El CERN, el Centro Europeo para la Investigación Subnuclear cerca de Ginebra, no consiste solamente en inmensos laboratorios donde los físicos pueden indagar en los constituyentes de la materia, sino que también tiene una sección teórica. Allí trabajan teóricos que, siguiendo muy de cerca los experimentos del colisionador de partículas y otros, comprendieron que las fuerzas infinitas que se cancelaban unas a otras eran una realidad ineludible en los cálculos detallados que hacían rutinariamente para entender los experimentos.

En 1969, Sheldon L. Glashow, John Ilipoulos y Luciano Maiani, publicaron un artículo en el CERN cuya importancia no fue reconocida de inmediato, pero que jugaría un papel predominante en lo que iba a ocurrir. Ellos notaron que si introducían junto a los quarks conocidos (u, d y s) un cuarto, las fuerzas infinitas parecían cancelarse mutuamente mucho mejor que antes (aunque la teoría seguía siendo no renormalizable). Este cuarto quark ya había sido sugerido por Glashow y James Bjorken. Habían visto que la simetría resultante era tan atractiva que decidieron llamar al nuevo quark “encanto” (traducción de charm, por cuya inicial, c, se conoce hoy). Ilipoulos y Maiani lo adoptaron con gusto, porque “encanto” después de todo, también significa “encantamiento”, como si las fuerzas infinitas se cancelaran así por arte de magia.

Distensión en el trabajo

En la física hay cosas y anécdotas de personajes famosos que merecen la pena contar. En una ocasión (se cuenta), Martinus Veltman, que había sido nombrado profesor de física teórica en la universidad de Utrecht, al ir a tomar un ascensor con otras personas se quedó el último para entrar. Cuando pulsaron el botón, sonó la alarma y empezó a parpadear una señal de sobrepeso. Como Veltman fue el último en entrar, todos le miraron a él. Pero Veltman que no quería salir, aprovechó sus conocimientos de la teoría de la gravedad; dijo a los demás “cuando diga ‘ya’ dadle al botón”. Flexionó las rodillas y cogiendo impulso saltó al tiempo que gritaba “ya”, y el ascensor arrancó. Cuando volvió a caer sobre el suelo, la máquina había ganado la velocidad suficiente para continuar.

De Paul Dirac, matemático durante las 24 horas del día, también se cuentan algunas anécdotas. En cierta ocasión, en la sala de profesores, entró uno joven y recién llegado; Dirac estaba sentado cerca de la chimenea leyendo el periódico, y el nuevo profesor, para entablar conversación con el maestro, le dijo: “hace bastante viento ahí afuera”. Dirac, sin decir ni una palabra, se levantó y se fue a la puerta que abrió, se asomó al exterior, cerró la puerta y regresando sobre sus pasos volvió a ocupar el sillón y dijo: “Sí, hace viento”, y sin más continuó leyendo la prensa. La comprobación o prueba de nuevo del matemático que tenía dentro.

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Hablemos de las propias partículas subatómicas, para lo cual la teoría de la relatividad especial, que es la teoría de la relatividad sin fuerza gravitatoria, es suficiente.

Si viajamos hacia lo muy pequeño tendremos que ir más allá de los átomos, que son objetos voluminosos y frágiles comparados con lo que nos ocupará a continuación: el núcleo atómico y lo que allí se encuentra. Los electrones, que ahora vemos “a gran distancia” dando vueltas alrededor del núcleo, son muy pequeños y extremadamente robustos. El núcleo está constituido por dos especies de bloques: protones y neutrones. El protón (del griego πρώτος, primero) debe su nombre al hecho de que el núcleo atómico más sencillo, que es el hidrógeno, está formado por un solo protón. Tiene una unidad de carga positiva. El neutrón recuerda al protón como si fuera su hermano gemelo: su masa es prácticamente la misma, su espín es el mismo, pero en el neutrón, como su propio nombre da a entender, no hay carga eléctrica; es neutro.

La masa de estas partículas se expresa en una unidad llamada mega-electrón-voltio o MeV, para abreviar. Un MeV, que equivale a 10⁶ electrón-voltios, es la cantidad de energía de movimiento que adquiere una partícula con una unidad de carga (tal como un electrón o un protón) cuando atraviesa una diferencia de potencial de 10⁶ (1.000.000) voltios. Como esta energía se transforma en masa, el MeV es una unidad útil de masa para las partículas elementales.

La mayoría de los núcleos atómicos contienen más neutrones que protones. Los protones se encuentran tan juntos en el interior de un núcleo tan pequeño que se deberían repeles entre sí fuertemente, debido a que tienen cargas eléctricas del mismo signo. Sin embargo, hay una fuerza que los mantiene unidos estrechamente y que es mucho más potente e intensa que la fuerza electromagnética: la fuerza o interacción nuclear fuerte, unas 10² veces mayor que la electromagnética, y aparece sólo entre hadrones para mantener a los nucleones confinados dentro del núcleo. Actúa a una distancia tan corta como 10^-15 metros, o lo que es lo mismo, 0’000000000000001 metros.

La interacción fuerte está mediada por el intercambio de mesones virtuales, 8 gluones que, como su mismo nombre indica (glue en inglés es pegamento), mantiene a los protones y neutrones bien sujetos en el núcleo, y cuanto más se tratan de separar, más aumenta la fuerza que los retiene, que crece con la distancia, al contrario que ocurre con las otras fuerzas.

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Constituyentes fundamentales de toda la materia del universo. Hasta el descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en 1897 se pensaba que los átomos eran los constituyentes fundamentales de la materia. Este hallazgo, junto con el de Rutherford del núcleo atómico y del protón en 1911, hizo evidente que los átomos no eran elementales, en el sentido de que tienen estructura interna. Es descubrimiento de Chadwick del neutrón en 1932 completó el modelo atómico basado en un núcleo atómico consistente en protones y neutrones rodeados de un número suficiente de electrones como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.

Velocidades inimaginables

En el centro del átomo se encuentra un pequeño grano compacto aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el propio átomo: el núcleo atómico. Su masa, e incluso más aún su carga eléctrica, determinan las propiedades del átomo del cual forma parte. Debido a la solidez del núcleo parece que los átomos, que dan forma a nuestro mundo cotidiano, son intercambiables entre sí, e incluso cuando interaccionan entre ellos para formar sustancias químicas (los elementos). Pero el núcleo, a pesar de ser tan sólido, puede partirse. Si dos átomos chocan uno contra el otro con gran velocidad podría suceder que los núcleos llegaran a chocar entre sí y entonces, o bien se rompen en trozos, o se funden liberando en el proceso partículas subnucleares. La nueva física de la primera mitad del siglo XX estuvo dominada por los nuevos acertijos que estas partículas planteaban.

Pero tenemos la mecánica cuántica; ¿es que no es aplicable siempre?, ¿cuál es la dificultad? Desde luego, la mecánica cuántica es válida para las partículas subatómicas, pero hay más que eso. Las fuerzas con que estas partículas interaccionan y que mantienen el núcleo atómico unido son tan fuertes que las velocidades a las que tienen que moverse dentro y fuera del núcleo están cerca de la velocidad de la luz, c, que es de 299.792’458 Km/s. Cuando tratamos con velocidades tan altas se necesita una segunda modificación a las leyes de la física del siglo XIX; tenemos que contar con la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Esta teoría también fue el resultado de una publicación de Einstein de 1905. en esta teoría quedaron sentadas las bases de que el movimiento y el reposo son conceptos relativos, no son absolutos, como tampoco habrá un sistema de referencia absoluto con respecto al cual uno pueda medir la velocidad de la luz.

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