V. EL MUNDO DE LAS PART�CULAS ELEMENTALES
PARA poder describir el estado del Universo en su "infancia" seg�n las teor�as m�s recientes, tendremos que recurrir a los conocimientos modernos sobre los constituyentes m�s peque�os de la materia. En este cap�tulo, abriremos un par�ntesis y cambiaremos de escala: del Universo en su conjunto al mundo microsc�pico de las part�culas elementales.
La materia est� constituida por �tomos. A pesar de lo que indica su nombre, un �tomo no es indivisible: consta de un n�cleo, alrededor del cual "giran" electrones. Los electrones son part�culas con una carga el�ctrica negativa y una masa de 9 [X 10-28] gramos. A su vez, los n�cleos at�micos est�n constituidos por dos tipos de part�culas: los protones (de carga positiva igual en magnitud a la del electr�n) y los neutrones (sin carga); estas dos part�culas tienen masas muy parecidas: respectivamente unas 1 836 y 1 838 veces la masa del electr�n. El n�mero de protones en un n�cleo at�mico determina el tipo de elemento qu�mico: el n�cleo de hidr�geno consta �nicamente de un prot�n, el de helio de dos protones y dos neutrones, y as� sucesivamente; el �ltimo elemento que se encuentra en estado natural, el uranio, posee 92 protones y 164 neutrones.
Uno de los descubrimientos m�s notables de la f�sica moderna es que las part�culas elementales tienen propiedades de part�cula y de onda al mismo tiempo. Esta dualidad es la base de la llamada mec�nica cu�ntica y tiene profund�simas repercusiones f�sicas y hasta filos�ficas, pero no es �ste el lugar para analizarla. Nos conformaremos con se�alar un ejemplo ilustrativo: la luz, que se comporta como una onda, est� constituida por una part�cula elemental, el fot�n. Esta part�cula se mueve siempre a la velocidad de la luz (evidentemente), y no posee masa aunque s� energ�a. El fot�n puede interpretarse como un paquete de energ�a pura; la frecuencia (v) de una onda luminosa est� relacionada con la energ�a (E) de los fotones que la componen a trav�s de la f�rmula de Planck:
donde h es la constante de Planck —una de las constantes fundamentales de la naturaleza—. La energ�a del fot�n determina el color de la luz; por ejemplo, los fotones de la luz roja tienen menos energ�a que los de la luz violeta. Pero no toda la luz puede ser percibida por nuestros ojos; la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma est�n constituidos por fotones de mucha energ�a, mientras que los de poca energ�a constituyen la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio (Figura 31).
Figura 31. El espectro electromagn�tico. La luz corresponde a un peque�o
rango de frecuencias (A = Angstrom = 10-8 cm).
Al principio, los f�sicos pensaban que los electrones, protones, neutrones y fotones eran las part�culas fundamentales de las que est� constituido todo el Universo. Desgraciadamente, la naturaleza result� ser mucho m�s complicada. Poco a poco, se fueron descubriendo nuevas part�culas, con propiedades muy diversas, y parec�a que la naturaleza hab�a creado una enorme variedad de ellas �nicamente para dificultar el trabajo de los f�sicos, pues ninguna de las nuevas part�culas parec�a tener una utilidad. Casi todas las part�culas elementales son inestables: se transforman unas en otras hasta terminar finalmente como electrones y protones,1 los cuales son estables afortunadamente (hasta donde se sabe).
Con el �nimo de poner un poco de orden en el "zool�gico" de las part�culas elementales, algunos f�sicos propusieron, a mediados de los sesentas, que las part�culas elementales pesadas, como el prot�n y neutr�n, no son en realidad elementales sino que est�n constituidas a su vez por part�culas a�n m�s elementales: los cuarks. Todav�a no se ha podido detectar un cuark aislado, y probablemente nunca se pueda, pero se han encontrado recientemente pruebas indirectas de su existencia. Originalmente, se hab�an propuesto tres tipos de cuarks para construir las part�culas elementales, �pero hasta el momento el n�mero ha aumentado a nueve!
