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Atrapados en la Red

ATRAPADOS EN LA RED

 
El joven científico se subió a la torre y desde allí tiró al mismo tiempo un elefante y una hormiga; así pudo comprobar que ambos llegaban al suelo al mismo tiempo y que la fuerza de atracción entre la Tierra y la hormiga y entre la Tierra y el elefante tenía el mismo resultado. Este experimento, por incómodo, es explicable que no se llegase a realizar; además el aire de la atmósfera alterara algo las cosas.
 
Pero sí es cierto que muchos de nuestros pasados científicos -Galileo, por ejemplo- se dedicaron a tirar bolas y piedras desde torres y azoteas para contemplar y estudiar el curioso fenómeno.
 
Fue Newton quien dio en la diana plenamente. Explicó el fenómeno con su teoría de la gravitación en sus famosos Principios y daba así a luz a la ciencia, tal como hoy la entendemos, hace tres siglos. Era la primera teoría matemática de una fuerza de la naturaleza. Para sus predecesores resultaba misterioso que un cuerpo celeste como el Sol o la Luna pudiera ejercer su fuerza a través de millones de kilómetros de espacio vacío. Hasta la llegada de Newton, las ideas sobre la naturaleza de las fuerzas se basaban, en su mayor parte, en la experiencia que todos conocemos: la acción por contacto, como puede ser un empujón. Si una persona golpea una pelota, ésta se acelera. Sin embargo, los sabios se preguntaban: ¿dónde está el contacto entre la Luna y los océanos, que evidentemente resultan influidos por la Luna, produciéndose las mareas alta y baja? Newton se ocupó seriamente de este problema y propuso introducir el concepto de efecto a distancia. Según su teoría, dos cuerpos que están separados por un espacio intermedio más o menos grande ejercen mutuamente una fuerza de atracción, cuyo valor es inversamente proporcional al cuadrado de su distancia; a mayor distancia entre ellos, menor fuerza.
 
Una vez que Newton había dado este primer paso, se crearon teorías similares sobre las demás fuerzas de la naturaleza. Se puede demostrar muy fácilmente que también los imanes ejercen su fuerza de atracción hasta una cierta distancia, acercando dos imanes poco a poco entre sí. Así se puede medir con qué intensidad se atraen o se rechazan mutuamente. De forma similar se pueden observar las fuerzas electrostáticas, como las que nos ponen los pelos de punta al quitarnos un jersey. Incluso en el interior del núcleo de un átomo actúan fuerzas entre sus componentes, aunque, de todos modos, a unas distancias diminutas.

Nada que conste de materia está libre de estas fuerzas, que llamamos también interacciones, que. pueden saltar por encima del espacio vacío. Cada partícula en el espacio, incluso el más pequeño componente subatómico, está expuesta a una gigantesca red de fuerzas, que lo une todo absolutamente entre sí. Es como lo expresaba el poeta Francis Thompson, que vivió de 1859 a 1907 y escribió aproximadamente lo siguiente:
 
«Todas las cosas, ya estén cerca o lejos, están unidas por una fuerza inmortal. No puedes ni siquiera tocar una flor sin llevar el desorden a alguna estrella». En el siglo XIX Michael Faraday y James Clerk Maxwell desarrollaron nuevas ideas sobre el tema efecto a distancia. Inventaron el concepto de campo de fuerzas. Según esta teoría del campo, una carga eléctrica crea un campo eléctrico invisible en el espacio que hay a su alrededor. Si en dicho campo se encuentra ya otra carga eléctrica, sufrirá el efecto de una fuerza. Es como el terreno de juego o de influencia de una fuerza. Esta idea era efectivamente nueva. Partiendo del efecto que ejercen mutuamente dos cuerpos o partículas alejadas, surgió la teoría de que existe una fuerza a través del contacto entre una partícula y el campo de otra partícula. Hoy existen tales teorías del campo para todas las tuerzas de la naturaleza.
 
