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  • Investigación y Ciencia
  • Octubre 2016Nº 481
Libros

Reseña

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La belleza en las leyes físicas

Un diseño del universo basado en la simetría.

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EL MUNDO COMO OBRA DE ARTE
EN BUSCA DEL DISEÑO PROFUNDO DE LA NATURALEZA
Frank Wilczek
Crítica, 2016

Los conceptos de elegancia y belleza son usados frecuentemente por los físicos teóricos cuando se refieren a una idea o a una teoría nueva. De hecho, la belleza es una de las metas que se persiguen durante la investigación y también uno de los motores del proceso creador. Pero ¿a qué se refieren exactamente los físicos cuando hablan de la belleza de una teoría? Si el lector se ha hecho alguna vez esta pregunta, sin duda disfrutará con la lectura del último libro de Frank Wilczek.

La obra trata de responder a la siguiente pregunta: ¿es la belleza una parte integral de la naturaleza? Para el autor, la respuesta es afirmativa. Las leyes que describen las cuatro interacciones fundamentales conocidas (la gravitatoria, la electromagnética y las interacciones nucleares fuertes y débiles) comparten una idea matemática: la simetría local, o simetría gauge. Y, gracias a este principio, las leyes fundamentales de la naturaleza presentan características que identificamos con la belleza: armonía y un gran poder predictivo.

El autor nos muestra cómo, a lo largo de lo siglos, la búsqueda de la belleza ha sido una fuente de inspiración para numerosos científicos. Con esta idea como hilo conductor, el libro repasa en una primera parte las creaciones de algunos de los gigantes de la historia: Platón, Newton y Maxwell, entre otros. Estos primeros capítulos introducen las nociones de simetría e invariancia, comentan su relación con la belleza y explican la manera en que estas ideas han evolucionado a través de los siglos. Desde los sólidos perfectos de Platón, donde el concepto de simetría hacía referencia a una propiedad geométrica y puramente estática de una serie de objetos ideales, hasta las ecuaciones de Maxwell, donde la simetría es una propiedad matemática de las ecuaciones que, a la postre, dicta cómo interaccionan entre sí los objetos con carga eléctrica, cómo se propaga la luz y, en definitiva, todo el electromagnetismo.

La segunda parte de la obra está dedicada a la física del siglo XX y al modelo estándar, la teoría moderna de las interacciones fundamentales. Tras una breve descripción de cada una de ellas y de sus propiedades más importantes, Wilczek se centra en el papel que desempeña en ellas la simetría.

Emmy Noether fue la primera en darse cuenta de la importancia de las simetrías en las teorías físicas. Hace ahora cien años, esta matemática demostró que, siempre que las ecuaciones de una teoría respetasen ciertas simetrías, existiría una cantidad específica que no cambiaría con el tiempo. El teorema de Noether asocia, por tanto, una «cantidad conservada» a cada simetría, y viceversa. La conservación de la energía, por ejemplo, aparece cuando las ecuaciones que describen un sistema resultan invariantes frente a las traslaciones en el tiempo, mientras que la conservación del momento angular no es más que una consecuencia de la simetría frente a rotaciones [véase «Emmy Noether», por Renata Tobies; Investigación y Ciencia, diciembre de 2004].

Sin embargo, la clase de simetría que hay tras la física del siglo XX, la simetría local, es particular por otra razón. En general, decimos que una teoría presenta una simetría si sus ecuaciones permanecen invariantes al aplicarles algún tipo de transformación. Lo que ocurre con las simetrías locales es que, además, permiten que dicha transformación sea distinta en cada punto del espacio. Estas simetrías son mucho más poderosas que las habituales, ya que no solo dan lugar a cantidades conservadas, sino que fijan de forma unívoca la forma en que unas partículas pueden interaccionar con otras. No podemos hacer que dos quarks interaccionen con una intensidad un poco mayor o menor que otros sin «romper» la simetría local. La única libertad que hay a la hora de diseñar un modelo de este tipo consiste en escoger una simetría local concreta y el número de partículas. Una vez hechas esas elecciones, la simetría local automáticamente nos dirá cómo ha de ser la interacción entre las partículas [véase «Teorías gauge de las fuerzas entre partículas elementales», por Gerard 't Hooft, Investigación y Ciencia, agosto de 1980; reeditado para «Grandes ideas de la física», colección Temas de IyC n.o 80, 2015].

Es precisamente la simetría local la que hace bellas las leyes de la naturaleza. Las interacciones entre partículas no son arbitrarias, ni pueden ser modificadas a placer: aparecen como consecuencia de una simetría local. El modelo estándar es un rompecabezas en el que las piezas encajan casi a la perfección, y eso lo dota de un tremendo poder predictivo.

El libro concluye con algunas especulaciones sobre las pequeñas imperfecciones del modelo estándar y sobre el tipo de teorías que podrían desbancarlo. Una vez más, el autor emplea argumentos basados en simetrías para dilucidar cómo podrían ser tales teorías. Las de gran unificación basadas en supersimetría parecen ser sus candidatas favoritas, y a ellas dedica unas cuantas páginas.

Una de las razones por las que el libro resulta interesante es porque el autor desempeñó un papel fundamental a la hora de desentrañar la estructura del modelo estándar. En 2004, Wilczek recibió el premio Nobel de física por su descubrimiento de la libertad asintótica, una propiedad esencial para entender las interacciones fuertes [véase «Cuarenta años de libertad asintótica», por Antonio González-Arroyo; Investigación y Ciencia, junio de 2013]. Más allá de un estilo un poco cursi que puede no gustar a todos, el libro describe la física del siglo XX haciendo hincapié en la función que cumple la simetría en nuestra manera de entender las leyes de la naturaleza. Todo ello de la mano de uno de los grandes físicos del siglo.

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