V. EL MUNDO DE LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES
PARA poder describir el estado del Universo en su "infancia" según las teorías más recientes, tendremos que recurrir a los conocimientos modernos sobre los constituyentes más pequeños de la materia. En este capítulo, abriremos un paréntesis y cambiaremos de escala: del Universo en su conjunto al mundo microscópico de las partículas elementales.
La materia está constituida por átomos. A pesar de lo que indica su nombre, un átomo no es indivisible: consta de un núcleo, alrededor del cual "giran" electrones. Los electrones son partículas con una carga eléctrica negativa y una masa de 9 [X 10-28] gramos. A su vez, los núcleos atómicos están constituidos por dos tipos de partículas: los protones (de carga positiva igual en magnitud a la del electrón) y los neutrones (sin carga); estas dos partículas tienen masas muy parecidas: respectivamente unas 1 836 y 1 838 veces la masa del electrón. El número de protones en un núcleo atómico determina el tipo de elemento químico: el núcleo de hidrógeno consta únicamente de un protón, el de helio de dos protones y dos neutrones, y así sucesivamente; el último elemento que se encuentra en estado natural, el uranio, posee 92 protones y 164 neutrones.
Uno de los descubrimientos más notables de la física moderna es que las partículas elementales tienen propiedades de partícula y de onda al mismo tiempo. Esta dualidad es la base de la llamada mecánica cuántica y tiene profundísimas repercusiones físicas y hasta filosóficas, pero no es éste el lugar para analizarla. Nos conformaremos con señalar un ejemplo ilustrativo: la luz, que se comporta como una onda, está constituida por una partícula elemental, el fotón. Esta partícula se mueve siempre a la velocidad de la luz (evidentemente), y no posee masa aunque sí energía. El fotón puede interpretarse como un paquete de energía pura; la frecuencia (v) de una onda luminosa está relacionada con la energía (E) de los fotones que la componen a través de la fórmula de Planck:
donde h es la constante de Planck —una de las constantes fundamentales de la naturaleza—. La energía del fotón determina el color de la luz; por ejemplo, los fotones de la luz roja tienen menos energía 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 están constituidos por fotones de mucha energía, mientras que los de poca energía constituyen la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio (Figura 31).
Figura 31. El espectro electromagnético. La luz corresponde a un pequeño
rango de frecuencias (A = Angstrom = 10-8 cm).
Al principio, los físicos pensaban que los electrones, protones, neutrones y fotones eran las partículas fundamentales de las que está constituido todo el Universo. Desgraciadamente, la naturaleza resultó ser mucho más complicada. Poco a poco, se fueron descubriendo nuevas partículas, con propiedades muy diversas, y parecía que la naturaleza había creado una enorme variedad de ellas únicamente para dificultar el trabajo de los físicos, pues ninguna de las nuevas partículas parecía tener una utilidad. Casi todas las partículas 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 ánimo de poner un poco de orden en el "zoológico" de las partículas elementales, algunos físicos propusieron, a mediados de los sesentas, que las partículas elementales pesadas, como el protón y neutrón, no son en realidad elementales sino que están constituidas a su vez por partículas aún más elementales: los cuarks. Todavía 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 habían propuesto tres tipos de cuarks para construir las partículas elementales, ñpero hasta el momento el número ha aumentado a nueve!
De todas las partículas elementales "exóticas", vale la pena mencionar el neutrino. Al igual que el fotón, su masa es nula (o quizá muy pequeña, menor que la del electrón) y se mueve a la misma velocidad que la luz. Participa en reacciones nucleares, como el llamado decaimiento beta, por el que un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un neutrino. La interacción del neutrino con las otras partículas es extremadamente débil; siendo inmune a las fuerzas electromagnéticas que producen la cohesión de la materia, puede cruzar un cuerpo sólido sin detenerse (de 1013 neutrinos que atraviesen la Tierra, apenas uno, en promedio, será absorbido). El neutrino es un fantasma que recorre el Universo. Como veremos más adelante, esta partícula juega un papel muy importante en cosmología.
