Estructura de todo el universo, desde lo más pequeño

Estructura de todo el universo, desde lo más pequeño a lo más grande

Alejandra Mar

Complementado…

Todos los caminos conducen a Roma

Todos los caminos conducen a Roma
Uno ya no se fía de lo que tal persona diga, solo porque lo diga esa persona… pero en la
antigua Grecia si, lo que decía Aristóteles, era verdad. Hablamos de la Grecia Clásica, no
porque otras civilizaciones no hayan avanzado en el pensamiento científico, sino porque los
griegos tuvieron un gran objetivo: comprender la naturaleza, la composición y la estructura de
todo el universo, desde lo más pequeño a lo más grande; entender de qué está formado todo
y cuáles son los agentes que hacen que la materia cambie; desvelar las fuerzas del universo y
siempre, buscando la forma más sencilla, más bonita, más elegante, lo cual significa, entender
todo de la forma más fundamental posible. Podríamos decir que un principio, es una verdad
fundamental que no cambia… o no debería; y cuando hablamos de “verdad” y “fundamental”,
ahí ya nos estamos haciendo amigos de los intereses de los griegos: encontrar los principios
que lo rigen todo y sobre todo, el principio de todo.
Como decía, los griegos han hecho grandes contribuciones a la ciencia y por eso los estamos
mencionando aquí. Sin embargo cuando Galileo Galilei tiró aquel bloque por la pendiente, lo
hizo para desvelar una verdad de la naturaleza y así romper con dos mil años de tradición
errónea, revolucionando la forma en la que entendemos la ciencia. En 1604 este científico
italiano realizó uno de los experimentos más famosos de la historia. En aquel entonces se
creía con convicción que el espacio recorrido en un movimiento de caída libre, era lineal con el
tiempo. ¿Qué significa esto? Que si tiramos una piedra y esta demora un segundo en recorrer
un metro, demorará dos segundos en recorrer dos metros. En otras palabras podríamos decir
que se creía que las cosas cuando caían, nunca aceleraban, siempre iban con la misma
velocidad desde el principio del recorrido hasta el final. ¿Y porqué se creía esto en esa época?,
simplemente porque Aristóteles lo había dicho, éste era el razonamiento aristotélico que se
había impuesto desde la antigüedad y que nunca desde entonces se había puesto en duda,
debido a que primaba el dogma de que lo que Aristóteles decía era verdad sin necesidad de
justificarlo. Para Aristóteles y sus alumnos, solo bastaba razonar para comprender el
funcionamiento de la naturaleza… ¡que problema tendrían con la física cuántica que se
comporta de manera irracional! Debido a esta forma de analizar las cosas el conocimiento se
llenó de errores que perduraron durante siglos, sin que nadie se atreviera a rebatirlos,
pensando siempre en lo inapropiado que era ir en contra del pensamiento aristotélico.
De la misma manera también se dedujo que el tiempo que tarda un objeto en caer a lo
largo de una distancia, dependía de la masa del objeto. Algo así como decir que los objetos
más pesados caen más rápido que aquellos que son más livianos.
Pero, con aquel científico italiano, Galileo Galilei, las cosas iban a cambiar. El cambio
fundamental no solo estaba en entender el movimiento de una forma diferente. El verdadero
cambio que introduce y consolida Galileo fue la experimentación, ya que en aquella época
bastaba con que un sabio dijera algo en voz alta para que no se pusiera en duda, pero estamos
hablando de un sabio clásico, no de cualquiera, claro. La razón era suprema y suficiente para
entenderlo todo, pero Galileo, era diferente. Según se cuenta, subió a lo más alto de la torre
de Pisa, ante la atenta mirada de numeroso público que acudió a presenciar una demostración
que él mismo había anunciado. Su objetivo era acabar con una de las creencias más extendidas
en la época sobre el movimiento. En su mano tenía dos objetos similares pero de diferente
masa o peso. Levantó ambos en el aire y podemos imaginarnos que miró a su público
pensando, prepárense, porque está a punto de venirse abajo dos mil años de tradición y
comenzará una nueva era.
