El soñador de la teoría final

Steven Weinberg no solo fue un gigante de la física teórica. Fue también un educador de primera línea y un referente cultural.

Steven Weinberg impartiendo un seminario en el CERN en diciembre 1979. Unos días antes, el físico neoyorkino había viajado a Estocolmo para recibir el premio Nobel. [CERN]

En síntesis

El pasado 23 de julio falleció Steven Weinberg, uno de los arquitectos del modelo estándar de la física de partículas y uno de los principales físicos teóricos de la segunda mitad del siglo XX.

Weinberg no solo destacó por sus contribuciones a la física de partículas, la gravitación y la cosmología. Fue también un magistral educador, un divulgador sobresaliente y un firme defensor de la cultura científica.

Pocos físicos contemporáneos han articulado sus ideas sobre la ciencia y la naturaleza con la brillantez con que lo hizo Weinberg. Su legado seguirá siendo una fuente de inspiración para futuras generaciones.

«Lo único que quiero saber es por qué las cosas son como son.» Con estas palabras respondía Steven Weinberg al periodista Bill Moyers cuando, en 1988, este le preguntó qué era lo que quería comprender del universo. Esa curiosidad por conocer la razón última de las cosas fue una constante en toda la carrera científica de Weinberg, uno de los padres del modelo estándar de la física de partículas y personalidad señera de la física teórica de la segunda mitad del siglo XX.

Tristemente, el físico neoyorkino nos abandonó el pasado 23 de julio a la edad de 88 años. Al liderazgo que durante décadas mantuvo dentro de la física de altas energías se sumó su papel como educador, divulgador y firme defensor de la cultura científica. Estas facetas dejaron una huella indeleble no solo en la física como disciplina, sino en generaciones de investigadores y en la cultura en general.

Receptor del premio Nobel de física de 1979 por su contribución clave a la formulación de la teoría electrodébil, Weinberg pasará también a la historia por sus aportes de primer orden a la teoría cuántica de campos, la física de partículas, la gravitación y la cosmología. Pero su legado no queda ahí. De entre los grandes físicos contemporáneos, pocos han articulado y defendido sus ideas sobre la naturaleza y la ciencia con la extensión y brillantez con que Weinberg lo hizo. Esto justifica hablar de su filosofía de la naturaleza, cuyo punto de partida era que las leyes de la naturaleza son reales: no en un sentido convencional, como las reglas de cualquier deporte o juego, sino de la misma manera en que son reales una piedra o un libro. Esta postura encierra profundas implicaciones, ya que comporta que la actividad del científico tiene un referente externo y que, por tanto, puede describirse como una búsqueda de verdades universales sobre la naturaleza.

Como cabía esperar, el uso de términos como real o verdad fue causa de controversia con filósofos de la ciencia, para quienes estas categorías tenían una excesiva carga epistemológica. Frente a ellos, Weinberg reivindicó, no sin polémica, la independencia de la ciencia con respecto a la filosofía, disciplina que consideraba de escasa o nula utilidad para el investigador. Según él, al filósofo de la ciencia corresponde clarificar y delimitar los términos y los conceptos empleados por los científicos, pero no prescribir cómo estos deben usarlos.

Otra de las facetas en que destacó Weinberg fue como educador de nuevas generaciones de físicos, tanto en su labor docente —que mantuvo hasta sus últimos momentos— como a través de numerosos libros de texto; desde Gravitation and cosmology, su obra de 1972 con la que generaciones de físicos aprendimos relatividad general y cosmología, hasta Foundations of modern physics, publicado este mismo año. Mención especial merecen los tres volúmenes de su monumental The quantum theory of fields (1995, 1996 y 2000), el que probablemente sea el texto de teoría cuántica de campos más exhaustivo y profundo escrito hasta la fecha.

Firme creyente en el valor social de la ciencia, Weinberg dedicó tiempo y esfuerzo a popularizar la física entre el público no especializado, haciendo siempre gala del máximo rigor, claridad y respeto intelectual por el lector. También su primera excursión en este terreno tuvo como objeto la cosmología. Fue con The first three minutes, originalmente publicada en 1977 y actualizada en 1993, donde describía los tres minutos posteriores a la gran explosión que dio origen a nuestro universo. A pesar del tiempo transcurrido, el libro sigue siendo una obra maestra de la divulgación científica que ha inspirado y maravillado a generaciones de físicos y legos por igual.

