La superfuerza

A todos nos gustan las historias de aventuras. 

Una de las más fascinantes aventuras de todos los tiempos está ocurriendo ahora, en el insustancial mundo de la física fundamental. 

Los personajes de la historia son científicos, y lo que buscan es un tesoro de inimaginable valor... nada menos que la clave del Universo.

Espectaculares desarrollos surgen directamente de varios avances importantes efectuados en física fundamental durante la última década, especialmente en el área conocida como física de las partículas de alta energía. 

En el frente experimental, importantes descubrimientos nos revelan por primera vez profundas relaciones entre las partículas subnucleares y las fuerzas que yacen ocultas dentro de la materia. 

Pero los avances en la comprensión teórica son, por así decir, aún más espectaculares. 

Dos nuevos esquemas conceptuales se están abriendo paso, uno de ellos bajo el nombre de "teorías del centro unificado" (TCU), y el otro bajo el de "supersimetría". 

Las dos líneas de investigación apuntan hacia una idea apremiante, la de que toda la naturaleza está en último término controlada por la acción de una única superfuerza. 

Toda ciencia es esencialmente una búsqueda de unidad. 

El científico, relacionando distintos fenómenos en una teoría o descripción común, unifica parte de nuestro confuso y complejo mundo. 

Lo que hace tan excitantes los recientes descubrimientos es que, en teoría, todos los fenómenos naturales pueden ser ahora abarcados por un solo esquema descriptivo.

La búsqueda de una superfuerza puede ser rastreada hasta los primeros trabajos de Einstein y otros, que intentaron construir una teoría del campo unificado. 

Un siglo antes, Faraday y Maxwell habían mostrado que la electricidad y el magnetismo son fuerzas tan íntimamente relacionadas entre sí que pueden ser descritas por un campo electromagnético unificado. 

El éxito de esta descripción puede medirse por el tremendo impacto que la radio y la electrónica que derivan del concepto de campo electromagnético han tenido en nuestra sociedad. 

Siempre ha habido una gran motivación para extender el proceso unificador y fundir el campo electromagnético con otros campos de fuerza, como la gravedad. 

Quién sabe qué extraordinarios resultados puede traer esta unificación!

El siguiente paso, sin embargo, resultó no ser tan fácil. 

La búsqueda de Einstein de una teoría unificada de los campos electromagnético y gravitatorio fue en vano, y sólo hacia finales de los años 60 se avanzó un t anto en el camino de la unificación al demostrarse que el electromagnetismo puede ser combinado matemáticamente con una de las fuerzas nucleares (conocida por los físicos como fuerza débil). 

La nueva teoría dio lugar a predicciones comprobables, entre las cuales la más espectacular fué la existencia de un nuevo tipo de luz, compuesta no por fotones ordinarios, sino por unas misteriosas partículas Z. 

En 1.983, en una serie de experimentos de colisión a altas energías en un acelerador de partículas subatómicas cerca de Ginebra, las partículas Z fueron finalmente producidas y la teoría unificada fué confirmada triunfalmente.

Por aquel entonces, los teóricos habían ya forjado y formulado una teoría mucho más ambiciosa que unificaba el otro tipo de fuerza nuclear (la fuerte) con la fuerza electromagnética y la fuerza débil. 

Trabajos paralelos sobre la gravedad han empezado a mostrar cómo fundir esta fuerza con las demás en una teoría unificada. 

Los físicos creen que en la naturaleza actúan solamente estas cuatro fuerzas fundamentales, y así se abre el camino para una teoría completamente integrada en la cual todas las fuerzas se engloban en un solo esquema descriptivo. 

La teoría del campo unificado, buscada durante tantas décadas, parece hallarse finalmente al alcance de la mano.

En sus intentos de amalgamar las cuatro fuerzas de la naturaleza en una superfuerza común, los físicos han obtenido algunas premisas excelentes. 

La moderna teoría de las fuerzas se ha desarrollado a partir de la física cuántica, en la cual los campos de fuerza actúan transportando partículas "mensajeras". 

Puesto que toda la materia está compuesta también de partículas, la física cuántica proporciona una descripción común de fuerza y materia. 