Albert Einstein formuló en 1913 una teoría del campo de la gravitación para sustituir a la primitiva teoría de Isaac Newton. En los años treinta comenzó el trabajo sobre las teorías del campo para las fuerzas en el Interior del núcleo atómico. Hasta hoy no se ha terminado definitivamente.
 
Se puede decir que la teoría del campo ha quedado ya demostrada científicamente. Sin embargo, continúa siendo misterioso cómo una fuerza (mejor dicho, una interacción) puede atravesar el espacio vacío. Al fin y al cabo, el propio campo es invisible y únicamente delata su existencia mediante el efecto que ejerce sobre la materia o las cargas.
 
Felizmente, la moderna formulación de la teoría del campo nos proporciona un indicio para conseguir la solución del enigma. Hoy día la teoría del campo se incluye en la teoría de los cuantos. Su historia comenzó en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck observó que la radiación electromagnétìca (por ejemplo, la luz) se propagaba en paquetes o cuantos. (A los cuantos se les denomina hoy fotones.) Anteriormente se creía que la radiación electromagnética consistía en ondas. Hoy día está ya claro que la radiación electromagnética posee tanto un aspecto de onda como también un aspecto de partícula; unas veces se comporta como onda y otras como partícula.
 
Cuando se trata de la interacción que ejercen unas sobre otras (a través de sus campos electromagnéticos) las partículas cargadas eléctricamente, no se debe olvidar que también el propio campo posee cualidades similares a las partículas. Por eso los físicos se imaginan, por ejemplo, el efecto de un electrón sobre otro en la forma siguiente: el electrón A envía un fotón, que avanza vertiginosamente a través del espacio hacia el electrón B y es absorbido por éste. El fotón se comporta como un mensajero, que transmite la fuerza electromagnética de un electrón a otro. Además de la gravedad y de la electromagnética hay otras dos fuerzas, que actúan dentro del núcleo del átomo.
 
Una es la fuerza fuerte, que mantiene unidos a protones y neutrones dentro del núcleo. La otra es la fuerza débil, que actúa entre partículas más pequeñas, como positrones, neutrinos, etcétera.
 
A cada una de las fuerzas que hoy día conocemos le corresponde una clase especial de partículas mensajeras. Para la gravitación están los gravitones, cuya existencia, de todos modos, no ha podido ser demostrada todavía experimentalmente. En la electromagnética,
 
los fotones. En el caso de la fuerza fuerte en el núcleo del átomo son ocho gluones (nombre que viene del inglés: glue, cola) los que se encargan del papel de mensajeros. En cambio, en el caso de la fuerza nuclear débil son los bosones W y Z, descubiertos hace pocos años, los que representan ese papel. Estos mensajeros viajan constantemente a gran velocidad de aquí para allá, alternativamente. Lo que nosotros denominamos normalmente espacio vacío es en realidad una especie de red de tráfico que es atravesada incesantemente por partículas mensajeras.
 
La intensidad de este tráfico depende de la potencia de las fuerzas participantes. Si las fuerzas son muy potentes, las partículas mensajeras deberán volar de un lado a otro con una gran frecuencia, mientras que en el caso de que las fuerzas sean débiles, su frecuencia es mucho menor.
Si no existiera esta infinita red del tráfico de mensajeros, cada una de las partículas de la masa existiría totalmente aislada de todas las demás. No habría ninguna clase de interacción. Cada partícula avanzaría simplemente a través del espacio por su propia órbita, sin ninguna interrupción ni desviación, y estaría prácticamente sola en el universo. No podrían existir cuerpos compuestos de muchas partículas, pues faltaría la fuerza que les da cohesión y las mantiene unidas. El universo sería, en cierto modo, un espacio sin propiedades, una simple acumulación de partículas.
 
Una idea desoladora, ¿no es cierto?
 
Esta idea plantea la pregunta de por qué existe siquiera este tráfico de mensajeros en el universo y por qué son exactamente esos mensajeros que nosotros conocemos y no otros.
 