Según la creencia establecida, debería llegar antes al suelo el objeto más pesado. A lo mejor si
nos apuran un poco, todos creeríamos que es así… La intuición nos dice que sí, pero claro, esto
es porque nos imaginamos dos objetos de características diferentes. Es que si dejo caer una
pluma y una pelota, la pelota llegará antes al suelo, pero ¿porqué? Porque el aire afecta de
manera diferente el movimiento de ambos debido a que la resistencia aerodinámica de los dos
objetos es diferente. ¿Que pasaría si lanzásemos estos dos objetos en ausencia de aire?
Obviamente que Galileo no pudo usar bombas de vacío, sin embargo fue lo suficientemente
inteligente como para usar ¡bolas con formas similares!, pensando en la resistencia
aerodinámica, obviamente. Y, tal como se esperaba ambas bolas cayeron aproximadamente a
la vez, desmontando así una de las creencias más asentadas en su época.
¿Y el otro mito, el de la velocidad relacionada linealmente con el tiempo? Para este hubo que
usar un poco más de astucia. Hay que ver si dada una distancia doble, el tiempo que tarda en
recorrerla un objeto en caída libre es también el doble. Como Galileo no tenía cronómetro,
tuvo que hacer las cosas de forma que le diese tiempo para medir. Se le ocurrió lanzar un
objeto sobre un plano inclinado, ya que de esta forma, éste caería más lentamente. La caída
libre sería simplemente un caso límite de la caída con inclinación cuando la ésta es máxima.
Realizó una y otra vez de forma incansable sus experimentos, hasta asegurarse de que los
resultados eran suficientemente precisos. La distancia recorrida no variaba de forma lineal con
el tiempo sino de forma cuadrática. Sí, la canica se acelera, va cada vez más rápido y por lo
tanto en un mismo tiempo cada vez recorre mayor distancia.
Esta historia sirve para mostrar cual es el camino de la ciencia. Los pensadores elaboran
teorías que sirven para explicar ciertos fenómenos que ocurren en la naturaleza y han podido
ser observados, entonces se procede a su experimentación para comprobarlo. Hay cosas que
quedan mucho tiempo en forma de “teoría”, debido a que justifican todos los acontecimientos
observados, pero aún no existe la tecnología necesaria para comprobarlo. Dos ejemplos claros
son el Bosón de Higgs y la teoría de la Relatividad General de Einstein, ambas de reciente
descubrimiento, aunque en teoría hacía mucho tiempo que existían. Hablaremos más
extendidamente de estos dos casos en próximos artículos, pero como la idea es incursionar un
poco dentro del universo de la física cuántica, no nos queda otra que decir: ¡Si, señor, la vida
es un cuento…. Cuántico!. Algo más o menos parecido a lo que quiso decir Hans Christian
Andersen si lo sometemos a la libre interpretación. El dijo que la vida de cada hombre es un
cuento de hadas escrito por la mano del Señor y si nosotros sustituimos “hadas” por acciones
que no podemos explicar y “el Señor” por inteligencia universal… entonces Hans Christian
Andersen ha dicho: la vida es un cuento, cuántico… según libre interpretación de la autora de
este artículo, claro.
En la vida cuántica puede pasar cualquier cosa, el universo cuántico es aquel donde todo lo
que tiene probabilidad de pasar, pasa. ¿Dónde se encuentra el universo cuántico?, donde se
manifiesta la “naturaleza cuántica”, y ¿dónde ocurre esta manifestación? A nivel del átomo.
Es decir que el átomo y las partículas subatómicas constituyen este universo fantástico.
Pero volvamos por un instante a la antigua Grecia, hubo una escuela filosófica atomista,
desarrollada entre los siglos V y VI a.E.C. cuyos principales exponentes fueron Leucipo y Demócrito,
dónde se creía que la materia se podía dividir sistemáticamente hasta un punto en el cual no se
podía dividir más, y que ésta parte indivisible de la materia, era el átomo, palabra que en griego
significa indivisible y así lo denominaron. Entonces según esta teoría materialista de las cosas, los
fenómenos naturales eran explicados en términos de número, tamaño y forma
de los átomos. Inclusive estos eran capaces de asignarles propiedades especiales a la materia.