Por supuesto, es imposible desenmarañar la naturaleza de las fuerzas a partir de la estructura microscópica de la materia: las partículas actúan sobre otras partículas (y sobre sí mismas) a través del intercambio de más partículas. 

De ello se sigue que la teoría unificada de las fuerzas es también una teoría unificada de la materia. 

El asombroso conjunto de especies de partículas catalogadas por los experimentadores a lo largo de los últimos cincuenta años no es ya una mezcolanza carente de significado; pueden ser ordenadas en un esquema sistemático.

El concepto de simetría es fundamental para el programa de unificación. 

En su aspecto más básico, la simetría se halla presente donde existan lazos conectores entre distintas partes de un objeto o sistema. 

Si las partículas subatómicas con propiedades estrechamente relacionadas se agrupan en familias, el esquema que se obtiene sugiere la labor de profundas simetrías. 

De estos apasionantes avances en nuestra comprensión de las fuerzas básicas que conforman el mundo físico surge la idea de que la estructura esencial del Universo actual fue determinada en las más remotas épocas cósmicas, cuando el Universo tenía mucho menos de un segundo de edad. 

Una a una, las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, y dos tipos de fuerza nuclear) se separaron de la superfuerza. 

Paso a paso, las partículas que iban a constituir toda la materia del mundo adquirieron sus actuales identidades. 

El concepto moderno de fuerza no se desarrolló completamente hasta el siglo XVII, con las leyes de la mecánica de Newton. 

El golpe maestro de Newton fué darse cuenta de que el movimiento como tal no requería necesariamente una fuerza. 

Un cuerpo material se moverá a una velocidad uniforme en una dirección fija sin ningún impulso externo que tire de él o lo empuje. 

Tan sólo las desviaciones del movimiento uniforme requieren una explicación, es decir, la presencia de fuerzas. 

Según Newton, las fuerzas producen aceleraciones, y proporcionó una fórmula matemática precisa para relacionar ambos conceptos.

La teoría de Newton eliminó de inmediato una dificultad relativa al movimiento de la Tierra en torno al Sol. 

No hay ningún elemento visible que empuje o tire de la Tierra a lo largo de su órbita. Según la teoría de Newton, no se necesita ninguno. 

El hecho del movimiento de la Tierra no es un problema; sólo su desvío de la uniformidad (movimiento en línea recta a una velocidad constante) requiere explicación. 

La trayectoria de la Tierra en el espacio se curva en torno al Sol, un hecho fácilmente explicado por la fuerza gravitatoria de este último.

La mecánica de Newton se aceptó rápidamente como una feliz descripción de la fuerza y el movimiento, y en la actualidad es la base de toda la ingeniería. 

No hace ninguna referencia, sin embargo, al origen de las fuerzas que aceleran la materia. 

A primera vista, esas fuerzas parecen ser muchas y variadas: el impacto del viento sobre el discurrir de un arroyo, la presión del aire sobre el agua, el insistente empuje del metal en expansión, el violento estallido de los productos químicos al explotar, el tirón de un elástico tensado, la energía muscular humana, el peso de los objetos, etc. 

Algunas fuerzas parecen actuar directamente por contacto con un cuerpo, como al tirar de una cuerda, mientras que otras, como la gravedad, parecen actuar a distancia a través del espacio vacío.

Pese a su gran variedad, un estudio cuidadoso ha demostrado que toda la actividad de la naturaleza puede ser reducida a la actuación de aquellas cuatro fuerzas fundamentales. 

Esas fuerzas son, en último término, responsables de toda la actividad del mundo; son la fuente de todos los cambios. 

Cada fuerza posee sus semejanzas y sus diferencias con respecto a las demás. 

Comprender las propiedades de esas cuatro fuerzas es una tarea importante para el físico y constituye un requisito esencial en el camino hacia la superfuerza.

Cómo estamos constituídos?

Si no hubiera fuerzas, las partículas de materia vagarían independientemente, ignorantes de la existencia de las demás. 

La presencia de fuerzas permite a las partículas reconocer a otras partículas y reaccionar ante ellas, desarrollando así un comportamiento colectivo.

Cuando un ingeniero habla de fuerzas, normalmente piensa en algo que tira o empuja, como una cuerda o un cable. 

