XXIII. DEL �TOMO AL CUARK

HACE 2 500 a�os comenz� a escribirse una historia extraordinaria cuando Dem�crito, sustentado en las ideas de su maestro Leucipo, se imagin� que toda la materia estaba constituida por peque��simas partes —part�culas o corp�sculos— que eran indivisibles: los �tomos. Como modelo filos�fico, el atomismo sobrevivi� dentro de la corriente materialista, con mejor o peor suerte, hasta el siglo XVII y sirvi� de fecundo est�mulo a las especulaciones de los pensadores. A partir de entonces y durante casi 300 a�os, la ciencia moderna paulatinamente fue convirtiendo el atomismo en un verdadero modelo cient�fico, hasta llegar a su confirmaci�n definitiva a principios del siglo XX. Como paradoja, el triunfo del modelo at�mico en la ciencia atent� de lleno contra una de sus premisas originales y que le dio nombre; el �tomo result� divisible y sus partes dieron lugar a todos un nuevo nivel de fen�menos: el mundo subat�mico.

Durante las edades Antiguas y Media, el atomismo no pas� de ser una mera especulaci�n que compet�a con otras tendencias por el favor de los fil�sofos. Hab�a que esperar el advenimiento del moderno m�todo cient�fico, cuyo paradigma fue puesto por Galileo y Newton, para que el modelo at�mico fuera puesto a prueba en su capacidad de predicci�n y descripci�n. Los primeros intentos no dejaron de ser, en buena parte, infructuosos. Las ideas de Gassendi, Newton y Bernoulli para explicar las propiedades generales de los gases a partir del modelo at�mico fueron esencialmente correctas, pero demasiado cualitativas e ingenuas; por ello sus conclusiones no pod�an someterse a pruebas cuantitativas. La primera definici�n cient�fica del modelo at�mico hab�a de darse en la qu�mica con el trabajo de Dalton y Lavoisier. Ya durante el siglo XIX, el desarrollo de la qu�mica acarre� el refinamiento del concepto at�mico y su cada vez m�s firme cimentaci�n, coronados por la esencial distinci�n entre �tomo y mol�cula, debida a Avogadro, y por la c�lebre Tabla Peri�dica de los Elementos de Mendeleiev. Por su lado, los f�sicos hab�an regresado por sus fueros: Maxwell y Boltzmann lograron completar el programa que Newton y Bernoulli hab�an dejado apuntado. As�, en los �ltimos decenios del siglo pasado, una mayor�a de los cient�ficos —curiosamente, no los m�s influyentes que eran muy conservadores— aceptaban el modelo at�mico pese a que las pruebas que lo sustentaban, aunque abrumadoramente extensas, eran s�lo indirectas.

El descubrimiento de f�nomenos que sin discusi�n son at�micos se produjo con el cambio de siglo: la radioactividad, la fotoelectricidad, los rayos cat�dicos y otros no tan conocidos. Ahora era el turno de los f�sicos para explorar el �tomo: Planck, Einstein, Rutherford, Bohr, De Broglie y toda una generaci�n de geniales hombres de ciencia construyeron, a la par del descubrimiento at�mico, todas una nueva concepci�n te�rica del mundo: la mec�nica cu�ntica. Result� que el �tomo no es el ente m�s elemental; no es indivisible ni inmutable; est� formado por n�cleo y electrones, y su estructura gobernada por leyes radicalmente diferentes a las de la naturaleza macrosc�pica.

La b�squeda de los verdaderos elementos de la materia adquiere entonces una velocidad vertiginosa. El mismo n�cleo de los �tomos revela una estructura y nuevas componentes: los protones y los neutrones. Estas part�culas, junto con el electr�n, reciben el calificativo de elementales, lo que refleja el eterno deseo, ya vivo en Dem�crito, de explicar la naturaleza en t�rminos de algo que no requiera, a su vez, una nueva explicaci�n. Quien lea el libro Materia y luz de Luis de Broglie, premio Nobel de f�sica y que todav�a usaba el t�tulo de pr�ncipe en la muy democr�tica Rep�blica Francesa, publicado en 1937, encontrar� una elocuente defensa de esta aspiraci�n.