Para encontrar la respuesta, los físicos ponen sus esperanzas en una teoría de las fuerzas, en la que podrían estar reunidas en una sola definición matemática las cuatro fuerzas fundamentales: gravitación, electromagnetismo, fuerza nuclear potente y fuerza nuclear débil. En opinión de los físicos, una teoría unitaria del campo semejante proporcionaría automáticamente tanto la cantidad y las propiedades de las fuerzas básicas como las respectivas potencias de la interacción. Pero hasta hoy resulta todavía ser un sueño lejano la esperanza de conseguir una teoría de este tipo.
 
Mientras continúa la búsqueda de la teoría, algunos físicos se han entretenido con un pequeño juego, denominado Constrúyete un universo para jugar. La idea que lo sustenta es sencilla. El físico adopta el papel de dios creador y, puesto que no existe todavía ninguna teoría unitaria sobre las fuerzas, tiene libertad para modificar los valores de las potencias de estas fuerzas, para ver lo que pasa después. Naturalmente, no puede verse lo que ocurre, en el sentido literal de la palabra, pero se puede calcular y obtener así la pista de algunos efectos.
 
El caso extremo consiste en desconectar totalmente una fuerza. Por ejemplo, si se elimina la gravedad, se modifica enormemente y de forma inmediata el conjunto de la estructura del universo. Sin gravitación no hay galaxias, ni estrellas, ni planetas. Si se pudiera eliminar efectivamente la gravitación, estallarían inmediatamente la Tierra, el Sol y las estrellas, puesto que todos ellos se encuentran bajo una fuerte presión interna. Todos los cuerpos celestes se convertirían en gas, las masas de gas se distribuirían sin impedimentos por todos los espacios intergalácticos, y el universo entero se transformaría en una única nube de gas oscuro, frío y muy diluido.
 
De lo anterior se deduce también, de forma absolutamente lógica, que en el universo sin gravitación no pueden surgir estrellas. Tampoco se habría podido formar ninguna materia básica química, excepto el hidróaeno y el helio, puesto que todos los elementos más pesados han surgido en el interior de las estrellas. Sería imposible la vida en un universo de esta clase.
 
Pero ¿qué ocurre con la fuerza electromagnética? Posiblemente esta fuerza sea todavía más importante que la gravitación para el funcionamiento siri problemas del universo. Precisamente son fuerzas eléctricas las que encadenan los electrones a los núcleos de los átomos y unen entre sí unos átomos con otros Sin la fuerza electromagnética, por lo tanto, no existirían los átomos, ni las moléculas (agrupaciones de átomos), ni la química,
 
ni sustancias sólidas o líquidas. Pero, lo que es igualmente importante: tampoco habría radiación electromagnética.
 
Incluso, aunque existieran estrellas en semejante universo, no podriamos verlas, pues no habría luz (la luz es una radiación electromagnética). No podríamos ver absolutamente nada, y no existìría el calor ni las ondas radioléctricas ni los rayos X. Así pues, la fuerza electromagnética es la interacción de la naturaleza que más llamativamente se encarga de que puedan estar en contacto entre sí las dìferentes regiones del universo. Un universo sin fuerza electromagnética sería sencillamente aburrido.
Las dos fuerzas nucleares aparecen con mucha menor claridad en la vida diaria. Pero su importancia para la cohesión del universo no es de ningún modo menor que la de los otros dos. La fuerza nuclear fuerte se encarga de mantener unidos los componentes del núcleo de los átomos. Sin él, sólo podría haber en el universo una sustancia básica, el hidrógeno, cuyo núcleo consta de un sólo componente. Además de esto, la fuerza fuerte proporciona todo el calor y toda la luz que emiten el Sol y las estrellas. La energía necesaria para ello es producida por reacciones de la fusión nuclear de los núcleos de los átomos en el interior de estas estrellas. Durante la fusión, la interacción o fuerza fuerte contrae los núcleos pequeños, para formar otros grandes. Ahora tratemos de la última de las cuatro fuerzas, la interacción débil. Esta se mezcla muy pocas veces directamente en los asuntos del universo. De todos modos juega un papel en los procesos de fusión nuclear que acabamos de describir. Pero esta fuerza tiene su momento estelar cuando estalla una supernova.
 