Un hecho notable de la naturaleza es la existencia de la antimateria. A todo tipo de partícula elemental —excepto el fotón— corresponde también una antipartícula con la misma masa, pero carga eléctrica contraria, además de otras propiedades invertidas. Así, al electrón le corresponde el antielectrón, llamado comúnmente positrón, cuya carga es positiva; al protón le corresponde al antiprotón, de carga negativa, etc. Cuando una partícula entra en contacto con su correspondiente antipartícula, las dos se aniquilan produciendo un par de fotones muy energéticos: rayos gamma. La única excepción a esta regla son los neutrinos y antineutrinos que no pueden producir fotones.
El proceso inverso también es posible: si dos fotones tienen suficiente energía, pueden aniquilarse al chocar entre sí y producir un par partícula-antipartícula.
El proceso de creación y aniquilamiento es una excelente ilustración de la famosa equivalencia entre masa y energía dada por la fórmula de Einstein E = mc2. Al chocar una partícula con su antipartícula, la masa de las dos se transforma íntegramente en la energía de dos fotones. Inversamente, dos fotones de mucha energía —rayos gamma— pueden, al chocar, transformar toda su energía en masa de un par partícula-antipartícula. Un meteorito de un gramo de antimateria que llegara a la Tierra se aniquilaría con un gramo de materia terrestre, liberando una energía equivalente a varias bombas atómicas. 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, sólo se han visto antipartículas 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 fenómenos empiezan a aparecer. Recordemos que el calor es una manifestación macroscópica de la energía que poseen las moléculas de un cuerpo; éstas se mueven y chocan entre sí con velocidades —o equivalentemente energías— que dependen de la temperatura. Un gas "frío" está constituido de moléculas, que, a su vez, están formadas de átomos; si se calienta el gas, las moléculas se mueven más rápidamente y chocan entre sí con más fuerza, hasta que, por encima de cierta temperatura que varía según el tipo de molécula, éstas se rompen y quedan átomos sueltos. Estos átomos también poseen energía y chocan entre sí; además, sus electrones pueden transformar parte de sus energías en fotones; por ello un gas caliente brilla. Si se sigue aumentando la temperatura, los átomos empiezan a "sacudirse" de sus electrones; en ese caso, el gas queda constituido de electrones libres e iones —átomos 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 neón que brilla en los tubos usados para iluminación). Por encima de cierta temperatura —cuyo valor depende del elemento químico— los átomos se sacuden de todos sus electrones y se tiene entonces un gas totalmente ionizado: una mezcla de núcleos desnudos y electrones libres que emiten constantemente fotones.
Una de las propiedades importantes de un gas ionizado es que brilla sin ser transparente; la razón es que los electrones libres interactúan muy fácilmente con los fotones, chocando constantemente con ellos, desviando sus trayectorias y a veces absorbiéndolos. En cambio, los átomos no ionizados o las moléculas interactúan débilmente 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 desvían constantemente las trayectorias de los fotones,
por lo que se pierde la transparencia.
(Las nebulosas que mencionamos en el capítulo II —las nebulosas gaseosas
y no las galaxias— son nubes de gas ionizado, que en algunos casos pueden
llegar a medir varios años luz y tener una masa equivalente a varios millones
de estrellas, como la nebulosa de Orión (Figura 33). Estas nubes son calentadas
por las estrellas que se encuentran en ellas.
Figura 33. La nebulosa de Orión. 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 situación 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 energía que, al chocar entre sí, crean pares de electrón-positrón; éstos se aniquilan con otros electrones y positrones, pero los fotones producidos chocan con otros fotones para volver a crear electrones y positrones, y así sucesivamente. El resultado neto es que los electrones, positrones y fotones pueden coexistir en equilibrio creándose y aniquilándose continuamente (Figura 34). Si la temperatura del gas es superior a unos 10 millones de millones de grados, aparecen también protones y neutrones con sus antipartículas, todos en equilibrio con los fotones. A temperaturas aún superiores, se tendrá todo tipo de partículas exóticas con sus respectivas antipartículas, incluyendo cuarks y anticuarks, creándose y aniquilándose continuamente. Como veremos, en el siguiente capítulo, esta situación debió 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 sí, creándose
y aniquilándose.