Podemos visualizar rápidamente este tipo de fuerzas y comprender con facilidad, gracias a la experiencia directa, cómo actúan. 

Hay, sin embargo, otras manifestaciones de fuerzas que son menos familiares, como la degradación radiactiva de un núcleo atómico o la explosión de una estrella. 

Puesto que toda la materia está formada por partículas, deberemos recurrir en última instancia a la física de partículas para pedir una explicación de las fuerzas. 

Al hacerlo, descubriremos que todas las fuerzas, sean cuales fueren sus manifestaciones a gran escala, pueden reducirse a cuatro variedades básicas: gravedad, electromagnetismo, fuerza fuerte y fuerza débil. 

Veremos cómo las fuerzas se comunican de una partícula a otra, y también que fuerzas y partículas se hallan íntimamente relacionadas, de tal modo que no podemos comprender las unas sin comprender las otras.

Con el aumento del tamaño de las cosas, cambia la importancia relativa de las cuatro fuerzas. En el ámbito de los quarks y de los núcleos dominan las dos fuerzas nucleares. 

La fuerza nuclear fuerte es responsable de mantener unidos los quarks en protones y neutrones y de asegurar la cohesión de los núcleos atómicos. 

En el nivel atómico, la fuerza dominante es el electromagnetismo, que retiene a los electrones junto al núcleo y permite que los átomos se combinen entre sí para formar moléculas. 

La mayor parte de las fuerzas "cotidianas", como la tensión de un cable o la presión de un objeto contra otro, son ejemplos de la acción a gran escala de las fuerzas electromagnéticas. 

En lo que respecta a los sistemas astronómicos, la fuerza dominante es la gravedad. Así, pues, cada fuerza desempeña su papel particular a una escala determinada de tamaño, y cada una de ellas tiene una misión importante que cumplir en el modelado de los rasgos del mundo físico.

En años recientes los físicos han empezado a preguntarse por las relaciones entre las cuatro fuerzas que controlan el Universo. 

Hay alguna conexión entre ellas? 

Son simplemente cuatro manifestaciones distintas de una única superfuerza subyacente? 

Si esta superfuerza existe, será en última instancia la responsable de toda la actividad del Universo, desde la creación de las partículas subatómicas hasta el colapso de una estrella. 

La liberación de esta superfuerza nos dará un poder inimaginable. 

Nos permitirá, quizá, explicar incluso cómo empezó a existir el Universo.

Tomemos, por ejemplo, el mundo de las partículas cuánticas subatómicas, donde la intuición fracasa por completo y la naturaleza parece estar jugándonos sucios trucos. 

Uno de ellos es el de la barrera. 

Supongamos, por ejemplo, que arrojamos una piedra contra una ventana. 

Si la piedra se mueve lentamente rebotará, dejando la ventana intacta. 

Con mayor energía, la piedra romperá los cristales y pasará a través de la ventana. 

Podemos realizar un ejercicio similar en el mundo atómico, donde el papel de la piedra lo representa una partícula, como un electrón, y la ventana es una especie de frágil barrera, como la que nos proporciona un conjunto de átomos o un voltaje eléctrico. 

A menudo el electrón actuará del mismo modo que la piedra, rebotando cuando se acerca lentamente a la barrera y rompiéndola y pasando a su través cuando posee más energía. 

Pero a veces esta simple regla se viola flagrantemente: el electrón rebota aunque posea energía más que suficiente para abrirse paso a través de la barrera.

Más extrañas aún son las situaciones en que un electrón que no posee la energía suficiente para atravesar la barrera aparece milagrosamente al otro lado. 

Supongamos que al arrojar suavemente una piedra a una ventana ¡vemos como atraviesa el cristal y, sin romperlo, aparece al otro lado! 

Este tipo de truco es exactamente el que hacen los electrones. 

En efecto, excavan un "túnel" a través de una barrera impenetrable. 

Otro truco puede producirse cuando un electrón se aproxima a un precipicio al cual está a punto de caer. 

Al llegar al borde del abismo puede cambiar bruscamente de dirección. 

Este comportamiento no es en absoluto predecible. 

A veces el electrón dará media vuelta; otras se despeñará.

