denominadas, respectivamente, nuclear fuerte y nuclear débil nos resultan menos
familiares, porque su magnitud disminuye rápidamente a escalas de distancias casi subatómicas;
son las fuerzas nucleares. Ésta es también la razón por la que se descubrieron mucho más
recientemente que las otras dos fuerzas. La fuerza nuclear fuerte es la responsable de que los
quarks se mantengan «pegados» unos a otros dentro de los protones y los neutrones, y de que los
propios protones y neutrones estén estrechamente apiñados dentro del núcleo del átomo. La fuerza
nuclear débil se conoce sobre todo como la fuerza responsable de la desintegración radiactiva de
sustancias como el uranio y el cobalto.
Durante el último siglo, los físicos han descubierto dos características comunes a todas estas
fuerzas. En primer lugar, como veremos en el capítulo 5, a nivel microscópico todas las fuerzas
tienen asociada una partícula que se puede considerar como el mínimo paquete o haz que puede
formar la fuerza. Si se dispara un haz de rayos láser -una «escopeta de rayos electromagnéticos»- se
está disparando un chorro de fotones que es el haz mínimo de fuerza electromagnética. De manera
similar, los constituyentes más pequeños de los campos de la fuerza nuclear débil y de la fuerza
nuclear fuerte son partículas llamadas bosones gauge asociados a la fuerza nuclear débil y gluones.
(El nombre gluón es especialmente descriptivo: se puede pensar en los gluones considerándolos
como el componente microscópico del fuerte pegamento (glue) que mantiene unidos los elementos
de los núcleos de los átomos.) En 1984, los físicos que realizaban experimentos al respecto, ya
habían establecido definitivamente la existencia y las propiedades detalladas de estos tres tipos de
partículas de fuerza, reseñadas en la Tabla 1.2. Los físicos creen que la fuerza de la gravedad
también tiene una partícula asociada -el gravitón- pero su existencia está aún pendiente de
confirmarse experimentalmente.
Los científicos no suelen traducir al castellano la palabra gauge. En los diferentes términos
compuestos en que aparece, se podría traducir como «de calibre» o «de calibración»
La segunda característica común a estas fuerzas es que, del mismo modo que la masa determina
cómo afecta la gravedad a una partícula, y su carga eléctrica determina cómo le afecta la fuerza
electromagnética, las partículas están provistas de ciertas cantidades de «carga fuerte» y «carga
débil» que determinan cómo se verán afectadas dichas partículas por la fuerza nuclear fuerte y la
fuerza nuclear débil. (Estas propiedades se detallan en la tabla que aparece en las notas finales
correspondientes a este capítulo (1)) Sin embargo, al igual que sucede con las masas de las
partículas, más allá del hecho de que los físicos experimentales han medido minuciosamente estas
propiedades, nadie tiene una explicación de por qué nuestro universo está compuesto precisamente
por esas partículas, con esas masas y cargas de fuerza tan peculiares.
A pesar de sus características comunes, el examen de las propias fuerzas fundamentales sólo
sirve para plantear preguntas. Por ejemplo, ¿por qué son cuatro las fuerzas fundamentales? ¿Por
qué no cinco, o tres, ó quizá sólo una? ¿Por qué tienen estas fuerzas unas propiedades diferentes?
¿Por qué las fuerzas llamadas nuclear fuerte y nuclear débil se limitan a operar a escalas
microscópicas, mientras que la fuerza de la gravedad y la electromagnética tienen un alcance
ilimitado en su influencia? Y, ¿por qué existe una gama enorme en cuanto a la intensidad intrínseca
de estas fuerzas?