Sin embargo en esa época era imposible observar átomos y además su filosofía no fue apoyada
por la gente de su tiempo, por lo que cayó en el olvido. ¿Alguien encontraría en el futuro a los
misteriosos átomos? ¿Quién descubrirá la composición última de la materia? ¿Cuáles serán las
fuerzas que relacionan la materia? Y ¿Cómo hace la naturaleza para mantener todo unido?
Los griegos abrieron el camino, pero hubo que seguir buscando para encontrar respuesta
a estas preguntas.
Un chico inglés llamado John Dalton – el que estudió los problemas cromáticos de la visión
(daltonismo) y formuló la ley de los gases (ley de Dalton)- se había percatado, hace unos 200
años más o menos, como excelente químico que era, que los compuestos químicos están
formados por combinaciones de diferentes elementos. Así el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo
o el carbono, se combinan entre sí para dar compuestos diferentes y todo a través de
diminutos elementos que no se pueden romper… ¡revivió a los átomos… aquel viejo concepto
de antaño…! Todos los átomos de un mismo elemento, son siempre iguales, dijo, y los átomos
de diferentes elementos son diferentes. Juntándolos podemos obtener diferentes tipos de
moléculas. Así tenemos por ejemplo, una molécula de agua está formada por un átomo de
oxígeno y dos de hidrógeno, para el agua oxigenada serían dos átomos de oxígeno (en lugar de
uno) y dos de hidrógeno. La sal de mesa estaría compuesta por un átomo de sodio y uno de
cloro y así podríamos encontrar infinidades de compuestos.
Y resulta que Mendeleiev, ya estaba organizando una tabla periódica de elementos, que
podía ponerse en orden según ciertas características. Les estaba colocando el peso que tenían
sus átomos pues Dalton ya sabía calcular el peso de los átomos, además los elementos
diferentes tenían diferentes puntos de ebullición y diferentes puntos de fusión. Mendeleiev,
no solo los ordenaba por peso atómico sino que los ordenaba por su “valencia” y aunque
resulte un poco complicado explicar lo que es la valencia, podemos decir que es una
propiedad que hace que los átomos muestren unas propiedades químicas determinadas.
Entonces, lo que descubrió Dalton, no era el átomo indivisible de los griegos, en realidad dio
con algo muy pequeño que compone la materia, pero … ¿porqué tantos átomos distintos?
¿porqué tantos elementos químicos, llámese, Helio, Hidrógeno, Potasio, Zinc, Cobre,
Sodio… etc. con propiedades y características distintas?
La búsqueda continuó y pronto descubrió que, en efecto, los átomos estaban compuestos
de algo más pequeño… si, ¡partículas subatómicas! Así que quedó su nombre de “átomo”
solamente en honor a los griegos, pero era un error… lo dijeron los químicos… los átomos
están formados por partículas más pequeñas.
Y como siempre hay gente interesada en adquirir conocimiento, apareció otro señor inglés. J.
J. Thompson.
Thompson determinó la relación entre la carga y la masa de los rayos catódicos, al medir
cuánto se desvían éstos por un campo magnético y la cantidad de energía que llevan.
Encontró que la relación carga/masa era más de un millar de veces superior a la del ión
Hidrógeno, lo que sugiere que las partículas son muy livianas o muy cargadas.
Los rayos catódicos son corrientes de electrones observados en tubos de vacío. Estos tubos de
cristal que se equipan por lo menos con dos electrodos, un cátodo (electrodo negativo) y un
ánodo (electrodo positivo) en una configuración conocida como diodo.
Por tanto Thompson concluyó diciendo que los rayos catódicos estaban hechos de
partículas que llamó “corpúsculos”, y que estos corpúsculos procedían de dentro de los
átomos de los electrodos, lo que significa que los átomos no son, de hecho, indivisibles, sino
todo lo contrario.
