¿La Mecánica Cuántica? ¡La Historia Interminable!

El universo de lo muy pequeño, objetos que se mueven a velocidades alucinantes

Muy lejos quedan ya aquellas célebres palabras que pronunciara Enrico Fermi:

“Si yo pudiese recordar los nombres de todas estas partículas, habría sido un botánico”,

Martinus J. G. Veltman

Y el físico Martinus Veltman más tarde reflexionó que:

“A medida que aumenta el número de partículas, lo único que logramos es aumentar  nuestra ignorancia”.

Por aquellos tiempos (han pasado algunas décadas), hubo también demasiadas teorías, muchas incompatibles entre ellas. No pocos físicos se vieron frustrados hasta el punto de abandonar la física para siempre. Sin embargo, el torbellino y la confusión, no rompió la tranquila seguridad, lo que hace crecer la mente, y, cuando aquel endiablado barullo empezó a calmarse y el polvo se disipó, la Física Cuántica emergió, no sólo como un campo vital y en rápido desarrollo de la ciencia, sino como uno de los mayores logros intelectuales de la historia del pensamiento humano.

Aunque en modo alguno completa, entonces pudo hacer predicciones exactas sobre un imponente conjunto de fenómenos, desde la óptica y el diseño de ordenadores hasta el brillo de las estrellas, y hacerlo en términos de estructuras teóricas que, como ya podía verse, poseen una belleza y una amplitud dignas del universo que trataban de describir.

Las variadas teorías que llegaron a constituir la física cuántica a finales del primer cuarto del siglo pasado eran conocidas colectivamente como el Modelo Estándar.

Considerado desde su punto de vista, el mundo está compuesto de dos categorías generales de partículas: las de espín fraccionario (½), llamadas fermiones, en homenaje a Enrico Fermi, y las de espín entero (0, 1 o 2), llamadas Bosones, en homenaje a Satyendra Nath Bose, quien junto con Einstein, desarrolló las leyes estadísticas que gobiernan su conducta.

(El “espín” al que se alude aquí es el espín común, mecánico, aunque cuantizados, y se mide en términos de h, el cuanto de acción de Planck.)

Los Fermiones comprenden la materia. Obedecen a lo que se llama el Principio de exclusión de Pauli, formulado por este en 1925, según el cual dos fermiones no pueden ocupar al mismo tiempo un determinado estado cuántico. Debido a esta característica de los fermiones, sólo un número limitado de electrones pueden ocupar cada capa de un átomo, y hay un número superior para el número de protones y neutrones que pueden unirse para formar un núcleo atómico estable. Los protones, neutrones y electrones son todos fermiones.

       No pueden estar juntos y por eso están sometidos al Principio de exclusión de Pauli

Los Bosones transmiten fuerza. Para aventurar una imagen hiperbólica, podríamos concebir los fermiones como similares a patinadores sobre hielo que se arrojan balones los unos a los otros y, los balones son los bosones y el cambio de trayectoria de cada patinador que se produce cuando arrojan o atrapan los balones revela, en lenguaje newtoniano, la presencia de una fuerza.

           Los Bosones en cambio, si s4e juntan, y, de ahí, el Condensado de Bose-Einstein

Los Bosones no obedecen el principio de exclusión, y por consiguiente varias fuerzas diferentes pueden actuar en el mismo lugar al mismo tiempo. Los átomos de cualquier objeto, por ejemplo, están sujetos simultáneamente a la atracción eléctrica entre sus protones y electrones, y a la fuerza gravitacional de la Tierra.

Todos conocemos de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. Cada una tiene un papel distinto. La Gravitación, la atracción universal de todas las partículas materiales entre sí, mantiene unidos a cada estrella y planeta, y mantiene los planetas en sus órbitas dentro de la galaxia. El electromagnetismo, la atracción entre las partículas con carga eléctrica o magnéticas opuestas, produce luz y todas las otras formas de radiación electromagnética, incluyendo la radiación de onda larga llamada ondas radio y la radiación de onda corta llamada rayos X y rayos gamma. El electromagnetismo también une grupo de átomos para formar moléculas, y es la causa de la estructura de la materia tal como la conocemos. La Fuerza nuclear fuerte une protones y neutrones (llamados nucleones) en los núcleos de los átomos, y une las partículas elementales llamadas quarks para formar cada nucleón. La fuerza nuclear débil es la mediadora del proceso de desintegración radiactiva, la fuente de la energía emitida por los trozos de radio que estudiaron Rutherford y los Curie.

              Este es el súper-cúmulo galáctico al que pertenecemos

La conducta diferente de las fuerzas se refleja en la naturaleza de los bosones  que transportan. La Gravitación y el electromagnetismo tienen un alcance infinito, que es por lo cual nuestra Galaxia “siente” la atracción gravitacional del cúmulo de Virgo de galaxias, y por lo que podemos ver luz estelar proveniente de miles de millones de años-luz de distancia, pues los bosones que transporta estas dos fuerzas llamados respectivamente gravitones y fotones, tienen masa cero. La fuerza nuclear débil tiene un alcance muy corto porque las partículas que la transportan, llamadas bosones débiles, son masivas. La fuerza o interacción fuerte es llevada por las partículas llamadas gluones; son masivas pero tienen la curiosa y bella de que su fuerza aumenta, no disminuye, cuando los fermiones entre los que son intercambiadas (los quarks) se alejan.