EL MUNDO DE PLANCK
Ninguna teoría física es absoluta. Al contrario, todas tienen un rango de validez fuera del cual se vuelven inútiles. La física newtoniana funciona perfectamente mientras no se tengan que considerar velocidades cercanas a la de la luz o dimensiones comparables a la de los átomos. Cuando un ingeniero diseña un edificio de varios pisos, utiliza la mecánica de Newton con resultados excelentes; pero un físico que quiera estudiar el comportamiento de un átomo deber recurrir a la mecánica cuántica, ya que, a escala atómica y subatómica, la mecánica newtoniana es totalmente increíble. De manera análoga, la Relatividad General no puede describir el mundo subatómico, pero, desgraciadamente, no disponemos aún de una teoría cuántica de la gravitación (aunque muchos físicos tienen la esperanza de que tal teoría surgirá en un futuro no muy lejano).
Nos podemos dar una idea del límite 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 teoría de la gravitación como en la mecánica cuántica, y de los valores que tienen depende toda la estructura del Universo.
Si escogemos un sistema de medición en el que la unidad de longitud es el centímetro, 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 (centímetros)3/(gramos)
(segundos)2 c = 2.998...x 1010 (centímetros)/(segundos) h =1.055....x 10-27 (gramos) (centímetros)2/(segundos) |
Pero, por supuesto, en otro sistema de unidades estos valores serán distintos. Centímetros, segundos y gramos son unidades convencionales muy útiles 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 sí, se pueden obtener nuevas unidades. La combinación
tiene dimensiones de longitud y su valor es aproximadamente 10-33 centímetros; 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 combinación
es la masa de Planck: unos 10-5 gramos. La longitud y el tiempo de Planck tienen valores tan extremadamente pequeños que parecen ser las unidades naturales de otro mundo, subyacente al mundo subatómico, con leyes físicas que no son totalmente desconocidas; el mundo de Planck es a los átomos lo que éstos al mundo macroscópico (simplemente para tener una idea, un electrón mide 1020 longitudes Planck). Por otro lado, la masa de Planck es muchísimo mayor que la masa de una partícula elemental; podría estar relacionada con las energías necesarias para "romper" una partícula elemental, energías que quedan totalmente fuera de nuestras posibilidades experimentales.
Si la Relatividad General es válida, lo será sólo para estudiar fenómenos 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 sí.
Un tipo de fuerza es la gravitacional, siempre presente en nuestra experiencia diaria, y también a escala cósmica: desde las partículas elementales hasta las galaxias están sujetas a esta fuerza.
Otro tipo de fuerza es la electromagnética, también familiar; es la responsable de que los electrones se mantengan unidos a los núcleos atómicos, los átomos a las moléculas, y las moléculas entre sí; debido a que existen cargas positivas y negativas que se cancelan mutuamente, la fuerza electromagnética no se manifiesta tan abiertamente a gran escala como la gravitacional.
Existe otro tipo de interacción, llamada fuerte, que actúa únicamente a nivel subatómico. Los protones en los núcleos se repelen eléctricamente debido a que tienen cargas del mismo signo, y sin embargo se mantienen unidos por la fuerza nuclear —manifestación de las interacciones fuertes— que es mucho más intensa que la eléctrica; pero, a diferencia de esta última, la interacción fuerte es de alcance microscópico y no se manifiesta a escala humana.
Finalmente, existe la interacción débil, con la que interactúan muy débilmente las partículas elementales; es responsable, entre otras cosas, del decamiento radiactivo de ciertos núcleos y, en general, de todos los procesos en que intervienen los neutrinos. Precisamente los neutrinos son tan difíciles de atrapar porque sólo interactúan débilmente o gravitacionalmente con las otras partículas.