El camino de la unificación

La pasión de Weinberg por explicar la naturaleza a un nivel cada vez más fundamental se hizo manifiesta desde su juventud, cuando su interés por la química le condujo a la física atómica y a la mecánica cuántica, al descubrir que eran estas disciplinas las que explicaban las leyes químicas. Su fascinación juvenil por la ciencia se vio estimulada por la atmósfera de la Escuela Secundaria de Ciencias del Bronx, el prestigioso centro público neoyorkino en el que estudió el bachillerato y de cuyas aulas han salido ocho premios nóbel. Uno de ellos, Sheldon L. Glashow, fue de hecho compañero de clase de Weinberg en el Bronx y acabaría compartiendo con él el Nobel de 1979.

Tras graduarse en Cornell en 1954, Weinberg decidió pasar un año en el Instituto Niels Bohr de Copenhague. Recién casado, su intención era dedicar su estancia a estudiar y a prepararse para su tesis doctoral a su regreso a Estados Unidos. Pero las cosas no salieron como esperaba, y lo que había planeado como una combinación de luna de miel extendida y año de estudios se convirtió en su primer contacto con la investigación en general y con la teoría cuántica de campos en particular.

Cuando, tres años después, Weinberg obtuvo su doctorado por la Universidad de Princeton, no corrían buenos tiempos para la teoría de campos. Atrás quedaba el éxito de la electrodinámica cuántica, la teoría que describe la interacción entre electrones y fotones. En la década de 1930, los físicos hallaron que los cálculos en electrodinámica cuántica arrojaban cantidades infinitas carentes de sentido físico, lo que hizo pensar a muchos que se trataba de una teoría inviable. Sin embargo, hacia finales de los años cuarenta, se demostró que era posible eliminar esos infinitos de las predicciones físicas de la teoría «absorbiéndolos» en los valores de las masas y las cargas de las partículas. Dicha técnica matemática, conocida como renormalización, convirtió a la electrodinámica cuántica en una teoría predictiva y libre de incoherencias internas.

No obstante, dicha técnica no funcionaba con la teoría propuesta por Enrico Fermi para describir la interacción nuclear débil, responsable de las desintegraciones radioactivas. Y en cuanto a la interacción nuclear fuerte, que mantiene unido el núcleo atómico, su gran intensidad dificultaba usar las técnicas que hacían posibles los cálculos en electrodinámica cuántica, la cual se basaba en suponer que la interacción entre fotones y electrones no era más que una pequeña perturbación de su movimiento libre.


En un artículo de apenas tres páginas
modestamente titulado «Un modelo de los leptones»,
Weinberg delineó la base de lo que hoy conocemos
como teoría electrodébil, uno de los dos grandes
pilares del modelo estándar


En 1961, Glashow, que además de compañero de Weinberg en la secundaria lo había sido también en Cornell, formuló una teoría de campos que unificaba el electromagnetismo y la interacción débil. En ella, además del fotón, había tres bosones con masa: dos con carga eléctrica (los bosones W) y uno neutro (el bosón Z). Pero los problemas persistían, ya que el hecho de que las partículas tuvieran masa arruinaba una propiedad clave de la teoría (su invariancia gauge) e impedía que esta fuera renormalizable. Por tanto, los resultados infinitos permanecían y la teoría parecía carecer de poder predictivo.

Por su parte, los intentos de aplicar la teoría de campos a la interacción fuerte pasaban por explotar otras simetrías, como el isospín o el llamado «camino óctuple». Estas relacionaban entre sí partículas como el protón y el neutrón, o los piones, entre otras. Pero, debido a las diferencias de masa entre ellas, tales simetrías solo podían considerarse aproximadas. A principios de los años sesenta, el descubrimiento del fenómeno de ruptura espontánea de simetría (en el que una simetría está presente en las ecuaciones básicas de la teoría, pero no en sus soluciones) llevó a pensar erróneamente que las simetrías de la interacción fuerte eran aproximadas por estar espontáneamente rotas.

Desde los inicios de su carrera, Weinberg mantuvo la convicción de que si la teoría cuántica de campos era capaz de describir el electromagnetismo, también debería dar cuenta de las interacciones nucleares. En el que puede considerase el primero de sus artículos históricos, había demostrado, junto con Jeffrey Goldstone y Abdus Salam, una conjetura anterior de Goldstone según la cual, cuando una simetría se rompe espontáneamente, aparecen ciertas partículas sin masa. Pero, si esto era así, ¿dónde estaban las partículas sin masa asociadas a las simetrías de la interacción fuerte? Si realmente tenían masa nula, los experimentos de la época ya tendrían que haberlas detectado.