Los Quarks están confinados dentro de los nucleones (protones y neutrones) y retenidos por los Bosones llamados Gluones, emisarios de la fuerza Nuclear Fuerte.

Un quark que empieza a apartarse de sus dos compañeros pronto se encuentra arrastrado por una red de gluones (confinamiento de los quarks), y, si se juntan, pueden moverse libremente (libertad asintótica). Por ello, los quarks en el universo contemporáneo permanecen ligados dentro de los protones y neutrones; aún no ha sido posible observar quarks libres, aunque han sido buscados en todas partes, desde las colisiones de aceleradores de partículas hasta el polvo de la Luna y en otros lugares más extraños.

Los fermiones que constituyen la materia, aunque muy variados y numerosos, pueden ser clasificados como quarks, que responden a la interacción fuerte, o leptones, que no lo hacen. Los leptones son partículas ligeras; entre ellos se encuentran los electrones que giran alrededor de los núcleos atómicos. Los quarks son los ladrillos que componen los protones y neutrones. Tres quarks forman un nucleón. Se piensa que hay seis variedades de leptones y otras tantas de quarks. Ni los unos ni los otros muestran signo alguno de tener una estructura interna, aunque su anatomía ha sido sondeada hasta escalas de 10  ̄¹⁸ metros. Esto equivale a decir que si un átomo fuese ampliado hasta las dimensiones de la Tierra, todo subcomponente de quark y leptones tendría que ser más pequeño que una naranja para escapar a su detección. De modo que los quarks y los leptones son las partículas básicas de la materia, hasta donde llega nuestro conocimiento actual.

Todo suceso fundamental –lo cual significa simple- del Universo, en principio, puede ser interpretado mediante el modelo estándar. Cuando un niño mira una estrella, fotones de luz estelar chocan con electrones de los átomos exteriores de los receptores que hay en la retina del niño, poniendo en marcha otras interacciones de electrones que transportan la imagen al cerebro; todo esto es obra del electromagnetismo. Los procesos nucleares que producen la Luz estelar son generados por las fuerzas nucleares fuerte y débil que operan dentro de la estrella. Y la gravitación es la fuerza que mantiene unida la estrella y aferra los pies del niño (aunque sólo sea intermitentemente) al suelo.

Las explicaciones científicas de cómo las diversas partículas de la materia se comportan bajo la influencia de tres de las cuatro fuerzas reciben el nombre de teorías cuánticas de campo relativistas. Son llamadas así porque utilizan tanto las reglas cuánticas como la teoría especial de la relatividad, a fin de tomar en cuenta los efectos que aumentan la masa de las partículas que se desplazan a una velocidad cercana a la de la luz.

El electromagnetismo se describe con exquisita exactitud por la teoría de electro cuántica, o EDC. La interacción fuerte es descrita por la Cromodinámica Cuántica, CDC. (“Cromo” proviene de un número cuántico caprichosamente llamado “color”, que desempeña una función para los Quarks comparable a la carga eléctrica en las cuestiones relacionadas con los electrones.) La fuerza débil ha pasado a pertenecer al dominio de la teoría electrodébil.

La Gravitación sigue siendo la excepción. Sus acciones siguen siendo descritas por la teoría general de la relatividad de Einstein, que es una teoría clásica, lo cual significa que no incluye los principios cuánticos. Esto no origina problemas en la mayoría de las situaciones, pero la relatividad pierde su validez cuando se llega a campos gravitatorios sumamente intensos, como los que aparecen en el interior de los agujeros negros o en el Universo al comienzo de su expansión. Allí, la curvatura del espacio llega a infinito, punto en el cual la teoría saluda y hace mutis grácilmente.

            Se trabaja en ello pero….

No tenemos ninguna teoría cuántica de la gravitación con la cual completar la relatividad general y, de paso, el Modelo Estándar de la Física. Una razón de esto es que la Gravedad es débil. Normalmente, las partículas subatómicas individualmente son tan poco afectadas por la fuerza gravitatoria que ejercen sus colegas que se puede ignorar la gravedad. Otra razón es que las interacciones gravitacionales son interpretadas, mediante la teoría general de la relatividad de Einstein, como resultado de la geometría del espacio-tiempo. Los “gravitones” que, se piensa, transmiten la gravitación deben, por tanto, determinar la forma misma del espacio, y no es asunto simple para una teoría dilucidar como logran hacerlo.

La actual física de partículas es una casa dividida, y aunque el modelo estándar da un buen resultado, pocos creemos que sea la última palabra en este tema que, con el Bosón de Higgs y algún que otro parámetro ahora perdido, todo podría cambiar.

Sin embargo, la Física actual está a la espera de una próxima revolución que, sólo podría venir de la mano de una nueva y avanzada teoría de la gravitación cuántica que, de una vez por todas incluyera a la Gravedad, en el Modelo estándar de la Física que, de esa manera sí que sería un modelo completo y sin fisuras.

Un Modelo Estándar sin parámetros aleatorios, firme y seguro que, sin dificultad y sin generar infinitos a las preguntas planteadas, nos pueda dar una respuesta convincente de lo que el Universo es.

Esperemos que venga pronto.

emilio silvera

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