De todas las part�culas elementales "ex�ticas", vale la pena mencionar el neutrino. Al igual que el fot�n, su masa es nula (o quiz� muy peque�a, menor que la del electr�n) y se mueve a la misma velocidad que la luz. Participa en reacciones nucleares, como el llamado decaimiento beta, por el que un neutr�n se transforma en un prot�n, un electr�n y un neutrino. La interacci�n del neutrino con las otras part�culas es extremadamente d�bil; siendo inmune a las fuerzas electromagn�ticas que producen la cohesi�n de la materia, puede cruzar un cuerpo s�lido sin detenerse (de 1013 neutrinos que atraviesen la Tierra, apenas uno, en promedio, ser� absorbido). El neutrino es un fantasma que recorre el Universo. Como veremos m�s adelante, esta part�cula juega un papel muy importante en cosmolog�a.
Un hecho notable de la naturaleza es la existencia de la antimateria. A todo tipo de part�cula elemental —excepto el fot�n— corresponde tambi�n una antipart�cula con la misma masa, pero carga el�ctrica contraria, adem�s de otras propiedades invertidas. As�, al electr�n le corresponde el antielectr�n, llamado com�nmente positr�n, cuya carga es positiva; al prot�n le corresponde al antiprot�n, de carga negativa, etc. Cuando una part�cula entra en contacto con su correspondiente antipart�cula, las dos se aniquilan produciendo un par de fotones muy energ�ticos: rayos gamma. La �nica excepci�n a esta regla son los neutrinos y antineutrinos que no pueden producir fotones.
El proceso inverso tambi�n es posible: si dos fotones tienen suficiente energ�a, pueden aniquilarse al chocar entre s� y producir un par part�cula-antipart�cula.
El proceso de creaci�n y aniquilamiento es una excelente ilustraci�n de la famosa equivalencia entre masa y energ�a dada por la f�rmula de Einstein E = mc2. Al chocar una part�cula con su antipart�cula, la masa de las dos se transforma �ntegramente en la energ�a de dos fotones. Inversamente, dos fotones de mucha energ�a —rayos gamma— pueden, al chocar, transformar toda su energ�a en masa de un par part�cula-antipart�cula. Un meteorito de un gramo de antimateria que llegara a la Tierra se aniquilar�a con un gramo de materia terrestre, liberando una energ�a equivalente a varias bombas at�micas. El hecho de que tal acontecimiento no suceda frecuentemente indica que, por lo menos en el Sistema Solar, no abunda la antimateria.2 Hasta ahora, s�lo se han visto antipart�culas en los grandes aceleradores.
En nuestra experiencia cotidiana, la materia a nuestro alrededor se encuentra a temperaturas relativamente bajas (300 grados Kelvin) y parece tener un comportamiento apacible. Pero al aumentar la temperatura, nuevos fen�menos empiezan a aparecer. Recordemos que el calor es una manifestaci�n macrosc�pica de la energ�a que poseen las mol�culas de un cuerpo; �stas se mueven y chocan entre s� con velocidades —o equivalentemente energ�as— que dependen de la temperatura. Un gas "fr�o" est� constituido de mol�culas, que, a su vez, est�n formadas de �tomos; si se calienta el gas, las mol�culas se mueven m�s r�pidamente y chocan entre s� con m�s fuerza, hasta que, por encima de cierta temperatura que var�a seg�n el tipo de mol�cula, �stas se rompen y quedan �tomos sueltos. Estos �tomos tambi�n poseen energ�a y chocan entre s�; adem�s, sus electrones pueden transformar parte de sus energ�as en fotones; por ello un gas caliente brilla. Si se sigue aumentando la temperatura, los �tomos empiezan a "sacudirse" de sus electrones; en ese caso, el gas queda constituido de electrones libres e iones —�tomos con menos electrones que protones—, y los electrones emiten fotones constantemente. Se dice que un gas en esas condiciones se encuentra parcialmente ionizado (un ejemplo es el gas ne�n que brilla en los tubos usados para iluminaci�n). Por encima de cierta temperatura —cuyo valor depende del elemento qu�mico— los �tomos se sacuden de todos sus electrones y se tiene entonces un gas totalmente ionizado: una mezcla de n�cleos desnudos y electrones libres que emiten constantemente fotones.