Thompson encontró partículas ligeras con carga negativa y con una masa dos mil veces más
liviana que el átomo de hidrógeno. Ha encontrado el primer componente verdaderamente
fundamental del átomo que no se puede romper, que tiene una masa muy pequeña y tiene
carga negativa: el electrón. Pero claro que si el átomo es neutro y tiene electrones con carga
negativa, debe tener algo con carga positiva. En primera instancia Thompson pensó que el
átomo era una especie de pan (masa positiva) que llevaba incrustados pasas de uva (los
recién descubierto electrones). Poco a poco se fue despedazando al átomo y se fue
encontrando lo que hoy llamamos modelo atómico y partículas subatómicas.
Tiempo después Ernest Rutherford lanzó partículas alfa (que no son ni más ni menos que núcleos
de Helio, que no es otra cosa que dos protones y dos neutrones) contra una lámina de oro. Lo que
observó, no se lo podía ni imaginar. La mayor parte de las partículas atravesaban la lámina ¡el
átomo tenía que contener mucho espacio vacío! Aunque la mayoría se desviaban un poquito,
algunas partículas alfa rebotaban completamente y volvían hacia atrás. Increíble, pues era como
lanzar una bala contra un papel y esperar que rebote. ¿Cómo podía suceder esto? Es Rutherford
entonces, quien da una nueva interpretación al modelo atómico ¿que tal si en vez de ser como un
pan con pasas de uva, es como un sistema solar, donde el núcleo positivo está en el centro y los
electrones giran alrededor de él como lo hacen los planteas alrededor del sol? El átomo estaría
muy vacío. Este modelo parecía funcionar. Disponemos ahora de electrones que giran alrededor
de los núcleos con carga positiva donde están los protones. El átomo más simple, el de Hidrógeno,
estaría formado por un protón alrededor del cual gira un electrón. El segundo átomo más simple
es el de Helio, formado por dos protones en el núcleo y dos electrones orbitando. Así
sucesivamente, añadiendo más protones al núcleo y electrones dando vueltas, pasamos por todos
los átomos de la tabla periódica, desde el Hidrógeno, hasta el Carbono, Oxígeno, Fósforo, Hierro,
Uranio… Todos los elementos se crearían por combinación de electrones y protones formando
sistemas neutros, sin carga neta.
Esto tiene sentido pero algo falla. La masa total de los átomos no parecía ser la suma de las
masas de los electrones y protones, quiere decir que adentro del átomo había algo más que
no podíamos ver. De esto se percató un nuevo héroe James Chadwick, otro inglés, que en la
década de 1930, descubre en sucesivos experimentos una nueva partícula: el neutrón.
Entonces el átomo estaría conformado por electrones, protones y neutrones. Combinando
estos tres ingredientes de la forma correcta, tendremos el elemento que queramos.
Pero las cosas no eran tan simples, tan fáciles ni tan bonitas. Así es que cuando fueron
ampliándose los experimentos empezaron a aparecer partículas, unas tras otras. Que un pión,
que un muón, que un ípsilon, que un hadrón… además las antipartículas también aparecieron,
el antielectrión, el antiprotón, el antineutrón. Materia y antimateria por doquier. Pasamos de
tener solo 3 partículas fundamentales a tener una infinidad.
Pero es ya en la década del ’60 cuando Richard Feynman nos conduce por el camino de
la atomística tal como la conocemos hoy.
Richard Phillips Feynman nació el 11 de mayo de 1918 en Queens, Nueva York. Su familia era
originaria de Rusia y Polonia y sus dos padres, judíos Ashkenazí, no eran religiosos. Y a pesar de
considerarse ateo, más adelante en su vida, durante una visita al Seminario Teológico Judío,
Feynman comentó que encontró el Talmud como un “libro maravilloso y valioso”. Sin
embargo no quiso pertenecer a la lista de “judíos” ganadores de premios Nóbel. Como
ganador del premio Nóbel sí, pero sin la etiqueta de judío. No creo que el pueblo judío sea
un pueblo elegido, dijo.