Los astrofísicos creen que las estrellas estallan cuando se derrumba su interior, porque se ha consumido ya el combustible para las reacciones de la fusión nuclear. En el estallido, la materia de la estrella se desintegra, y surgen muchas partículas pequeñas, como los neutrinos, producto de la desintegración de los núcleos. Entonces queda libre una enorme energía que arrastra a los neutrinos. Estas partículas sólo pueden resultar influidas por la fuerza débil (y por la gravitación mucho más débil).
 
A pesar de que la interacción débil, como su propio nombre indica, apenas se puede notar en condiciones normales, en las condiciones extremas de una explosión de una supernova puede ser dramática. El resultado es que los neutrinos producidos en la desintegración de la estrella son lanzados a fabulosas distancias, por el universo.
 
Las supernovas son, por lo demás, mucho más que interesantes espectáculos cósmicos. Se las puede considerar literalmente como un asunto de vida o muerte. Los elementos pesados -sobre todo el carbono- que se han formado por las reacciones nucleares en la estrella, durante su tiempo de vida, resultan diseminados por el espacio interestelar a causa de la explosión. Allí quizá podrán formar parte, más tarde, de la materia de un planeta. Así, se puede decir que también las sustancias productoras de la vida existentes en nuestra Tierra sólo están aquí, porque la fuerza débil realizó su trabajo hace ya mucho tiempo en una supernova.
 
Pero todo esto no explica todavía el porqué existen estas fuerzas. Esta es una cuestión del más alto interés. ¿Por qué hay, por ejemplo, además de la fuerza eléctrica, también una fuerza magnética?
 
¿Por qué todo el universo está atravesado por un único efecto de atracción (la gravitación)?
Como físico teórico, me parece digno de interés el que precisamente la teoría de los mensajeros nos pueda proporcionar las respuestas a dichas fuerzas. Según esta teoría, se trata de partículas que sustentan las fuerzas básicas. Y estas partículas no pueden tener cualquier clase de propiedades, sino que sus posibles variantes están sujetas a las leyes de la física, por lo que no hay muchas variantes posibles. Las partículas mensajeras poseen dos facetas o índices decisivos, de los que dependen las propiedades de la fuerza que transmiten. El primer índice es la masa de la partícula (más exactamente, la masa en reposo). El segundo índice es el espín que poseen (espín es el giro de la partícula alrededor de su propio eje).
 
De la masa de la partícula mensajera depende el alcance de la fuerza: cuanto mayor sea la masa, tanto menor será su alcance. Según la teoría de los cuantos, el espín sólo puede ser un múltiplo de la unidad básica del espín. Por consiguiente, deberá ser un número entero el que designe al espín. Si se trata de un número par, la fuerza actúa como atracción, mientras que si el número es impar, la fuerza actúa rechazando el objeto.
 
Los cálculos matemáticos han demostrado que ninguna partícula, tampoco ninguna partícula mensajera, puede poseer un espín que sea mayor que dos. Esto se basa tanto en la teoría de los cuantos como en la teoría de la relatividad. La variedad de las posibles partículas mensajeras es, por lo tanto, extremadamente limitada.
 
Consideremos el porqué la naturaleza ha podido tomar esta elección. Según la teoría, una partícula de este tipo no posee ninguna masa en reposo. La naturaleza utiliza partículas mensajeras carentes de masa con espín uno o dos.
El gravitón, cuya existencia se sospecha, es una partícula mensajera sin masa, con espín dos. Está claro que, según la teoría, esta partícula puede transmitir exactamente aquella fuerza que nosotros relacionamos con la gravitación. Es decir, una fuerza de un alcance extremadamente largo, una fuerza que actúa de forma universal sobre todas las partículas de la materia. Esto es exactamente lo que observamos en la gravitación.
 