Estas cuatro interacciones tienen magnitudes muy distintas. Por ejemplo, la atracción gravitacional entre un protón y un electrón es 1040 veces menor que la atracción eléctrica entre esas dos partículas. Asimismo, la fuerza nuclear entre los protones en el núcleo atómico es unas cien veces más intensa que la fuerza eléctrica entre ellos, y esta última es mil veces más intensa que la fuerza débil.
Un sueño de los físicos modernos es construir una teoría en la que aparezcan unificadas todas las interacciones, como si cada una de ellas fuera una manifestación de una interacción más general. La idea surgió a raíz de que James Clerk Maxwell, el más grande físico del siglo XIX, demostró que las fuerzas eléctricas y magnéticas son manifestaciones de una misma interacción: la electromagnética. Ya en nuestro siglo, Albert Einstein pasó la última parte de su vida tratando de construir una teoría que unificara las fuerzas gravitacionales y electromagnéticas, pero su búsqueda fue vana.
Los físicos parecían haber abandonado toda esperanza unificadora cuando surgió una luz a finales de los años sesentas: los físicos Weinberg y Salam demostraron que se podían unificar las interacciones débiles con las electromagnéticas; su teoría fue confirmada posteriormente con experimentos realizados en aceleradores de partículas.3
¿Por qué hasta años recientes los físicos no habían percibido una relación entre las interacciones electromagnéticas y débiles? La respuesta es que, en los procesos físicos entre partículas elementales que se estudian comúnmente, las energías implicadas son relativamente bajas; pero, a medida que las energías de las partículas aumentan, las dos interacciones empiezan a parecerse cada vez más hasta que se vuelven indistinguibles por encima de cierta energía crítica —una energía que apenas se puede alcanzar en los aceleradores de partículas construidos recientemente.
Motivados por el éxito de la teoría de Weinberg y Salam, los físicos han tratado de construir una teoría que unifique no sólo las interacciones electromagnéticas y débiles, sino también las fuertes con ellas. Una teoría así ha sido propuesta en la actualidad, pero es extremadamente díficil confirmarla en forma experimental porque la energía crítica para la unificación de esas tres interacciones queda totalmente fuera del alcance de la tecnología moderna. La teoría mencionada predice que el protón no es completamente estable, sino que debe de decaer en otras partículas más ligeras —aunque la vida promedio de un protón excede ampliamente la edad del Universo. Hasta ahora no se ha podido detectar el decaimiento de ningún protón, por lo que la teoría seguramente necesitará modificaciones; empero, la idea de unificar tres interacciones fundamentales es demasiado atrayente como para desecharla con facilidad.
Finalmente queda la gran ilusión de los físicos teóricos: una teoría unificada de las cuatro interacciones fundamentales. Algunos ya están trabajando en ella y quizás se tengan resultados concretos en el futuro. Los físicos sospechan que tal "superunificación" se produce cuando las energías de las partículas exceden la "energía de Planck": es decir, la masa de Planck multiplicada por c2, lo cual es una energía fabulosa para una partícula elemental.
A estas alturas, el lector se estará preguntando seguramente ¿qué tiene que ver todo lo anterior con el Universo, con sus estrellas y sus galaxias? Sorprendentemente, existe una relación: si el Universo nació en un estado de altísima densidad y temperatura, las partículas que lo componían recorrieron toda la gama de energías. Las épocas más tempranas del Universo sólo se pueden estudiar a través de las teorías modernas de partículas elementales; recíprocamente, la cosmología puede servir para confirmar o refutar, a través de observaciones astronómicas, dichas teorías. Los físicos de partículas elementales realizan sus experimentos en aceleradores que requieren de enormes cantidades de energía, pero esas energías son risibles a escala astronómica. El espacio cósmico es un laboratorio que dispone, literalmente, de toda la energía del Universo; no podemos manejarlo a nuestro antojo, pero sí podemos aprender a interpretar sus mensajes.
NOTAS
1 Los neutrones sólo son estables si están amarrados en un núcleo atómico.
2 Se ha sugerido que la famosa explosión de Tunguska, Siberia, en 1908, se debió a la caída de un meteorito de antimateria.
3 Weinberg y Salam obtuvieron el premio
Nobel en 1979 por su trabajo.