El mundo de las part�culas subat�micas se pobl� con rapidez y se enriqueci� con nuevos corp�sculos descubiertos en los rayos c�smicos y en los gigantescos aceleradores de part�culas. Algunas veces las nuevas part�culas fueron vislumbradas en la teor�a antes de observarse en la realidad, como sucedi� con los neutrinos, elusivos corp�sculos que, como explicaba magistralmente don Juan de Oyarz�bal, son los m�s cercanos a la nada que puede ser algo sin dejar de ser algo. La anticipaci�n te�rica de la antimateria, descubierta por Dirac y despu�s bien confirmada, casi duplic� la poblaci�n de part�culas, ya que a cada una le toca su antipart�cula. Los nombres que han recibido todas estas especies son extra�os al lego —piones, muones, bariones, mesones, hiperiones, etc.— y pueden reaccionar entre ellas y convertirse unas en otras. Tama�a complejidad no pod�a darse en algo que fuese rigurosamente elemental: sus propiedades deber�an explicarse gracias a una nueva estructura y �sta involucrar�a nuevas partes que casi todo f�sico esperaba fueran, ellas s�, elementales. Incluso aparecieron esc�pticos que no cre�an en la idea de que unas part�culas fuesen m�s elementales o fundamentales que otras. Lidereados por el profesor Chew, de la Universidad de Berkeley, los miembros de esta minor�a propusieron una teor�a "democr�tica" en la que todas las part�culas eran igualmente fundamentales y con interesantes colas filos�ficas, que algunos lograron conectar con el budismo Zen. Con el pasar de los a�os y con los descubrimientos m�s recientes han salido ganando los f�sicos m�s conservadores, quienes al modo de la granja orwelliana creen que hay unas part�culas m�s fundamentales que otras.

El misterio por desentra�ar, oculto en lo min�sculo, es tan grande que requiere de un esfuerzo gigantesco. Durante los �ltimos decenios, la investigaci�n de las part�culas elementales ha ocupado a miles de cient�ficos en todo el mundo y ha absorbido inversiones de miles de millones de d�lares. Esta investigaci�n es muestra de un modo nuevo de hacer ciencia. En vez del fr�o laboratorio en alg�n s�tano o buhardilla, los gigantescos edificios con todos los servicios, repletos del m�s refinado equipo electr�nico y con clima acondicionado para no sentir el fr�o invierno de Siberia o el caluroso verano de Nuevo M�xico; en lugar de unos cuantos y apasionados hombres de ciencia, que trabajan como iluminados bajo adversas condiciones, nutridos grupos y equipos de investigadores, entrenados profesionalmente y con todas las facilidades para trabajar.

Los fen�menos que se estudian en estos laboratorios son rapid�simos —algunos duran una trillon�sima de segundo—, ocurren en distancias peque��simas — en ocasiones de un billon�simo de cent�metro— e involucran energ�as miles de veces mayores que las que se producen en un reactor nuclear. No est� de m�s insistir en lo dif�cil que es hacer mediciones y observaciones a esa escala. Pero el problema te�rico y conceptual no es m�s sencillo que el experimental y pr�ctico. Los fen�menos subat�micos ocurren de acuerdo a leyes que no tienen relaci�n directa con la experiencia del hombre; los investigadores deben entonces aplicar su l�gica y su imaginaci�n en niveles de gran abstracci�n.

A principios de los setentas, Gellmann y Zweig propusieron un modelo para explicar un amplio y numeroso grupo de part�culas, las llamadas hadrones que comprenden el neutr�n y el prot�n; dicho modelo presupone la existencia de otras part�culas a las que Gellmann bautiz� cuarks, palabra tomada de una novela de James Joyce y que tambi�n utiliz� Goethe. El modelo de los cuarks permite hacer con los hadrones lo que el modelo nuclear del �tomo logr� con los elementos qu�micos. Pero a diferencia de lo que ocurri� en el caso at�mico, donde se construy� el modelo cuando ya se conoc�an algunos de sus constituyentes —los electrones y los protones—, en el caso de los hadrones la existencia y las propiedades de los cuarks se han determinado por inferencia y deducci�n. Los cuarks deben tener propiedades comunes a otras part�culas como masa y carga el�ctrica, aunque �sta sea en su caso de tercios de la carga del electr�n; pero tambi�n deben tener otras propiedades de reciente invenci�n o descubrimiento, que los f�sicos han bautizado con palabras comunes como color, sabor y encanto. En part�cular, el "color" de los cuarks es tan importante, que se hace referencia a estas teor�as con t�rminos como cromodin�mica y tecnicolor.

Otros desarrollos m�s recientes se refieren al grupo de part�culas llamadas leptones, en el que se incluye al electr�n. El nombre de "lept�n", que quiere decir ligero, se introdujo porque esas part�culas eran m�s ligeras que las dem�s, pero �ltimamente se habla ya de un "lept�n pesado" que vendr�a a explicar toda una serie de propiedades de una familia de part�culas. Todas estas invenciones y descubrimientos son de una gran trascendencia, pues revelan la existencia de fen�menos en nuevos niveles y nos permitir�n entender mejor los niveles superiores y ya conocidos.

No obstante, el desarrollo de esta historia parece un cuento de nunca acabar, en donde los elementos de cada estructura dan lugar a nuevas estructuras con nuevos componentes. Bien podr�a ocurrir que la ilusi�n de encontrar al final los verdaderos "elementos" de la materia quede por siempre como mero sue�o.