El fotón (partícula de luz) es un mensajero sin masa con espín uno. La masa cero y el espín uno son ya casi suficientes para explicar las propiedades de la fuerza electromagnética. Sólo se ha de cumplir una condición adicional: los campos a los que pertenecen las partículas mensajeras deben poseer un tipo especial de simetría.
 
Aparentemente no hay en la naturaleza ninguna fuerza que utilice un mensajero sin masa con espín cero. Por algún motivo desconocido, la naturaleza ha rechazado esta posibilidad. Si existiera un mensajero de este tipo, estaría unido a una fuerza de atracción de largo alcance, similar a la gravitación, pero más sencilla. Esta fuerza no actuaría sobre todas las partículas de masa en todas las partes, como ocurre con la gravedad.
 
Pero volvamos otra vez a la simetría. En la medida en que se va haciendo cada vez más complicada, se producen también fuerzas más complicadas. La fuerza potente en el núcleo de un átomo está representada por ocho gluones o partículas adhesivas. Los gluones son partículas sin masa, con espín uno, como el fotón. Pero lá especial complejidad de la simetría nos lleva a unos efectos desacostumbrados. Por ejemplo, los gluones pueden actuar unos sobre otros. De ahí proviene, entre otras causas, el que la fuerza fuerte del núcleo no posea aquel largo alcance que poseen normalmente las partículas mensajeras sin masa.
 
Finalmente, en el caso de la fuerza nuclear débil, la naturaleza utiliza unas partículas mensajeras cuya masa en reposo no es igual a cero. En efecto, los bosones W y Z que transmiten esta fuerza poseen incluso una masa muy grande, que supera más de ochenta veces la del protón. En consecuencia, el alcance de la fuerza débil es extremadamente pequeño ( una billonésima de centímetro). Por lo demás, se ha comprobado que la masa de estas partículas no es consustancial con ellas desde su nacimiento, sino que la adquieren cuando tienen poca energía.
 
Así pues, un resumen general de las diferentes interacciones nos muestra que las posibilidades de selección de la naturaleza son asombrosamente limitadas, cuando contemplamos las propiedades de las diferentes fuerzas. Teóricos de todo el mundo se esfuerzan por aclarar esta realidad y crear una teoría en la que se puedan clasificar todas las fuerzas.
 
Algunos de ellos creen que actualmente estamos ya en el umbral de los conocimientos y que podemos explicar la interrelación entre todas las fuerzas con determinadas simetrías. Simetría es un concepto de la geometría (armonía de posición de las partes o puntos similares unos respecto a otros y con referencia a un punto, línea o plano) que los científicos han trasladado a la física de partículas en busca de una simplicidad; una simplicidad como la que se da en la geometría de los planos y de las figuras.
 
En la naturaleza se ve con mucha frecuencia que son preferidas las formas simétricas, ya sea en la composición de los seres vivos, en la formación de cristales o en las ecuaciones matemáticas que describen las fuerzas. Por ejemplo, por citar una de las leyes físicas, una partícula no puede escapar de una explosión en una dirección, si otra no escapa en dirección opuesta.
 
De acuerdo con esta idea, se toma como base la existencia de una gran simetría que abarca todos los campos y que determina también la existencia de las cuatro fuerzas básicas. En los últimos años algunos físicos teóricos han elaborado una prometedora teoría, que se ha dado a conocer bajo el nombre de Superstrings (Supercuerdas). Esta teoría explica cómo se formaron las cuatro fuerzas básicas después de la explosión original, a partir de una única superfuerza, al producirse el enfriamiento progresivo del universo, de tal modo que permanecen invariables (simétricamente) frente a determinados cambios.
Los teóricos creen que el cosmos busca de este modo el estado de la menor energía. Esto coincide bien con el conocido principio de la naturaleza, según el cuál un sistema físico intenta siempre adoptar su estado de consumo mínimo de energía; es una especie de ahorro energético cósmico. Así, por ejemplo, un cuerpo cae siempre hacia abajo, hasta que alcanza el punto más profundo posible, o también un núcleo de un átomo se divide en dos más pequeños, si éstos juntos tienen una energía menor que el núcleo inicial. La situación menos energética es la más estable.
 
