La Física de partículas y la Cosmología

Leibniz nos decía:

“Todo estado presente de una sustancia simple es naturalmente, una consecuencia de su estado anterior, de modo que se presente está cargado de su futuro”.

Y, Marco Aurelio:

“Quien ha visto las cosas presentes ha visto todo, todo lo ocurrido desde la eternidad y todo lo que ocurrirá en el tiempo sin fin; pues todas las cosas son de la misma clase y de la misma forma.”

El primero nos señalaba el camino recorrido por la evolución hasta nuestros días y, señalaba los cambios que el ritmo del universo produciría en todo lo presente que es producto del pasado, lo mismo que el futuro, lo será del presente, es decir, todo es debido a la causalidad. El segundo, más profundo, nos daba a entender que todo está hecho de la misma cosa. Desde una flor hasta una galaxia, todos son Quarks y Leptones.

Los 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 los núcleos 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 fija en los horizontes lejanos del espacio “infinito” y del tiempo “sin fin”, y acumulan fascinados sus datos que son, en realidad, los hilos de la antigua luz que llegaron de las estrellas lejanas situadas en los confines de ese universo presentido y lejano. Los físicos de partículas, en contraste con ellos, son relativamente gragarios -tienen que serlo, pues ni siquiera un Einstein sabe suficiente física como para hacerlo todo él solo- y físicos: son por tradición transmitida estudiosos del aquí y ahora, inclinados a curvar cosas, volar cosas y desmontar cosas. Los físicos trabajan dura y rápidamente, obsesionados por la leyenda de que es probable que tengan muchas ideas nuevas útiles después de los cuarenta, mientras que los comólogos son más a menudo jugadores de finales, adeptos a las visiones de vasto alcance, de quiénes cabe esperar que realicen investigaciones productivas cuando ya les blanquea el cabello. Si los físicos son los zorros de los que Arquíloco decía que saben muchas cosas, los cosmólogos son más afines a las centenarias tortugas que saben una sola gran cosa.

Sin embnargo, a finales de los años setenta, los físicos de partículas se aventuraron a acudir a los seminarios de cosmología a estudiar las galaxias y los quasars, mientras que los cosmólogos alquilaron máquinas del CERN y el Fermilab para trabajar en la física de altas energías en las instalaciones subterráneas desde donde no se veían las estrellas. En 1985 Murray Gell-Mann declaró 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 altas energías. Los cosmólogos informaron que el universo estuvo antaño en tal estado de alta energía, en 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 partículas de materia y energías que encontramos hoy a nuestro alrededor y estampándoles las pruebas de su genealogía. Steven Winberg, un adalid de aquella alianza, describió la teoría electrodébil unificada en términos de su relación con el universo primitivo:

Lo que es tan especial en la teoría electrodébil es que las partículas [portasdoras de fuerza] forman una familia estrechamente unida, con cuatro miembros: la W⁺, la W^– de carga opuesta, la Z neutra y el cuarto miembro es nuestro viejo amigo el fotón, portador del electromagnetismo. Son todas hermanas, estrechamente relacionadqas por el principio de simetría que dice que son todas la misma cosa, pero que la simetría se ha roto. La simetría está allí, en las ecuaciones subyacentes de la teoría, pero no es evidente en las partículas mismas. Por eso las W y la Z son mucho más pesadas que el fotón.

Estas partículas – las mismas cuya aparición en el acelerador del CERN verificó la teoría electrodébil – son las mediadoras intercambiables en las interacciones de fuerzas electromagnéticas y débiles, lo que las hace indistinguibles.  En ese tiempo, el Universo está gobernando sólo por tres fuerzas: la gravedad, la interacción nuclear fuerte y la electrodébil.

Precisamente eso nos da la pista para creer que hubo un tiempo,  en el pasado, en el universdo muy temprano, en que la temperatura estaba muy por encima de algunos cientos de veces de la masa del protón, cuando la simetría aún no se había roto, y la fuerza débil y la electromagnética no sólo eran la misma matemáticamente, sino realmente la misma. Un físico que hubiera vivido por aquel entonces, lo que es difícil imaginar, no habría visto ninguna diferencia real entre las fuerzas producidas por el intercambio de estas cuatro partículas:

Las W, la Z y el fotón.

Más atrás de ese tiempo nos quedamos en el misterio y envueltos en una gran nebulosa de ignorancia.  Cada uno se despacha a su gusto para lanzar conjeturas y teorizar sobre lo que pudo haber sido.   Seguramente, en el futuro, será la teoría M (de supercuerdas) la que contestará esas preguntas sin respuestas ahora, si por fín, llegamos a ser capaces de verificarla y, si no es así, vendrá alguna otra teoría avanzada que lo hará.