Una manera de evitar la aparición de esas partículas sin masa fue propuesta en 1964 por Robert Brout, François Englert y Peter Higgs. En un principio, Weinberg intentó aplicar su idea a las simetrías de la interacción la fuerte, empeño que concluyó sin éxito. Sin embargo, una mañana de octubre de 1967, mientras conducía al Instituto de Tecnología de Massachusetts, donde por entonces era profesor visitante, cayó en la cuenta de que estaba aplicando «la idea correcta a la teoría equivocada».

Su idea le permitió juntar todas las piezas para delinear la base de lo que hoy conocemos como teoría electrodébil, uno de los dos grandes pilares del modelo estándar. En un artículo de apenas tres páginas modestamente titulado «Un modelo de los leptones», Weinberg demostró que el mecanismo de Brout-Englert-Higgs podía aplicarse de forma natural a la teoría de Glashow de las interacciones débil y electromagnética. Además, su modelo predecía la existencia de lo que hoy conocemos como bosón de Higgs, descubierto en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Curiosamente, Weinberg dejó los quarks fuera de su modelo porque, en aquellos momentos, no creía en su existencia.

Aunque acabaría convirtiéndose en el artículo más citado en física de partículas durante décadas, «Un modelo de los leptones» pasó inadvertido hasta 1971. Fue ese año cuando Gerard ’t Hooft, un joven doctorando de la Universidad de Utrecht, demostró que la clase de teorías a la que pertenecía la propuesta por Weinberg eran renormalizables. Una de las predicciones del modelo era además la existencia de «corrientes débiles neutras»: interacciones mediadas por la fuerza débil en las que no se transfiere carga eléctrica. Estas fueron observadas en el CERN en 1973 y, en 1978, los experimentos del laboratorio SLAC, en California, demostraron que sus propiedades coincidían con las predichas por la teoría de Weinberg. Todo ello condujo a que, en 1979, Weinberg recibiese el premio Nobel junto a Glashow y Salam (quien había llegado a la teoría electrodébil de forma independiente) «por sus contribuciones a la teoría unificada de las interacciones débil y electromagnética» y «la predicción de la corriente débil neutra».

LA ENERGÍA OSCURA Y LA VIDA: En 1987, Steven Weinberg acotó el valor de la constante cosmológica usando un argumento «antrópico»; es decir, teniendo en cuenta el hecho experimental de que estamos aquí para hacernos preguntas. Una constante cosmológica positiva y demasiado grande habría acelerado excesivamente la expansión del universo temprano y habría impedido que la materia se aglomerase y formase galaxias, planetas y vida. Junto con otros argumentos, eso le llevó a concluir que la densidad de energía oscura no podía ser muy distinta de la densidad de materia en el universo. Cuando, en 1998, se midió por primera vez la densidad de energía oscura, los datos confirmaron las estimaciones de Weinberg. [NASA/ESA/J. LOTZ/HFF(STScI)]


Teorías efectivas

De los numerosos hitos del legado científico de Weinberg, uno de primer orden pero mucho menos divulgado es su trabajo sobre las llamadas «teorías efectivas». Dicho análisis permitió una comprensión mucho más profunda de la teoría cuántica de campos, del modelo estándar y de la gravedad.

Consideremos la cromodinámica cuántica, la teoría de campos que describe la interacción fuerte. En realidad, esta teoría solo resulta útil para calcular procesos entre quarks y gluones a energías muy elevadas. Ello se debe a que, a tales energías, estas partículas interaccionan muy débilmente entre sí. Sin embargo, a energías menores la intensidad de la interacción aumenta, por lo que llega un momento en el que quarks y gluones ya no son útiles para describir los fenómenos. En su lugar, es mucho más conveniente hacerlo en términos de otras partículas «efectivas», como protones, neutrones o piones. Y aunque en principio las interacciones entre estas últimas deberían poder obtenerse a partir de las ecuaciones básicas de la cromodinámica cuántica, en la práctica esto resulta inviable. ¿Cómo construir entonces la teoría de las interacciones fuertes a bajas energías?

En 1979, Weinberg propuso una manera de hacerlo. El primer paso consiste en identificar aquellos estados que, a la energía que nos interesa, interaccionan de manera lo suficientemente débil como para poder identificarlos como partículas. Después habremos de considerar todas las interacciones posibles entre dichas partículas que resulten compatibles con las simetrías de la teoría.

