FÍSICA DE LO MUY PEQUEÑO PARA EXPLICAR
EL MUNDO
Óscar Tapia y Alberto
Virto
Por convención existen los colores,
Por convención la dulzura,
Por convención la amargura,
pero en realidad hay átomos y espacio.
Democritus (400 AC)
"Nada hay más que
átomos y vació". Así planteaba Demócrito su forma de ver el mundo.
Lo que no era más que un planteamiento filosófico se ha visto confirmado por el
desarrollo de la ciencia en estos dos últimos siglos.
La idea de los átomos
(del griego indivisible) fue olvidada hasta que en 1803 Dalton descubrió que
ciertas leyes básicas de la química se podían explicar si se suponía que cada
elemento químico estaba compuesto por partículas muy pequeñas, idénticas entre
sí, indestructibles y que en todas las reacciones químicas conservaban su masa
y sus propiedades. Además, también decía que cuerpos compuestos como el agua,
estaban formados por partículas muy pequeñas, llamadas moléculas, que a su vez
resultaban de la asociación de un cierto número de átomos. Sin embargo, muchos científicos
no vieron en esta propuesta nada más que una forma de explicar las leyes
químicas.
A medida que avanzaba el
siglo se iban haciendo descubrimientos para los que no había explicación
posible. Por un lado, con el estudio de la conductividad de los gases a bajas
presiones se descubrieron unos rayos luminosos - llamados rayos catódicos -
cuya interpretación mantenía dividida a la comunidad científica. Por otro, se
sabía que al hacer pasar la luz emitida en las descargas por un prisma se
observaba, no el clásico arco iris, sino unas rayas luminosas situadas en
ciertas posiciones que eran características del tipo de gas que estaba
encerrado en el tubo. Por su parte, Fraunhofer había descubierto líneas, esta
vez oscuras, en el espectro de la luz solar. También la radiación del cuerpo
negro escapaba a cualquier intento de explicación. A medida que se acercaba el
fin de siglo, el descubrimiento de la radiactividad vino a complicar aún más
las cosas. Pero la sensación generalizada a finales del XIX era que la física
estaba llegando a su final y sólo quedaban esas "coletillas
insignificantes" por explicar. Y fueron estas "coletillas
insignificantes" las que revolucionaron la forma de ver el mundo a nuestro
alrededor.
El 30 de abril de 1897,
en el clásico Encuentro de los Viernes de la Royal Institution, J.J. Thomson,
tras ocho años de investigaciones daba a conocer que había logrado desentrañar
uno de estos misterios; el de los rayos catódicos. Su explicación incluía una
nueva partícula, el electrón. El átomo de Demócrito y Dalton había dejado de
ser indivisible.
Thomson propuso un
modelo, conocido popularmente como el budín de pasas, donde los electrones se
encontraban incrustados en una esfera cargada positivamente. Este modelo fue
desechado cuando Rutherford bombardeó láminas de oro con radiación alfa. El
modelo de Thomson tuvo que dejar paso al de un núcleo muy pequeño con carga
positiva y los electrones rondando a su alrededor, como un sistema solar en
miniatura. Hoy sabemos que este modelo tampoco es del todo correcto porque la
posición del electrón se encuentra de algún modo difuminada.
Además, los electrones
no pueden situarse en la órbita que quieran, sino que sólo pueden encontrarse
en unas muy determinadas. Es esta cuantificación de las órbitas de los electrones,
presentada por primera vez por el danés Niels Bohr a principios de este siglo,
la culpable de las rayas espectrales. Incluso se descubrió que la propia luz
estaba compuesta por diminutos corpúsculos que Einstein denominó fotones, lo
que explicaba la radiación de cuerpo negro.
El desarrollo de todas
estas ideas ha creado una rama de la física sin la cual es imposible entender
el mundo: la mecánica cuántica. Gracias a ella sabemos que los átomos se
componen de electrones dando vueltas alrededor de un núcleo donde se encuentran
los protones y neutrones. Protones y neutrones que a su vez están compuestos de
otras partículas más pequeñas llamadas quarks, unidos entre sí por los gluones.
Este marco teórico,
llamado modelo estándar, parte de la hipótesis de que existen dos familias
principales de partículas elementales, los quarks que son de seis
"sabores": up, down, strange, charm, bottom y top, y los leptones,
también de seis "sabores": el electrón y su neutrino, el muón y su
neutrino y el tau y su neutrino (capaz de atravesar un muro de plomo de varias
decenas de años-luz de tamaño sin enterarse). Los leptones (del griego, ligero)
pueden encontrarse solos en la naturaleza mientras los quarks no. Siempre
aparecen en parejas (dando lugar a los llamados mesones) o en tríos (los
llamados bariones, entre los que se cuentan el neutrón y el protón). Mesones y
bariones componen el grupo de los hadrones (del griego pesado). Según este
modelo, los hadrones sienten la fuerza nuclear fuerte y los leptones la débil.
Fermiones y bosones
Las partículas, a su
vez, se dividen en dos grandes grupos en función del valor de cierta
característica física llamada espín: si tiene un valor semientero se llaman
fermiones y si es entero se llaman bosones. Por ejemplo, el electrón es un
fermión pero el fotón es un bosón. La materia está compuesta por fermiones
mientras que las partículas transmisoras de las fuerzas son bosones.
Nadie ha podido aún
explicar por qué quarks y leptones se agrupan formando sólo tres familias.
Curiosamente, desde la Cosmología se puede demostrar que en nuestro universo
sólo puede haber, como mucho, cuatro familias.
