¿Cuándo podrán unirse la Gravedad y la Mecánica cuántica?

Entre los teóricos, el casamiento de la relatividad general y la teoría cuántica es el problema central de la física moderna. A los esfuerzos teóricos que se realizan con ese propósito se les llama “supergravedad”, “súpersimetría”, “supercuerdas” “teoría M” o, en último caso, “teoría de todo o gran teoría unificada”.

Ahí tenemos unas matemáticas exóticas que ponen de punta hasta los pelos de las cejas de algunos de los mejores matemáticos del mundo (¿y Perelman? ¿Por qué nos se ha implicado?).  Hablan de 10, 11 y 26 dimensiones, siempre, todas ellas espaciales menos una que es la temporal.  Vivimos en cuatro: tres de espacio (este-oeste, norte-sur y arriba-abajo) y una temporal. No podemos, ni sabemos o no es posible instruir, en nuestro cerebro (también tridimensional), ver más dimensiones. Pero llegaron Kaluza y Klein y compactaron, en la longitud de Planck las dimensiones que no podíamos ver. ¡Problema solucionado!

¿Quién puede ir a la longitud de Planck para verlas?

La puerta de las dimensiones más altas quedó abierta y, a los teóricos, se les regaló una herramienta maravillosa.  En el Hiperespacio, todo es posible.  Hasta el matrimonio de la relatividad general y la mecánica cuántica, allí si es posible encontrar esa soñada teoría de la Gravedad cuántica.

Así que, los teóricos, se han embarcado a la búsqueda de un objetivo audaz: buscan una teoría que describa la simplicidad primigenia que reinaba en el intenso calor del universo en sus primeros tiempos, una teoría carente de parámetros, donde estén presentes todas las respuestas.  Todo debe ser contestado a partir de una ecuación básica.

¿Dónde radica el problema?

El problema está en que la única teoría candidata no tiene conexión directa con el mundo de la observación, o no lo tiene todavía si queremos expresarnos con propiedad. La energía necesaria para ello, no la tiene ni el nuevo acelerador de partículas LHC que mencioné en páginas anteriores.

La verdad es que, la teoría que ahora tenemos, el Modelo Estándar, concuerda de manera exacta con todos los datos a bajas energías y contesta cosas sin sentido a altas energías.

¡Necesitamos algo más avanzado!

Se ha dicho que la función de la partícula de Higgs es la de dar masa a las Cuando su autor lanzó la idea al mundo, resultó además de nueva muy extraña.  El secreto de todo radica en conseguir la simplicidad: el átomo resulto ser complejo lleno de esas infinitesimales partículas electromagnéticas que bautizamos con el nombre de electrones, resultó que tenía un núcleo que contenía, a pesar de ser tan pequeño, casi toda la masa del átomo.  El núcleo, tan pequeño, estaba compuesto de otros objetos más pequeños aún, los quarks que estaban instalados en nubes de otras partículas llamadas gluones y, ahora, queremos continuar profundizando, sospechamos, que después de los quarks puede haber algo más.

Bueno, la idea nueva que surgió es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que si miramos a las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs.  Las partículas influidas por este campo, toman masa.  Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (gauge) de los que hemos comentado, del campo gravitatorio o del electromagnético.  Si llevamos un bloque de plomo a lo alto de la Torre Eiffel, el bloque adquiriría energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra.

Como E=mc², ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del Sistema Tierra-bloque de plomo.  Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein.  La masa, m, tiene en realidad dos partes.  Una es la masa en reposo, m₀, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo.  La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el acelerador de partículas, o los muones, que aumentan varias veces su masa cuando son lanzados a velocidades cercanas a c) o en virtud de su energía potencial de campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos.  Por ejemplo, si separamos el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Peor la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos familiares. La masa tomada de Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera toda la masa en reposo.  Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas.

Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia de Higgs en las masas de los quarks y de los leptones, nos recuerda el descubrimiento por Pieter Zeeman, en 1.896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo.  El campo (que representa metafóricamente el papel de Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba.