Sería ideal poder demostrar que existe esta supersimetría, y que la formación de las cuatro fuerzas básicas después de la explosión original proporciona el estado de energía más bajo posible.
Pero no todos los colegas están de acuerdo con esta idea de la supersimetría. Muchos de ellos parten del supuesto de que no hubo ninguna razón forzosa para que las cuatro fuerzas surgieran después de la explosión original, sino que todo se desarrolló casualmente, asimétrìcamente, sin armonía alguna.
 
Esto se puede explicar con un ejemplo ilustrativo: si se llena de agua cuidadosamente un vaso, el nivel del agua va subiendo cada vez más, hasta que llega al borde superior del vaso. Si se continúa echando agua muy lentamente en el vaso, se forma un pequeño reborde sobre el vaso, debido a la tensión superficial del agua, hasta que ésta se rompe repentinamente y rebosa. Si el vaso tiene un borde totalmente liso, no se puede predecir en qué punto ocurrirá dicha rotura de la superficie del agua, puesto que es casual y asimétrica. Y esto es también lo que podría haber ocurrido después de la explosión original: quizá había muchas posibilidades sobre la forma de desarrollarse las fuerzas básicas, a partir de la superfuerza, y sólo debido a una casualidad cualquiera se formó precisamente la versión que conocemos actualmente.
 
Esta teoría es igualmente respetable y no se puede desechar, puesto que en la naturaleza, y en especial en el campo de las partículas más pequeñas, ocurren muchos procesos impredecibles.
 
Todos los teóricos coinciden, sin embargo, en que, según nuestra ciencia actual, la unión de las fuerzas depende de la energía; es decir, cuando existen energías muy altas, las diferencias entre las fuerzas son cada vez menores, hasta que finalmente las cuatro fuerzas se igualan totalmente y forman una única superfuerza.
 
Para ello se necesitan enormes energías, energías que sólo son imaginables en la explosión original, el Big Bang.
 
Por eso llegamos en primer lugar a una idea que nos presenta el universo más sencillo. En él existe sólo la forma más simple de la interacción: una única fuerza principal que lo abarca todo. Pero el universo se enfría, y poco a poco van apareciendo, de forma cada vez más clara, diferentes fuerzas, hasta que tenemos ante nosotros las cuatro fuerzas que conocemos.
 
Ahora viene lo decisivo en esta configuración. Si la separación no transcurre de un modo único, en una forma totalmente determinada y predecible, estaremos claramente ante la posibilidad de que en diferentes regiones del universo puedan haberse dado las más diversas formas de desmoronamiento. Pero ya no podríamos partir de la base de que en todo el cosmos, en todas las partes del mismo, se encontrarían las mismas fuerzas. Más bien, deberían ser diferentes. En alguna región muy alejada del universo podría haber, por ejemplo, dos clases diferentes de fuerza electromagnética coexistiendo simultáneamente. O partículas mensajeras sin masa y sin espín, que no hemos descubierto hasta ahora. O alguna variedad de gravitación, que posea sólo un corto alcance y esté unida a una partícula mensajera maciza con espín dos. ¿Quién sabe? Si esta especulación resultara ser verdadera, quedaríamos repentinamente confrontados a otra cuestión totalmente diferente. De pronto, ya no se trataría de por qué precisamente las fuerzas que nosotros observamos mantienen la cohesión de nuestro universo y no otras cualesquiera. Más bien deberíamos preguntarnos: ¿por qué vivimos precisamente en este rincón del universo? Vivimos precisamente aquí porque existimos. Ya he descrito en qué forma tan delicada está relacionada la existencia de vida con las cuatro fuerzas. Por tanto, muy bien puede ser que la vida no hubiera podido formarse en otra parte del universo, con otras fuerzas. En tal caso, no ha sido la naturaleza la que ha elegido para nosotros nuestra red cósmica. Hemos sido nosotros.