Parece ser, que los
electrones son elementales, no están compuestos por partículas más pequeñas. No
se tiene la misma sospecha en el caso de los quarks. No se sabe si hay algo
detrás de ellos pero se puede escuchar a los físicos teóricos hablar de
prequarks, supercuerdas, supersimetría ... La física de lo muy pequeño está
embarcada en la búsqueda de un nuevo Grial: la última y perfecta superpartícula
que englobe a las cuatro fuerzas de la naturaleza a los constituyentes de la
materia. Pero ésta es otra historia...
Las Fuerzas
De la manzana de Newton a la ansiada Teoría de
Todo
El concepto de fuerza es
algo cotidiano en nuestra experiencia diaria: viene a ser el agente que altera
la velocidad de un cuerpo cambiando su módulo o dirección. Pero en el mundo de
las partículas elementales de fuerza tiene un significado más amplio. El
comportamiento de un electrón alrededor de un núcleo viene determinado por una
interacción distinta a la de la Luna alrededor de la Tierra o la desintegración
beta de los átomos.
Todo comenzó con una
manzana. El gran físico Isaac Newton experimentó en su cabeza el efecto de la
gravedad. Y su genialidad le hizo darse cuenta de que la caída de una manzana
al suelo sigue los mismos principios físicos que el movimiento de la Tierra
alrededor del Sol. Frente a este hecho tan simple se esconde una tremenda
complejidad. Además de la fuerza gravitatoria existen tres más: la
electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte. Cada una actúa en un
"mundo" diferente, con intensidades, rangos y comportamientos
distintos. Si nuestras ideas son correctas, dos partículas interaccionan porque
intercambian otro tipo de partícula, responsable de transmitir una fuerza dada.
La fuerza de la
gravedad, aunque es la más débil de las cuatro, conforma la estructura del
Universo. Es de largo alcance y siempre atractiva. Su interacción es
transmitida mediante unas partículas aún no descubiertas llamadas gravitones.
La electromagnética es
de largo alcance y puede ser atractiva o repulsiva. Los responsables de esta
fuerza son los fotones, los componentes últimos de la luz.
La fuerza nuclear débil
tiene poca intensidad y es de muy corto alcance. Es la responsable de un tipo
de desintegración radiactiva llamada desintegración beta. Los transmisores son
los bosones W+, W- y Z0.
Por último está la
fuerza fuerte, responsable de mantener unidos los protones y neutrones del
núcleo atómico. Las partículas mediadoras de esta interacción se llaman gluones
(del inglés glue, pegamento).
¿Por qué cuatro fuerzas
y no tres o una sola?. No se sabe muy bien. Sin embargo, los físicos creen que
las cuatro fuerzas se pueden englobar en una única "superfuerza". Los
científicos suspiran por la máxima simplicidad, por una única teoría que
describa de manera unificada la materia y las interacciones fundamentales de la
Naturaleza: las llamadas Teorías de Todo. En ello se está trabajando y ya se ha
conseguido reunir la fuerza electromagnética y la fuerza débil en una sola. En la
actualidad los físicos teóricos persiguen con ahínco englobar en una única
descripción la fuerza electrodébil y la fuerte. Estas son las teorías de gran
unificación. Sin embargo la gravedad escapa por ahora a todo intento.
Colisiones de partículas en busca de los
ladrillos básicos del Universo
La idea griega de átomos
indivisibles y, por tanto, elementales, desapareció con el descubrimiento del
electrón. Como en las muñecas rusas, los físicos de partículas han ido
abriéndolas intentando localizar los ladrillos fundamentales del Universo. Para
estudiar la materia a esas escalas tan reducidas han necesitado construir
impresionantes y costosos "microscopios" llamados aceleradores de
partículas.
El primero se construyó
en 1931, bautizado con el nombre de ciclotrón. Desde entonces han ido
apareciendo aceleradores cada vez más potentes. Y es que la investigación de la
estructura interna de la materia sigue una sencilla regla: cuanto más adentro
se quiere explotar, mayor es la cantidad de energía necesaria y, por tanto,
mayor la cantidad de dinero a invertir.
En la actualidad, el
mayor acelerador del mundo se encuentra en las instalaciones del CERN en
Ginebra: el LEP (Large Electron Positron Collider). En una circunferencia de 27
kilómetros se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz electrones y
positrones - el equivalente de antimateria al electrón, con carga positiva en
lugar de negativa - y se les hace colisionar. Así se producen miles de
partículas nuevas cuyas trayectorias son registradas por detectores. De esta
forma se descubren nuevas partículas o se buscan aquéllas que predice la
teoría.
Los físicos de
partículas también estudian las colisiones entre protones y antiprotones. Una
máquina de 7 kilómetros de circunferencia situada a las afueras de Chicago, en
el Fermilab, se encarga de ello. El acelerador, llamado Tevatrón, los hace
chocar a una energía diez veces superior a la del LEP. Fue en el Fermilab donde
se descubrió el último quark que faltaba para completar el llamado modelo
estándar de las partículas elementales.
El siguiente paso es
construir aceleradores donde las partículas choquen con diez o más veces
energía que en el Tevatrón. Los dos grandes proyectos son el SSC
(Superconducting Super Collider) en Estados Unidos y el LHC (Large Hadron
Collider), que sustituirá al LEP en Ginebra. Por desgracia, el SSC no verá la
luz. El Gobierno de los Estados Unidos suspendió los fondos destinados a este
multimillonario proyecto y en la actualidad está durmiendo el sueño de los
justos.
Los físicos de
partículas norteamericanos se han quedado sin juguete más preciado y, si el
proyecto del LHC se mantiene, estarán supeditados a las investigaciones
realizadas por los europeos. El problema de la estructura interna de la materia
es una cuestión de Gran Ciencia: una empresa que mueve millones de pesetas y
muchos intereses.