Esos extraños fenómenos hacen parecer que el electrón es capaz de sentir su entorno. 

Cuando llega a una barrera parece "ver" más allá de ella y razonar: «La barrera es delgada, de modo que desapareceré y me materializaré al otro lado.» 

Aunque la idea de que un electrón pueda estar aquí en un determinado momento y allí en el siguiente parece absolutamente extraña, esto es lo que ocurre. 

De hecho, los electrones se comportan en ciertos aspectos como si se hallaran en muchos lugares distintos a la vez. es importante darse cuenta de que estas extravagantes travesuras no son simplemente ciencia especulativa. el "efecto túnel", por ejemplo, es explotado en un cierto número de dispositivos microelectrónicos comerciales, como el diodo a túnel. 

De hecho, incluso el flujo ordinario de electricidad en un hilo de cobre posee un elemento de túnel.

Muchas de las extravagancias de los electrones se deben a que en algunos aspectos se comportan como ondas. 

De hecho, es posible demostrar las ondulaciones de las ondas del electrón en diversos experimentos controlados. La idea de que algo puede ser a la vez una onda y una partícula desafía a la imaginación, pero la existencia de esta "dualidad" onda-partícula está fuera de toda duda. 

Ocurre también que lo que normalmente identificamos como onda puede tomar aspectos de partícula en el micromundo. 

Las ondas de luz, por ejemplo, se comportan como un haz de partículas cuando arrancan electrones de las superficies metálicas (efecto fotoeléctrico). 

Las partículas de luz son conocidas como fotones, y los físicos los sitúan aliado de los electrones y los quarks en la lista de partículas fundamentales. 

Es imposible imaginarse una onda-partícula. 

No hay nada en el mundo cotidiano que se parezca ni remotamente a tamaña monstruosidad. 

Si nos topáramos con una onda-partícula seríamos incapaces de reconocer nada.

Gran parte de las dificultades que se hallan en la comprensión de la física moderna se deben a los intentos de hacer encajar los conceptos abstractos en el esquema "cotidiano" del sentido común. 

Parece que se sufre una profunda necesidad psicológica de reducir toda realidad a imágenes simples y fácilmente digeribles. 

Cuando aparece algo, como una onda-partícula, que no tiene contrapartida en la experiencia directa, el resultado es el asombro, o incluso el escepticismo absoluto. 

Es posible que los estudiantes de física tengan la impresión de no haber comprendido correctamente al no poseer una imagen mental sencilla de lo que ocurre. 

Frecuentemente recibo cartas o manuscritos de científicos aficionados que afirman que han desarrollado una nueva teoría de la física de partículas basada en nociones de sentido común. 

Sus motivaciones -las de los autores- se apoyan en el hecho de que los físicos profesionales tienen que estar equivocados si ellos -los autores- no pueden comprender los conceptos implicados. 

Ningún principio de la naturaleza, declaran, puede ser abstracto e insólito. 

Curiosamente, nadie parece denunciar el arte abstracto con términos tan infamantes.

Los electrones no son las únicas partículas sujetas a los caprichos de los fenómenos cuánticos. 

Sus propiedades son compartidas por todas las partículas microscópicas, incluidos los quarks. 

Los efectos descritos más arriba ocurren todos a una energía relativamente baja. 

Más peculiares aún son algunos de los efectos de las altas energías, como la brusca aparición de una partícula donde antes no existía ninguna, o la descomposición de una partícula inestable en una lluvia de otras partículas. 

Hay incluso partículas "Jekyll y Hyde", en las que dos entidades separadas parecen fundirse en una estructura híbrida de identidad esquizofrénica.

Entre las más extrañas partículas subatómicas se hallan los neutrinos. 

Esos objetos fantasmales no tienen probablemente masa y viajan a la velocidad de la luz. 

No poseen carga eléctrica y prescinden casi completamente de la materia sólida. 

Los neutrinos son tan insustanciales que pueden pasar fácilmente a través de la Tierra, e incluso pueden atravesar una capa de plomo de varios años luz de espesor! Incontables millones de neutrinos nos están atravesando en el breve tiempo necesario para leer estas palabras.

Los neutrinos están muy cerca de ser una pura nada, excepto por una propiedad vital llamada spin. 