En los 10^-35 de segundo desde el comienzo del tiempo, entramos en un ámbito en el que las condiciones cósmicas son aún menos conocidas.  Si las grandes teorías unificadas son correctas, se produjo una ruptura de la simetría por la que la fuerza electronuclear unificada se escindió en las fuerzas electrodébil y las fuertes.  Si es correcta la teoría de la supersimetría, la transición puede haberse producido antes, había involucrado a la gravitación.

Elaborar una teoría totalmente unificada es tratar de comprender lo que ocurrió en ese tiempo remoto que, según los últimos estudios está situado entre 15.000 y 18.000 millones de años, cuando la perfecta simetría que, se pensaba, caracterizó el Universo, se hizo añicos para dar lugar a los simetrías rotas que hallamos a nuestro alrededor y que nos trajo las fuerzas y constantes Universales que, paradójicamente, hicieron posible nuestra aparición para que ahora, sea posible que, alguien como yo esté contando lo que pasó.

Pero hasta que no tengamos tal teoría no podemos esperar comprender lo que realmente ocurrió en ese Universo primitivo.  Los límites de nuestras conjeturas actuales cuando la edad del Universo sólo es de 10^-43 de segundo, nos da la única respuesta de encontrarnos ante una puerta cerrada.

Del otro lado de esa puerta está la época de Plank, un tiempo en que la atracción gravitatoria ejercida por cada partícula era comparable en intensidad a la fuerza nuclear fuerte. Así que, llegados a este punto podemos decir que la clave teórica que podría abrir esa puerta sería una teoría unificada que incluyese la gravitación. La persona que llegue a esa teoría llegará a la mayor profundidad en la contemplación del alba del tiempo.

¿Qué es lo que verá?

Pero, eso sí, mientras tanto seguimos produciendo imágenes de todo tipo mediante las cuáles se nos quiere hacer ver que, la materia oscura  está ahí presente, sin embargo, nada de lo que estamos viendo es “materia oscura”  son filamentos de plasma, polvo y gas interestelar, y otros objetos y sustancias que en el Universo se producen mediante la química de la energía de las estrellas presente en esos lugares pero, “materia oscura” me parece que no. Claro que, una cosa no se puede discutir, alguna clase de “materia” o de “fuerza” desconocida (o lo quen sea) estaba allí presente para hacer posible que surgieran las primeras estrellas y galaxias.

Por supuesto, en aquel tiempo primero, no hay moléculas, ni átomos, ni núcleos atómicos, y, a 10-⁶ (0.000001) de segundo después del comienzo del tiempo, tampoco hay neutrones ni protones.  El Universo es un océano de Quarks  libres y otras partículas elementales.

 Si nos tomamos el trabajo de contarlos, hallaremos que por cada mil millones de antiquarks existen mil millones y un quark.  Esta asimetría es importante.  Los pocos quarks en exceso destinados a sobrevivir a la aniquilación general quark-antiquark formaran todos los átomos de materia del Universo del último día.  Se desconoce el origen de la desigualdad; presumiblemente obedezca a la ruptura de una simetría materia antimateria en alguna etapa anterior.

Nuestra indicutible ignorancia siempre nos llevó ante muchas puertas cerradas que, de alguna manera misteriosa, pudimos abrir para asombrarnos ante las maravillas que detrás de ellas existen. Hombres y mujeres de nuestra especie han sido capaces de encontrar esas llaves perdidas que posibilitaron abrir aquellas puertas, descorriendo el velo que tapaba y escondía los misterios de la naturaleza.

Creo, en mi enorme ignorancia, que se verán más puertas cerradas. En las que, en lo anto de sus dinteles habrá carteles que digan: Materia Oscura, Singularidad, Agujeros Negros, Multiversos, Fluctuaciones de vacío, Energía de punto cero, teoría luz-luz…y muchas más puertas que nos exigen encontrar las llaves que la puedan abrir para mirar dentro de sus recintos para saber….y, al entrar, ver y comprender sobre todo aquello, con sorpresa veremos que, al fondo y en penumbra, otras puertas con otros letreros nuevos…están esperando allí, para que comencemos de nuevo a buscar las llaves que las abran para mostrarnos sus secretos…Esos puertas cerradas, amigos miós, siempre estarán ahí esperándonos. O, lo que es lo mismo, siempre detrás de un nuevo conocimiento, encontraremos otras nuevas preguntas, otras puertas cerradas que esconderan más saber de cosas que ignoramos.

emilio silvera

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