Para valorar la última pregunta, imaginemos que sostenemos un electrón con la mano izquierda
y otro en la derecha, y que aproximamos estas dos partículas de idéntica carga eléctrica intentando
juntarlas. Su atracción gravitatoria mutua favorecerá que se acerquen, mientras que su fuerza de
repulsión electromagnética intentará separarlas. ¿Cuál de estas dos fuerzas es más intensa? No hay
discusión posible: la repulsión electromagnética es un millón de billones de billones de billones (10
a la 42) de veces más fuerte. Si el bíceps derecho representa la intensidad de la fuerza de la
gravedad, entonces el bíceps izquierdo tendría que ser tan grande que sobrepasara los límites del
universo conocido para poder representar la intensidad de la fuerza electromagnética. La única
razón por la que la fuerza electromagnética no aplasta completamente a la fuerza de la gravedad en
el mundo que nos rodea es que la mayoría de las cosas están compuestas por una cantidad igual de
cargas eléctricas positivas y negativas cuyas fuerzas se cancelan mutuamente. Por otra parte, ya que
la gravedad siempre es una fuerza de atracción, no existen cancelaciones análogas -más materia
significa una fuerza de la gravedad mayor-. Sin embargo, hablando de partículas fundamentales, se
puede afirmar que la fuerza de la gravedad es en este contexto una fuerza extremadamente débil.
(Un hecho que explica la dificultad para confirmar experimentalmente la existencia del gravitón.
Buscar el haz más pequeño de la fuerza más débil es todo un desafío.) También hay experimentos
que han demostrado que la fuerza nuclear fuerte es alrededor de cien veces más fuerte que la fuerza
electromagnética y cerca de cien mil veces más fuerte que la fuerza nuclear débil. Pero ¿dónde está
el porqué -la razón de ser- de que nuestro universo tenga estas características?
Ésta no es una pregunta ligada a una actitud de filosofar inútilmente sobre cuál sería la causa de
que ciertos detalles resulten ser de un modo en vez de ser de otro; el universo sería un lugar
sumamente diferente si las propiedades de la materia y de las partículas de fuerza sufrieran algún
cambio, aunque éste fuera muy moderado. Por ejemplo, la existencia de núcleos estables que
forman los alrededor de cien elementos de la tabla periódica depende directamente de la proporción
entre las magnitudes de la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. Los protones que se
apiñan juntos en los núcleos de los átomos se repelen todos ellos electromagnéticamente entre sí; la
fuerza nuclear fuerte que actúa entre los quarks de que están formados, afortunadamente, logra
vencer esta repulsión y ata los protones firmemente. Sin embargo, cualquier pequeño cambio en las
intensidades relativas de estas dos fuerzas perturbaría fácilmente el equilibrio existente entre ellas y
haría que se desintegraran la mayoría de los núcleos atómicos. Aún más, si la masa del electrón
fuera unas pocas veces mayor de lo que es, los electrones y los protones tenderían a combinarse
para formar neutrones, engullendo los núcleos de hidrógeno (el elemento más sencillo del cosmos,
ya que su núcleo contiene un único protón) e impidiendo la producción de elementos más
complejos. La existencia de las estrellas se basa en la fusión entre núcleos estables y no se
formarían si se produjeran estas alteraciones en la física fundamental. La magnitud de la fuerza de
la gravedad también desempeña un papel en la formación de las estrellas. La impresionante
densidad de la materia en el núcleo central de una estrella potencia su horno nuclear y es la base de
ese resplandor resultante, que es la luz estelar. Si la intensidad de la fuerza de la gravedad
aumentara, la masa estelar se uniría con más fuerza, causando un incremento significativo en la
velocidad. de las reacciones nucleares. Pero, del mismo modo que una bengala resplandeciente
agota su combustible mucho más rápido que una vela que arde lentamente, un incremento en la
velocidad de las reacciones nucleares haría que estrellas como el Sol se quemaran mucho más
rápidamente, lo cual tendría, como ya sabemos, un efecto devastador en la formación de seres
vivos. Por otra parte, si disminuyera significativamente la intensidad de la fuerza de la gravedad, la
materia no se uniría formando bloques, con lo que se impediría la formación de estrellas y galaxias.
Podríamos seguir enumerando casos de este tipo, pero la idea ya ha quedado clara: el universo
es como es porque las partículas de la materia y de las fuerzas tienen las propiedades que tienen.
Ahora bien, ¿es esto una explicación científica de por qué tienen estas propiedades?