A veces se dice que giran, literalmente, como la Tierra gira sobre su eje, pero de hecho la analogía es errónea.

El spin de un neutrino tiene rasgos decididamente extraños.

La astrofísica es otro tema donde las nociones del sentido común se han visto despedazadas. 

Las ondas gravitatorias nos ofrecen una buena ilustración del caso. Estas escurridizas alteraciones no son más que agitaciones del espacio en sí, una especie de curvatura espacial viajera. 

Son generadas dondequiera que los cuerpos materiales o la energía producen violentos movimientos. 

Aunque las ondas gravitatorias arrastran consigo energía e impulso, no son propiamente sustanciales; son simplemente ondulaciones de la nada. Igualmente extraordinario es su intenso poder de penetración, que supera incluso el de los efímeros neutrinos. 

Virtualmente nada puede detener las ondas gravitatorias, lo cual las hace terriblemente difíciles de detectar, ya que simplemente siguen su camino e ignoran el detector.

Para captar estas extravagantes nociones hay que llevar la imaginación al límite. 

Sería imposible un progreso sistemático de no ser por las matemáticas. 

Las fórmulas abstractas no necesitan imaginación, y pueden describir fielmente los más extraños fenómenos siempre que las ecuaciones utilizadas sean consistentes desde el punto de vista de la lógica. 

El uso general de las matemáticas superiores en la física hace que los trabajos más teóricos parezcan un laberinto de símbolos incomprensibles. 

Las crípticas matemáticas, emparejadas con el fuerte aroma místico de la nueva física, impregna el tema de una atracción casi religiosa, y el físico profesional hace de sumo sacerdote. Indudablemente esto tiene mucho que ver con la enorme popularidad de la nueva física entre las personas de una profunda convicción religiosa o filosófica. 

Sin embargo, hay que recordar siempre que la física es un tema eminentemente práctico, y que pese a que algunos de sus conceptos parezcan sacados de Alicia en el País de las Maravillas, gran parte de la tecnología moderna depende de nuestra comprensión de estas ideas abstractas.

Un ejemplo clásico, que ocurrió alrededor de 1800, se refiere a las leyes del movimiento del campo electromagnético. 

Décadas atrás, Michael Faraday y otros habían establecido que la electricidad y electromagnetismo estaban fuertemente relacionados, y que cada uno se alimentaba del otro. 

Los efectos de las fuerzas eléctricas y magnéticas se comprendían mejor en términos de un campo, una especie de invisible halo de influencia que emana de la materia y se extiende por el espacio y es capaz de actuar sobre las partículas cargadas eléctricamente, las corrientes eléctricas y los imanes. 

Podemos apreciar este campo cuando acercamos dos imanes y sentimos que se atraen o se repelen mutuamente, aunque no lleguen a tocarse.

Más tarde, alrededor de 1.850, James Clerk Maxwell unificó los campos eléctrico y magnético en un sistema de ecuaciones. Maxwell vio que las ecuaciones parecían desequilibradas: las partes eléctrica y magnética no eran del todo simétricas. 

En consecuencia, añadió un nuevo término para dar a las ecuaciones un aspecto más agradable y simétrico. 

El nuevo término podía interpretarse como un efecto que había sido pasado por alto -la creación de magnetismo por un campo eléctrico variable-, y resultó que existía realmente. 

La naturaleza estaba de acuerdo con el sentido estético de Maxwell. 

La introducción por parte de Maxwell del nuevo término tuvo profundas consecuencias. 

En primer lugar, unificó completamente electricidad y magnetismo en un solo campo, el campo electromagnético. 

Las ecuaciones de Maxwell fueron la primera teoría del campo unificado y el primer paso en el largo camino hacia la superfuerza. 

Demostraron que dos fuerzas aparentemente distintas de la naturaleza son de hecho tan solo dos facetas de una misma fuerza unificada.

En segundo lugar, entre las soluciones de las ecuaciones de Maxwell había algunas inesperadas y excitantes posibilidades. 

Se descubrió que las ecuaciones eran satisfechas por varias funciones sinusoidales (de nuevo simetría) que representan ondas u ondulaciones periódicas. 