Sin embargo, hay un problema: el número de interacciones que podemos añadir es en principio infinito, lo que parecería significar que la teoría no es predictiva. Pero en realidad sí lo es, ya que, a una energía determinada y con la precisión de nuestros detectores, solo habrá un número finito de interacciones relevantes. El resto no nos interesan, pues su efecto será insignificante a las escalas de energías que estamos explorando. Solo al considerar procesos a energías cada vez mayores llegaremos a una escala donde esas infinitas interacciones empezarán a ser importantes. Esa es la señal de que tenemos que abandonar la descripción efectiva y usar la teoría «completa». En el caso de los piones, esa teoría es la cromodinámica cuántica.

La idea de teorías efectivas revolucionó la teoría cuántica de campos y puso en perspectiva la importancia de la renormalización. A diferencia de lo que ocurre en las teorías renormalizables, como la electrodinámica cuántica, para eliminar los resultados infinitos en una teoría no renormalizable no basta con redefinir cargas y masas. Es necesario introducir un número infinito de nuevas interacciones, a fin de poder absorber en ellas todas las cantidades divergentes que aparecen en los cálculos. Pero lo importante es que esas teorías siempre tendrán una escala de energías característica, por debajo de la cual las nuevas interacciones quedarán suprimidas. Así, siempre que nos mantengamos a energías lo suficientemente bajas, solo un pequeño número de ellas serán apreciables. Por tanto, que una teoría no sea renormalizable no constituye un problema, sino tan solo una señal de que estamos tratando con una teoría efectiva.

Esta idea permite añadir todo tipo de interacciones «no renormalizables» al modelo estándar, las cuales solo serán importantes a la escala de energías a la cual aparezca nueva física. Weinberg construyó interacciones de este tipo (los hoy conocidos como «operadores de Weinberg») que permiten dar cuenta, por ejemplo, de la masa de los neutrinos y otros fenómenos. Y la misma idea puede aplicarse a la relatividad general: a energías mucho menores que la escala de Planck, la teoría puede cuantizarse en términos de una teoría efectiva de gravitones que interaccionan débilmente. Solo al acercarnos a la escala de Planck tendríamos que usar la teoría completa de gravedad cuántica, cuya forma aún hoy seguimos sin conocer.

En una serie de influyentes trabajos a principios de los años noventa, Weinberg aplicó la idea de teoría efectiva al estudio de la interacción entre protones y neutrones. Ello supuso una revolución en física nuclear, ya que permitió abordar a partir de primeros principios el problema de la estructura del núcleo atómico y de la materia nuclear de forma sistemática y precisa. Tanto es así que, este año, algunas revistas especializadas están publicando series de artículos para conmemorar el trigésimo aniversario de las contribuciones de Weinberg.

Indicios de una teoría final

En línea con su trabajo sobre teorías efectivas, Weinberg visualizaba la ciencia como una red jerárquica de principios que se van explicando en términos de otros más fundamentales. Las leyes de la química son explicadas por la mecánica cuántica del átomo, y este por la física de partículas. La estructura de esa red no presenta huecos ni partes disconexas, y el flujo de explicaciones va convergiendo a un número progresivamente menor de principios cada vez más básicos.


Weinberg veía la ciencia como una red jerárquica
de principios que se van explicando en términos
de otros más fundamentales. Esa convergencia
explicativa era para Weinberg el principal indicio
de la existencia de una teoría final,
el verdadero leitmotiv de su obra científica

Esa convergencia de la cadena explicativa era para Weinberg el principal indicio de la existencia de una teoría final, el verdadero leitmotiv de su obra científica. La física de partículas, como la disciplina más fundamental, tendría como objetivo el descubrimiento de esa explicación última. Sin embargo, Weinberg rechazó el nombre de «teoría del todo», ya que, a efectos prácticos, los sistemas químicos o biológicos necesitarían ser explicados en términos de sus propias leyes efectivas, por más que estas fueran, al menos en principio, reducibles a otras más fundamentales y, en último término, a la teoría final.

Este reduccionismo teórico fue otra causa de polémica con los filósofos de la ciencia y también con algunos de sus colegas físicos, quienes, como Philip Anderson, defendían la autonomía de las leyes de los sistemas complejos. Weinberg siempre enfatizó que el carácter fundamental de una disciplina no era un juicio de valor sobre ella, sino tan solo un reflejo de la estructura lógica presente en la propia naturaleza. La física de partículas es más fundamental que, por ejemplo, la física de la materia condensada, no porque sea intelectualmente más profunda, sino porque sus objetos de estudio son más elementales.

Como nada en nuestro conocimiento del universo indica un papel especial del género humano en el orden natural de las cosas, la ciencia era para Weinberg también una actividad existencial: algo que dota a la vida del propósito que no hallamos en la ley natural. Nada expresa mejor esta idea que las palabras con que cerró The first three minutes: «El esfuerzo por comprender el universo es una de las pocas cosas que eleva la vida humana por encima de la farsa y le da algo de la elegancia de la tragedia».