Hasta ahora no tenemos ni idea de que reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs (de ahí la expectación creada por el nuevo acelerador de partículas LHC). Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas –Las masas de los W⁺, W^–, y Z^º, y el up, el down, el encanto, el extraño, el top y el bottom, así como los leptones – que no forman ningún patrón obvio?

Las masas van de la del electrón 0’0005 GeV, a la del top, que tiene que ser mayor que 91 GeV.  Deberíamos recordar que esta extraña idea (el Higgs) se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil (Weinberg-Salam).  Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnéticas y débiles.  En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa –los W⁺, W^–, Z^º y fotón que llevan la fuerza electrodébil.  Además está el campo de Higgs, y, rápidamente, los W y Z chupan la esencia de Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa.  La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos.  Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa.

Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los físicos teóricos nos recuerdan que Gerard ^t Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera esta libre de infinitos.

Sin embargo, se sigue necesitando una teoría cuántica de la gravedad para que nos pueda explicar muchas cosas que aún no tienen respuestas, como por ejemplo, las singularidades de los agujeros negros. ¿Qué pasa allí con la materia? ¿En qué se convierte?

Muchas son las cosas que no sabemos y, precisamente, el mérito está en que, a pesar de la mucha ignorancia que aún soportamos, no dejamos que el desaliento pueda con nosotros y, de manera imparable, continuamos persiguiendo ese saber que nos traerán las nuevas y modernas teorías que tratan, incansables, de sondear los misterios del Universo para que, nosotros, los observadores, podamos, al fín, tener una explicación que, aunque alejada del sentido común que empleamos en la vida cotidiana, sea en cambio, una contestación autoconsistente a esos infinitos secretos que nos guarda la Naturaleza y que, poco a poco, vamos consiguiendo desvelar.

Es verdad que el Universo es inmenso, y, tan grande que, probablemente, nunca llegaremos a conocerlo en su totalidad. Cada segundo que pasa, el Universo se hace más y más grande, la materia que se expande en forma de galaxias y cúmulos, avanza imparable y, a medida que lo hace, el Universo se hace mayor, más lejano e insondable para nosotros y, no sería extraño que, galaxias situadas a muchos miles de millones de a.l. de nosotros, nunca nos puedan alcanzar con la luz que nos envía, y, si es así, tampoco nunca podremos contemplar la imagen de maravillas que, muy lejos de nosotros, no puedan alcanzarnos con su radiación electromagnética en el espectro de la luz visible.

Tampoco sabemos, al menos de momento, si hay algo más allá de los Quarks, y, lo que tenemos clasificado como partícula elemental, podría no serlo y estar compuestas por otras mucho menos complejas y que, a su vez, puedan estar formadas por otras más simples. Y, nuestro Modelo Estándar de la Física de Partículas, podría estar incompleto, no sólo por el simple hecho de que le falta incorparar a una de las cuatro fuerzas fundamentales (la Gravedad), sino por ese parámetro (además de otra veintena) que metido con calzador, llamamos el Bosón de Higgs y al que adjudicamos el poder de transmitir la masa a las partículas.

Muchas son las cosas que nos quedan por descubrir, muchos los misterios por desvelar, muchas las preguntas que no tienen respuestas, y, a tyodo esto, estamos funcionando con el Modelo del Cosmos que llamamos Big Bang pero, aunque se acerca mucho a lo que observamos, no podemos estar seguros de que, en realidad, sea el Modelo ideal que se ajuste al 100 por 100 a lo que pasó. ¿Y, de la materia que pasá? Pués pasa que, aunque nos hemos acercado mucho a ella, y, desde luego, tenemos razones muy fundadas para poder decir que conocemos (en parte) lo que es, de qué está conformada, como interacciona con las fuerzas fundamentales, los mecanismos que producen su transformación y transiciones de fase en las distintas situaciones de energías que, incidiendo en su “ser”, la puede cambiar de simple a compleja. Hasta tal punto eso es así que, a partir del simple hidrógeno (el material primario del Universo), las estrellas se encargan por medio de sofisticados mecanismos diversos (a lo largo del ciclo de su nacimiento, vida y muerte) de crear la materia cuya complejidad químico-biológica hace posible el surgir de la vida.

¡Algún día sabremos! Y, ese día, seremos mucho mejores.

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