Una de las propiedades importantes de un gas ionizado es que brilla sin ser transparente; la raz�n es que los electrones libres interact�an muy f�cilmente con los fotones, chocando constantemente con ellos, desviando sus trayectorias y a veces absorbi�ndolos. En cambio, los �tomos no ionizados o las mol�culas interact�an d�bilmente con los fotones, por lo que un gas no ionizado (el aire, por ejemplo) puede ser muy transparente (Figura 32).
Figura 32. Un gas no ionizado suele ser transparente, pero al ionizarse,
los electrones libres desv�an constantemente las trayectorias de los fotones,
por lo que se pierde la transparencia.
(Las nebulosas que mencionamos en el cap�tulo II —las nebulosas gaseosas
y no las galaxias— son nubes de gas ionizado, que en algunos casos pueden
llegar a medir varios a�os luz y tener una masa equivalente a varios millones
de estrellas, como la nebulosa de Ori�n (Figura 33). Estas nubes son calentadas
por las estrellas que se encuentran en ellas.
Figura 33. La nebulosa de Ori�n. Es una gigantesca nube de gas ionizado, visible gracias a la luz de las estrellas de su interior.
Hemos mencionado que la materia y la antimateria se aniquilan al entrar en contacto. Pero existe una situaci�n en la naturaleza en la que pueden coexistir a temperaturas extremadamente altas. Si la temperatura de un gas llega a ser superior a unos 5 000 millones de grados Kelvin, los fotones en el gas tienen tanta energ�a que, al chocar entre s�, crean pares de electr�n-positr�n; �stos se aniquilan con otros electrones y positrones, pero los fotones producidos chocan con otros fotones para volver a crear electrones y positrones, y as� sucesivamente. El resultado neto es que los electrones, positrones y fotones pueden coexistir en equilibrio cre�ndose y aniquil�ndose continuamente (Figura 34). Si la temperatura del gas es superior a unos 10 millones de millones de grados, aparecen tambi�n protones y neutrones con sus antipart�culas, todos en equilibrio con los fotones. A temperaturas a�n superiores, se tendr� todo tipo de part�culas ex�ticas con sus respectivas antipart�culas, incluyendo cuarks y anticuarks, cre�ndose y aniquil�ndose continuamente. Como veremos, en el siguiente cap�tulo, esta situaci�n debi� prevalecer durante los primeros segundos de vida del Universo.
Figura 34. A temperaturas superiores a los 5 000 millones de grados los
fotones, electrones y positrones chocan constantemente entre s�, creándose
y aniquilándose.
EL MUNDO DE PLANCK
Ninguna teor�a f�sica es absoluta. Al contrario, todas tienen un rango de validez fuera del cual se vuelven in�tiles. La f�sica newtoniana funciona perfectamente mientras no se tengan que considerar velocidades cercanas a la de la luz o dimensiones comparables a la de los �tomos. Cuando un ingeniero dise�a un edificio de varios pisos, utiliza la mec�nica de Newton con resultados excelentes; pero un f�sico que quiera estudiar el comportamiento de un �tomo deber recurrir a la mec�nica cu�ntica, ya que, a escala at�mica y subat�mica, la mec�nica newtoniana es totalmente incre�ble. De manera an�loga, la Relatividad General no puede describir el mundo subat�mico, pero, desgraciadamente, no disponemos a�n de una teor�a cu�ntica de la gravitaci�n (aunque muchos f�sicos tienen la esperanza de que tal teor�a surgir� en un futuro no muy lejano).
Nos podemos dar una idea del l�mite de validez de la Relatividad General a partir de consideraciones sobre las tres constantes fundamentales de la naturaleza:
Estas tres constantes aparecen tanto en la teor�a de la gravitaci�n como en la mec�nica cu�ntica, y de los valores que tienen depende toda la estructura del Universo.