Esas ondas electromagnéticas, concluyó Maxwell, viajan por sí mismas a través del campo y se propagan por lo que al parecer es espacio vacío. 

Sus ecuaciones dieron una fórmula para la velocidad de las ondas en términos de valores eléctricos y magnéticos. 

Tras los cálculos, la velocidad era de unos 300.000 kilómetros por segundo, es decir, la velocidad de la luz. La conclusión era obvia: la luz tiene que ser una onda electromagnética. De hecho, puede viajar a través del espacio vacío, ya que gracias a ello vemos el Sol.

Maxwell fue aún más lejos y predijo la existencia de ondas electromagnéticas de otras longitudes de onda, predicción que varios años más tarde fue confirmada cuando Heinrich Hertz produjo las primeras ondas de radio en el laboratorio. 

Hoy sabemos que los rayos gamma, los rayos X, los infrarrojos, los ultravioleta y las microondas son también ondas electromagnéticas. 

La ligera chispa de simetría de Maxwell llegó muy lejos.

El descubrimiento de las ondas electromagnéticas, con sus ramificaciones que condujeron a la revolución de la radio y, más tarde, a la electrónica, es un espléndido ejemplo no sólo de la capacidad de las matemáticas para describir el mundo y ampliar nuestro conocimiento acerca de él, sino también del uso de la simetría y la belleza como guía. 

Pero se necesitaron cincuenta años para apreciar todas las implicancias de la simetría de las ecuaciones de Maxwell.

A finales del siglo pasado, Henri Poincar y Heinrich Lorentz investigaron la estructura matemática de las ecuaciones de Maxwell, con un ojo puesto en las simetrías que se ocultan bajo los símbolos, simetrías que por aquel entonces eran desconocidas. 

El celebrado "nuevo término" que Maxwell había introducido para equilibrar sus ecuaciones proporcionaba al campo electromagnético una poderosa pero sutil forma de simetría que no emergió más que después de un cuidadoso análisis matemático. 

Parece ser que sólo Einstein, con su intuición sobrehumana, sospechó una simetría de esta naturaleza en el terreno físico.

La simetría de Lorentz-Poincar‚ es similar en espíritu a las simetrías geométricas tales como rotaciones y reflexiones, pero difiere en un aspecto crucial: nadie más había pensado en mezclar el espacio y el tiempo de una manera física. 

El espacio es el espacio y el tiempo es el tiempo. Su aparición conjunta en la simetría de Lorentz-Poincar‚ resultaba extraña e inesperada.

En esencia, la nueva simetría se parece a una rotación, pero no sólo en el espacio; también implica al tiempo. 

Si a las tres dimensiones del espacio añadimos la dimensión temporal para formar un espacio-tiempo tetradimensional, entonces la simetría de Lorentz-Poincar es una especie de rotación en el espacio-tiempo. 

El efecto de la rotación en el espacio-tiempo es proyectar alguna longitud espacial en el tiempo y viceversa. 

Que las ecuaciones de Maxwell sean simétricas bajo una operación de unión del espacio y el tiempo tan peculiar como ésta resulta altamente sugestivo.

Fué necesario el genio de Einstein para sacar a la luz todas las implicancias. 

Espacio y tiempo no son entidades independientes, se hallan interconectadas. 

Las sutiles "rotaciones" de Lorentz y Poincar‚ no son simplemente matemática abstracta, sino que pueden darse en el mundo real mediante el movimiento. 

La clave de las sorprendentes "proyecciones" o distorsiones del espacio-tiempo reside en la velocidad de la luz y de las ondas electromagnéticas en general, velocidad que también se obtiene de las ecuaciones de Maxwell. 

Hay pues una profunda relación entre el movimiento ondulatorio electromagnético y la estructura del espacio y del tiempo. 

Cuando un observador se mueve a una velocidad próxima a la de la luz, espacio y tiempo se distorsionan fuertemente de una forma simétrica, tal como se describe en las operaciones matemáticas de Lorentz y Poincar. 

Este era el efecto peculiar, tan contrario al sistema común.

La teoría de la relatividad de Einstein nació de esta nueva e importante intuición de una sutil simetría en la naturaleza, y con ella nació también la nueva física que debía sacudir la comunidad científica y cambiar la faz del siglo XX.