El joven Feynman fue influenciado fuertemente por su padre, quien le animó a hacer
preguntas que desafiaran el pensamiento ortodoxo, y siempre estaba dispuesto a enseñarle a
su hijo algo nuevo. De su madre adquirió el sentido del humor que tuvo toda su vida. Cuando
era niño, tenía un talento para la ingeniería; mantuvo un laboratorio experimental en su casa
y se deleitaba en la reparación de radios. Cuando estaba en la escuela primaria, creó un
sistema de alarma antirrobo de casas mientras sus padres estaban fuera de casa trabajando.
Lamentablemente participó del proyecto Manhattan, animado por el físico Robert Wilson.
Este proyecto pertenecía al ejército estadounidense y fue desarrollado en Los Álamos durante
la Segunda Guerra Mundial para fabricar la bomba atómica. Dijo que lo que le decidió a unirse
a este esfuerzo fue construirla antes de que la Alemania Nazi desarrollara la propia.
Feynman alude a sus pensamientos sobre la justificación de involucrarse en el proyecto
Manhattan en The Pleasure of Finding Things Out. Sintió que la posibilidad de que la Alemania
nazi desarrollara la bomba antes que los aliados era una razón de peso para ayudar a su
desarrollo a los Estados Unidos. Luego admitió que fue un error no reconsiderar la situación
una vez que Alemania fue derrotada.
Pero, volviendo a nuestro tema ¿a qué llegó Feynman en la física de partículas? Como
mencionamos anteriormente un hadrón era una de las partículas que había aparecido en los
experimentos. Feynman postuló que los hadrones estaban constituidos por “partones”. Es
decir los hadrones no eran indivisibles, no eran partículas elementales sino que estaban
compuestas por otras partículas a las que denominó partones.
Entonces se hacen una serie de experimentos en el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC, Stanford
Linear Accelerator Center) entre los años 1967 y 1973 y el análisis teórico que lo venía llevando
adelante James Bjorken condujo a la existencia de los quarks, lo que le llevo a ganar el premio
Nóbel de física en 1990 (junto a otros grandes colaboradores) y que estos quarks no eran ni más ni
menos que los partones de Feynman. Estos quarks, según lo que sabemos hasta el día de hoy, sí,
son partículas indivisibles al igual que el electrón. Pero resulta que como nada puede ser tan fácil
como uno quisiera, se observó la existencia de diferentes tipos de quarks, y también la existencia
de “distintos tipos” de electrones (o primos gorditos de él).
De hecho se demostró que ni el protón, ni el neutrón son partículas elementales (como se creía
antiguamente) sino que están compuestas por dos quarks iguales y uno diferente. Estos dos tipos
de quarks son el quark up (qu) y el quark down (qd). El protón está constituido por dos qu y un
qd y por otro lado en neutrón está compuesto por dos qd y un qu
Murray Gell-Mann le atribuyó el nombre de quarks, pero ¿porqué ese nombre? ¿de
dónde sale? Les dejo para investigar este asunto que es muy interesante.
En 1930 Wolfang Pauli, había teorizado sobre otra partícula elemental subatómica que es el
neutrino, tratando de explicar la pérdida de energía en la desintegración beta. Luego en 1956
Clyde Cowan y Frederick Reines demostraron su existencia experimentalmente, pero como no
podría ser de otra manera en 1962 Leon Max Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger
mostraron que existía más de un tipo de neutrino.
Así que en la década del ’60 ya encontramos las partículas elementales, indivisibles, que
constituyen el átomo: electrón, quark y neutrino, pero había más de un tipo para cada uno de
ellos. Entonces hagamos un resumen.