Figura pública

Como uno de los líderes de la física de altas energías, Weinberg participó en los años ochenta en el comité del malogrado Supercolisonador Superconductor (SSC), un acelerador de 85 kilómetros que tendría que haber comenzado sus operaciones en Texas a mediados de los años noventa. Planificado para acelerar protones a una energía tres veces mayor que la que actualmente puede alcanzar el LHC, el SSC pretendía detectar el bosón de Higgs y cualquier posible indicio de nueva física. El proyecto se vio dificultado desde sus inicios por obstáculos presupuestarios, ya que el Congreso de EE.UU. debía dotar cada año las partidas económicas para su desarrollo y construcción.

El SSC significaba para Weinberg un paso decisivo hacia la ansiada teoría final, y como tal defendió el proyecto ante el Comité de Ciencia del Congreso. En su testimonio se enfrentó no solo a las críticas de los congresistas, sino también a las de físicos como Anderson y James Krumhansl, quienes se oponían a lo que consideraban un gasto desmesurado en física de partículas que, en su lugar, debía destinarse a otros fines científicos. El proyecto fue definitivamente cancelado en 1993, aunque, según enfatizaba Weinberg, ello nunca supuso la trasferencia de financiación a ninguna otra área científica.

Esta experiencia ante el Congreso fue la base sobre la que construyó su segundo gran libro de divulgación, Dreams of a final theory (1993), una espléndida exposición de la física de partículas contemporánea y de su visión de la ciencia y la naturaleza. Fue en esos mismos años cuando se inició la transformación de Weinberg en referente cultural. Particularmente relevantes en esta faceta fueron sus frecuentes artículos en la revista New York Review of Books, muchos de los cuales serían incluidos en sus libros recopilatorios Facing up (2001), Lake views (2011) y Third thoughts (2018). Aparte de pronunciamientos sobre la actualidad política y social, en ellos trató los temas más diversos, desde el posmodernismo y la importancia de la ciencia en la sociedad hasta el papel de la caballería en la estrategia militar de la Europa medieval, entre muchos otros.

Todos los libros de Weinberg rebosan referencias históricas, y él admitió repetidamente su afición por la historia de la ciencia. En 2015 fue más allá y publicó To explain the world, un viaje personal por las ideas relativas a la naturaleza desde la antigua Grecia hasta la revolución newtoniana. La obra atrajo la atención de historiadores de la ciencia, quienes acusaron a Weinberg de valorar los hechos históricos a la luz del progreso hacia la ciencia actual, y no dentro del contexto intelectual en el que surgieron. Con todo, cabe decir que esta visión de la historia de la ciencia, conocida por el término inglés whig, estaba en plena concordancia con la filosofía de la naturaleza de Weinberg: la realidad de la ley natural dota a la historia de la ciencia de un punto focal —ausente en la historia general— desde el que juzgar los diferentes desarrollos según su contribución al progresivo descubrimiento de esos principios. Una visión gradual y acumulativa de la ciencia que siempre contrapuso a las ideas de Thomas S. Kuhn, para quien la noción del progreso en ciencia estaba limitada al desarrollo interno de paradigmas, pero donde los sucesivos cambios de paradigma no nos acercarían a ninguna «verdad» sobre la naturaleza.

Un legado permanente

Además de las obras ya mencionadas, en sus casi 200 artículos científicos (tres cuartas partes de ellos como único autor), Weinberg realizó numerosas contribuciones clave a la física de partículas y la cosmología, campos que fue pionero en conectar: los modelos de «tecnicolor» (una teoría de generación de masa alternativa al mecanismo de Brout-Englert-Higgs), los axiones, el llamado límite de Lee-Weinberg a la masa de los neutrinos o la cota antrópica al valor de la constante cosmológica, por mencionar solo unos pocos. Su influencia en la física teórica de la segunda mitad del siglo XX ha sido de tal magnitud y extensión que puede ser comparada con la de los grandes nombres de la edad dorada de la física de partículas, como Richard Feynman o Murray Gell-Mann.

Weinberg sigue con nosotros no solo a través de su obra científica y de sus libros. Tenemos la fortuna de vivir en una época en la que una simple búsqueda en Internet nos permite disfrutar de sus conferencias y entrevistas. Su gran personalidad y sus excelentes dotes de comunicador seguirán recordándonos la importancia de la ciencia como parte integral de la cultura y sirviendo de fuente de inspiración a futuras generaciones.

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