El Casamiento de la fisica con la cosmologia

A finales del siglo XX quizá sean recordados en la Historia de la Ciencia como la época en que la Física de Partículas, el estudio de las estructuras más pequeñas de la Naturaleza, unió sus fuerzas a la Cosmología, el estudio del Universo como un todo.

Juntas estas dos disciplinas esbozarían el esquema de la historia cósmica, investigando el pasado de las estructuras naturales en un ámbito de escala enorme, desde el núcleo de los átomos hasta los cúmulos de las galaxias.

Fue un matrimonio apresurado de dos disciplinas muy diferentes. Los Cosmólogos tienden a ser solitarios, con la mirada en los horizontes lejanos del espacio y el tiempo, y acumulan amorosamente sus datos de hilillos de antigua luz estelar.

Los Físicos de partículas, en contraste con ellos, son relativamente gregarios –tienen que serlo, pues ni siquiera un Einstein sabía suficiente física como para hacerlo todo el solo- y físicos: son por tradición transmitida estudiosos de aquí y ahora, inclinados a curvar cosas, volar cosas, y demostrar cosas. Los Físicos trabajan dura y rápidamente, obsesionados por la leyenda de que es improbable que tengan muchas ideas nuevas útiles después de los cuarenta, mientras que los cosmólogos son a menudo jugadores de finales, adeptos a las visiones de vasto alcance, de quienes cabe esperar que realicen investigaciones productivas cuando tienen blancos sus cabellos. Si los físicos son los zorros de los que Arquiloco decía que saben muchas cosas, los cosmólogos son mas afines a los erizos, que saben una sola gran cosa.

Sin embargo, a finales de los años setenta, los físicos de partículas se aventuraron a acudir a los seminarios de cosmología (yo estuve en algunos) a estudiar las galaxias y los quasars, mientras los cosmólogos alquilaron maquinas del CERN y el Fermilab para trabajar en Física de altas energías en instalaciones subterráneas desde no se veían las estrellas. En 1985, Murray Gell-Mann declaro que “la Física de partículas elementales y el estudio del Universo primitivo, las dos ramas fundamentales de la Ciencia de la Naturaleza, se habían fundido esencialmente”.

Su terreno de encuentro fue el Big Bang. Los Físicos identificaron simetrías en la Naturaleza que hoy están rotas pero que estuvieron intactas en un entorno de alta energía. Los Cosmólogos informaron  que el Universo estuvo antaño en tal estado de alta energía, durante las etapas iniciales del Big Bang. Unidas ambas cosas, aparece el cuadro de un Universo perfectamente simétrico cuyas simetrías se quebraron a medida que se expandió y se enfrió, creando las partículas de materia y energía que encontramos hoy a nuestro alrededor y estampándoles las pruebas de su genealogía.

De manera similar  aunque menos clara, las teorías de súper simetría conjeturaban que las cuatro fuerzas tal vez estaban ligadas por una simetría que se manifestaba en unos niveles de energía aun mayores que caracterizaban al universo ya antes del Big Bang.

La introducción de un eje de tiempo histórico en la Cosmología y la Física de partículas beneficio a ambos campos. Los físicos proporcionaron a los cosmólogos una amplia gama de herramientas útiles para saber como se desarrollo el universo primitivo. Evidentemente, el Big Bang no fue la muralla de fuego de la que se burlo Fred Hoyle, sino un ámbito de sucesos de altas energías que muy posiblemente pueden ser comprensibles en términos de la teoría de campo relativista y cuantica. La Cosmología, por su lado,  dio un tinte de realidad histórica a las teorías unificadas. Aunque ningún acelerador concebible podría alcanzar las titánicas energías supuestas por las grandes teorías unificadas y de la súper simetría, esas exóticas ideas aun pueden ser puestas a pruebas, investigando si las partículas constituyentes del Universo actual son compatibles con el tipo de historia primitiva que implican las teorías.

Las partículas elementales aparentemente proporcionan la clave de algunos de los misterios fundamentales de la Cosmología temprana…y resulta que la Cosmología brinda una especie de terreno de pruebas para alguna de las ideas de la Física de partículas elementales.

Contemplada desde esta nueva perspectiva histórica, la proliferación de tipos de partículas que desalentó tanto a los físicos (y que llevo a Fermi a decir que hubiese preferido ser botánico) empezó a parecer menos una carga que una bendición. Una vez que empezó a ser claro que toda partícula surgió de un proceso de evolución cósmica, del que puede testificar, se puede considerar la variedad de partículas como una prueba de la riqueza de la historia cósmica.

Los Físicos ya no debían sentirse desdichados por la diversidad del mundo de partículas, como los arqueólogos no se sintieron decepcionados cuando, por ejemplo, al excavar las ruinas de la antigua Herculano, desenterraron los cimientos de una ciudad aun mas vieja debajo de ella. En cambio, consideraron que la Naturaleza es complicada e imperfecta porque tiene un pasado, esto es, como señalo el físico norteamericano Thomas Gold, las cosas son como son porque fueron como fueron…

En verdad, es posible discernir una relacion directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza. Una molécula es mayor y más fácil de desmembrar que un átomo; lo mismo es valido de un átomo con respecto al núcleo atómico, y de un núcleo con respecto a los quarks que contiene.

La Cosmología sugiere que esta relacion resulta del curso de la historia cósmica, que los quarks se unieron primero, en la energía extremadamente alta del Big Bang original, y que a medida que el universo se expandió y se enfrió, los protones y neutrones compuestos de quarks se unieron para formar los núcleos de los átomos, los cuales atrajeron los electrones para establecerse como átomos completos, que a su vez se unieron para formar moléculas y, así, hasta llegar a las galaxias, los cúmulos de galaxias y los supercúmulos, las estructuras mas grandes del Universo.

Es decir, desde lo más pequeño (lo microscópico) hasta lo más grande (lo microscópico) y, todo ello, siempre acompañado de las cuatro fuerzas fundamentales surgidas de esa rotura de simetría primera.

emilio silvera

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