Si escogemos un sistema de medici�n en el que la unidad de longitud es el cent�metro, la de tiempo el segundo y la de masa el gramo, resulta que las tres constantes tienen los siguientes valores, determinados experimentalmente:
| G = 6.673... x 10-8 (cent�metros)3/(gramos)
(segundos)2 c = 2.998...x 1010 (cent�metros)/(segundos) h =1.055....x 10-27 (gramos) (cent�metros)2/(segundos) |
Pero, por supuesto, en otro sistema de unidades estos valores ser�n distintos. Cent�metros, segundos y gramos son unidades convencionales muy �tiles en nuestras experiencias cotidianas, pero cabe la pregunta de si no existe un sistema "natural" de unidades que la misma naturaleza haya escogido. Planck se dio cuenta de que combinando G, c, y h entre s�, se pueden obtener nuevas unidades. La combinaci�n
tiene dimensiones de longitud y su valor es aproximadamente 10-33 cent�metros; se le llama longitud de Planck. El tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia es
y es el tiempo de Planck: unos 10-44 segundos. Finalmente, la combinaci�n
es la masa de Planck: unos 10-5 gramos. La longitud y el tiempo de Planck tienen valores tan extremadamente peque�os que parecen ser las unidades naturales de otro mundo, subyacente al mundo subat�mico, con leyes f�sicas que no son totalmente desconocidas; el mundo de Planck es a los �tomos lo que �stos al mundo macrosc�pico (simplemente para tener una idea, un electr�n mide 1020 longitudes Planck). Por otro lado, la masa de Planck es much�simo mayor que la masa de una part�cula elemental; podr�a estar relacionada con las energ�as necesarias para "romper" una part�cula elemental, energ�as que quedan totalmente fuera de nuestras posibilidades experimentales.
Si la Relatividad General es v�lida, lo ser� s�lo para estudiar fen�menos a escalas mucho mayores que la longitud de Planck.
LAS FUERZAS FUNDAMENTALES DE LA NATURALEZA
Es un hecho fundamental de la naturaleza que existen cuatro tipos de fuerzas, o interacciones, con las que los cuerpos interactuan entre s�.
Un tipo de fuerza es la gravitacional, siempre presente en nuestra experiencia diaria, y tambi�n a escala c�smica: desde las part�culas elementales hasta las galaxias est�n sujetas a esta fuerza.
Otro tipo de fuerza es la electromagn�tica, tambi�n familiar; es la responsable de que los electrones se mantengan unidos a los n�cleos at�micos, los �tomos a las mol�culas, y las mol�culas entre s�; debido a que existen cargas positivas y negativas que se cancelan mutuamente, la fuerza electromagn�tica no se manifiesta tan abiertamente a gran escala como la gravitacional.
Existe otro tipo de interacci�n, llamada fuerte, que act�a �nicamente a nivel subat�mico. Los protones en los n�cleos se repelen el�ctricamente debido a que tienen cargas del mismo signo, y sin embargo se mantienen unidos por la fuerza nuclear —manifestaci�n de las interacciones fuertes— que es mucho m�s intensa que la el�ctrica; pero, a diferencia de esta �ltima, la interacci�n fuerte es de alcance microsc�pico y no se manifiesta a escala humana.
Finalmente, existe la interacci�n d�bil, con la que interact�an muy d�bilmente las part�culas elementales; es responsable, entre otras cosas, del decamiento radiactivo de ciertos n�cleos y, en general, de todos los procesos en que intervienen los neutrinos. Precisamente los neutrinos son tan dif�ciles de atrapar porque s�lo interact�an d�bilmente o gravitacionalmente con las otras part�culas.
Estas cuatro interacciones tienen magnitudes muy distintas. Por ejemplo, la atracci�n gravitacional entre un prot�n y un electr�n es 1040 veces menor que la atracci�n el�ctrica entre esas dos part�culas. Asimismo, la fuerza nuclear entre los protones en el n�cleo at�mico es unas cien veces m�s intensa que la fuerza el�ctrica entre ellos, y esta �ltima es mil veces m�s intensa que la fuerza d�bil.