Existen 4 partículas elementales que son:
  El electrón
  El quark up (qu)
  El quark down (qd)
 El neutrino electrónico
Esta es la primera familia de partículas elementales y podemos decir que casi todo está hecho
con ellas. Con el electrón, el qu y el qd estamos hechos todos. A esta primera familia se le
denomina familia del electrón. Contamos con dos familias más con masas crecientes, es
como si fueran los primos gorditos de estos, tienen las mismas características pero pesan
más. La segunda familia se denomina familia de muón y está compuesta por:
  El muón (primo gordito del electrón)
  El quark charm, qc (primo gordito del qu)
  El quark strange qs (primo gordito del qd)
 El neutrino muónico (primo gordito del neutrino electrónico)
Luego la tercer familia esta formada por:
  El tau (el primo más gordito del electrón)
  El quark top, qt (el primo mas gordito del qu)
  El quark bottom, qb (el primo más gordito del qd)
 El neutrino tauónico (el primo más gordito del neutrino electrónico)
La naturaleza se presenta en 3 familias de partículas que tienen masas crecientes. ¿porqué
esto es así? Podríamos pensar que podrían aparecer más familias, pero no, las familias son solo
estas 3. Si alguien sabe porqué la naturaleza funciona de esta manera, estaría bien que lo
dijera porque la realidad es que nadie lo sabe hasta hoy.
Esto es lo lindo de la naturaleza, que nos presenta problemas que piden a gritos una
explicación y no podemos darle respuestas… por ahora…
Cuando tenemos una teoría, hay que preguntar a la naturaleza si es correcta o no. Si la
naturaleza dice que sí, entonces estamos bien encaminados, por ahí van las cosas y una de las
formas para preguntarle a la naturaleza es hacer un experimento.
Simplemente sucede en la naturaleza, que las cosas tienen masa… ¿cómo es posible esto?
¿Las partículas elementales también? ¿deberían o no? Si, de momento iremos diciendo que
las partículas elementales tienen masa (ya hablamos de primos gorditos), pero no deberían
tenerla de acuerdo con la teoría que explica el modelo atómico. ¿Y entonces? La respuesta es
que estas partículas no tienen masa (como debe ser) pero la adquieren ¿cómo? Mediante su
interacción con un campo denominado campo de Higgs que lo llena todo. Hablaremos de esto
en un próximo artículo.
Nuestro resumen nos lleva ahora, a ver cuáles son las interacciones entre las partículas, para ir
armando nuestro modelo atómico.
Las sustancias no solo están formadas por partículas sino que interaccionan entre sí. La
interacción más obvia de las sustancias es la gravitatoria, los cuerpos caen atraídos hacia la
Tierra. Luego conocemos las fuerzas de fricción, las fuerzas que desarrollan las sustancias
pegajosas como las cintas adhesivas, hay fuerzas magnéticas, fuerzas eléctricas, fuerzas que
se producen en el interior del sol que producen luz y calor…
Un éxito de la física moderna es ver que todas estas interacciones son solo manifestaciones
de 4 tipos de interacciones básicas:
  Interacción gravitatoria
  Interacción electromagnética
  Interacción fuerte
 Interacción débil
Cada interacción tiene una “partícula mediadora” de éstas no hemos hablado nada todavía (no
tienen masa y tienen espín entero, salvo los bosones W y Z que sí tienen masa).
Para la interacción Electromagnética, la partícula mediadora es el fotón (ϒ).
Para la interacción Fuerte, la partícula mediadora es el gluón (g).
Para la interacción Débil, la partícula mediadora son los bosones W, Z.
Para la interacción gravitatoria la partícula mediadora es el gravitón (G). Existe en la teoría
y es muy difícil verla como partícula, pero los físicos están seguros de que existe.
Partículas elementales e interacciones básicas constituirían el universo cuántico el cual vamos
a intentar ir descubriendo a través de sucesivos artículos.
Pero porqué el artículo se llama ¿Todos los caminos conducen a Roma? Que tiene que ver con
la física cuántica. Hagamos otra pregunta ¿podríamos ir a Roma por todos los caminos posibles
simultáneamente? No. ¿Por qué? Porque somos muy grandes y dejamos huellas por dónde
vamos. Pero en mundo cuántico ¡si se puede! ¡Se pueden transitar todos los caminos posibles
simultáneamente! Esto se denomina: principio de superposición o estado entrelazado de las
partículas y es la base para la criptografía cuántica, lo cual implica comunicaciones ultra
seguras o con ¡espías delatados! y también, para la computación cuántica.
Alejandra Mar

.Alejandra Mar