Un sue�o de los f�sicos modernos es construir una teor�a en la que aparezcan unificadas todas las interacciones, como si cada una de ellas fuera una manifestaci�n de una interacci�n m�s general. La idea surgi� a ra�z de que James Clerk Maxwell, el m�s grande f�sico del siglo XIX, demostr� que las fuerzas el�ctricas y magn�ticas son manifestaciones de una misma interacci�n: la electromagn�tica. Ya en nuestro siglo, Albert Einstein pas� la �ltima parte de su vida tratando de construir una teor�a que unificara las fuerzas gravitacionales y electromagn�ticas, pero su b�squeda fue vana.
Los f�sicos parec�an haber abandonado toda esperanza unificadora cuando surgi� una luz a finales de los a�os sesentas: los f�sicos Weinberg y Salam demostraron que se pod�an unificar las interacciones d�biles con las electromagn�ticas; su teor�a fue confirmada posteriormente con experimentos realizados en aceleradores de part�culas.3
�Por qu� hasta a�os recientes los f�sicos no hab�an percibido una relaci�n entre las interacciones electromagn�ticas y d�biles? La respuesta es que, en los procesos f�sicos entre part�culas elementales que se estudian com�nmente, las energ�as implicadas son relativamente bajas; pero, a medida que las energ�as de las part�culas aumentan, las dos interacciones empiezan a parecerse cada vez m�s hasta que se vuelven indistinguibles por encima de cierta energ�a cr�tica —una energ�a que apenas se puede alcanzar en los aceleradores de part�culas construidos recientemente.
Motivados por el �xito de la teor�a de Weinberg y Salam, los f�sicos han tratado de construir una teor�a que unifique no s�lo las interacciones electromagn�ticas y d�biles, sino tambi�n las fuertes con ellas. Una teor�a as� ha sido propuesta en la actualidad, pero es extremadamente d�ficil confirmarla en forma experimental porque la energ�a cr�tica para la unificaci�n de esas tres interacciones queda totalmente fuera del alcance de la tecnolog�a moderna. La teor�a mencionada predice que el prot�n no es completamente estable, sino que debe de decaer en otras part�culas m�s ligeras —aunque la vida promedio de un prot�n excede ampliamente la edad del Universo. Hasta ahora no se ha podido detectar el decaimiento de ning�n prot�n, por lo que la teor�a seguramente necesitar� modificaciones; empero, la idea de unificar tres interacciones fundamentales es demasiado atrayente como para desecharla con facilidad.
Finalmente queda la gran ilusi�n de los f�sicos te�ricos: una teor�a unificada de las cuatro interacciones fundamentales. Algunos ya est�n trabajando en ella y quiz�s se tengan resultados concretos en el futuro. Los f�sicos sospechan que tal "superunificaci�n" se produce cuando las energ�as de las part�culas exceden la "energ�a de Planck": es decir, la masa de Planck multiplicada por c2, lo cual es una energ�a fabulosa para una part�cula elemental.
A estas alturas, el lector se estar� preguntando seguramente �qu� tiene que ver todo lo anterior con el Universo, con sus estrellas y sus galaxias? Sorprendentemente, existe una relaci�n: si el Universo naci� en un estado de alt�sima densidad y temperatura, las part�culas que lo compon�an recorrieron toda la gama de energ�as. Las �pocas m�s tempranas del Universo s�lo se pueden estudiar a trav�s de las teor�as modernas de part�culas elementales; rec�procamente, la cosmolog�a puede servir para confirmar o refutar, a trav�s de observaciones astron�micas, dichas teor�as. Los f�sicos de part�culas elementales realizan sus experimentos en aceleradores que requieren de enormes cantidades de energ�a, pero esas energ�as son risibles a escala astron�mica. El espacio c�smico es un laboratorio que dispone, literalmente, de toda la energ�a del Universo; no podemos manejarlo a nuestro antojo, pero s� podemos aprender a interpretar sus mensajes.
NOTAS
1 Los neutrones s�lo son estables si est�n amarrados en un n�cleo at�mico.
2 Se ha sugerido que la famosa explosi�n de Tunguska, Siberia, en 1908, se debi� a la ca�da de un meteorito de antimateria.
3 Weinberg y Salam obtuvieron el premio
Nobel en 1979 por su trabajo.
