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  • Abril/Junio 2015Nº 80
Presentación

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Grandes físicos y grandes descubrimientos

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Durante los años setenta y ochenta del pasado siglo, un cúmulo de nuevos resultados en física fundamental cambió para siempre nuestra percepción del universo.

Si comparamos la visión de la naturaleza física imperante en 1970 con la de 1990, enseguida nos percataremos del tremendo giro. Aunque los años cincuenta y sesenta habían dado lugar a una multitud de datos experimentales sobre el mundo subatómico, solo después fue haciéndose la luz. El modelo estándar de la física de partículas quedó establecido a mediados de los setenta. Su estructura matemática se vio confirmada en 1983, cuando se descubrieron en el CERN las partículas mediadoras de las interacciones débiles, los bosones W+, W y Z0. El otro modelo estándar, el de la gran explosión de la cosmología, quedó confirmado en 1992, cuando el satélite COBE, de la NASA, detectó las anisotropías del fondo de microondas, predicción estrella del modelo.

Los artículos seleccionados y reeditados para este número especial, publicado con ocasión del vigésimo aniversario de la colección Temas de Investigación y Ciencia, constituyen un testimonio de primera mano de aquella época apasionante. Los textos de Kenneth Wilson, Yoichiro Nambu y Gerard ’t Hooft —premios nóbel de física los tres— nos ofrecen una brillante introducción a los conceptos que se encuentran en la base del modelo estándar de la física de partículas. Por su parte, los artículos de Stephen Hawking, ­Michael Green, Alan Guth y Paul Steinhardt nos abren la puerta a una serie de fenómenos físicos que aún no entendemos por completo y que siguen siendo objeto de una intensa investigación.

Nambu explica cómo los constituyentes de los núcleos atómicos, los protones y los neutrones, están a su vez formados por partículas aún más fundamentales, los quarks. En el momento en que escribe solo se conocían cuatro tipos de quark, llamados u (up, «arriba»), d (down, «abajo»), s (strange, «extraño») y c (charm, «encanto»). Hoy sabemos que existen otros dos más: el b (bottom, «fondo») y el t (top, «cima»), descubiertos respectivamente en 1977 y 1995. Los quarks se clasifican en tres parejas, (u,d), (c,s) y (t,b), de las cuales solo la primera es estable y da lugar a los núcleos de los átomos. Las otras dos se desintegran con rapidez y no forman parte de la materia ordinaria.

Uno de los aspectos más peculiares de los quarks es que se hallan siempre «confinados»: no pueden producirse aislados en el laboratorio, sino que se observan solo agrupados en compuestos mayores, como los protones. Nambu presenta con gran maestría algunas propuestas teóricas para comprender este fenómeno, que continúa siendo investigado en la actualidad. Una de las ideas aboga por entender el confinamiento como debido a la existencia de una «cuerda elástica» que mantendría unidos a los quarks. Con el tiempo, esa propuesta seguiría su propio curso y evolucionaría hasta dar lugar a la teoría de cuerdas, de la que Nambu fue también pionero.

Hoy en día contamos con una gran cantidad de indicios a favor del confinamiento, si bien aún carecemos de una demostración matemática rigurosa. Nambu no las tenía todas consigo, por lo que al final de su texto llega a decir: «Si una partícula no puede ser aislada u observada [...] ¿cómo sabremos nunca que existe?». La respuesta llegaría de la mano de los físicos experimentales, que durante los últimos 35 años han demostrado que los quarks dejan en los detectores una señal muy característica en forma de chorros de partículas, cuya distribución queda predicha con inusitada precisión por el modelo quark.

’t Hooft nos brinda una visión más detallada del mundo subatómico más allá de los quarks. El modelo estándar incluye otras seis partículas de materia: los leptones, los cuales aparecen de nuevo en tres parejas, (ee), (μ,νμ) y (τ,ντ). Aquí e denota el electrón, que, junto con los protones y los neutrones, da lugar a los átomos, responsables de toda la variedad química de la naturaleza. Al igual que ocurre con los quarks, el electrón cuenta con dos réplicas inestables y más masivas, los leptones μ y τ. Los otros tres constituyentes elementales de la materia son los neutrinos, partículas con una masa extremadamente pequeña y que desempeñan un papel clave en la evolución estelar.

El modelo estándar describe todas las interacciones fundamentales —menos la gravitación— mediante un formalismo compatible con los dos pilares básicos de la física moderna: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial. Sin embargo, la formulación matemática de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas puso de manifiesto la existencia de un nuevo principio: el de invariancia gauge, relacionado con las simetrías subyacentes a las leyes de la naturaleza. ’t Hooft explica brillantemente en su artículo en qué consiste dicho principio y qué papel desempeña en las leyes físicas.

En 1971, cuando realizaba su doctorado en la Universidad de Utrecht, ’t Hooft y su supervisor de tesis, Martinus Veltman, demostraron la consistencia matemática de las teorías gauge, un hito que en 1999 les granjearía el premio Nobel de física.

Al final de su artículo, escrito en 1980, ’t Hooft enumera una serie de preguntas que aún hoy continúan sin respuesta: ¿por qué las masas de las partículas elementales son las que son?, ¿qué determina la masa del bosón de Higgs? Hace tres años, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN nos proporcionaron una magnífica pista al producir por primera vez dicha partícula. Su masa ha resultado ser unas 133 veces mayor que la del protón. ¿Por qué? No lo sabemos. ’t Hooft concluye su texto con una mención a algunas de las ideas propuestas para resolver tales cuestiones: las teorías de gran unificación (GUT, por sus siglas en inglés), la supersimetría y la supergravedad.

Para comprender estos nuevos conceptos, así como la consistencia misma del modelo estándar, resultan fundamentales las ideas que Wilson desarrolló en los años setenta. Su artículo nos presenta una nueva técnica para tratar problemas en los que intervienen múltiples escalas. Dicho método, denominado grupo de renormalización, es transversal, en el sentido de que puede aplicarse a sistemas muy distintos, desde aquellos que aparecen en física de materiales hasta las partículas y las interacciones elementales. Como el mismo Wilson aclara, «no es una teoría descriptiva de la naturaleza, sino un método general de construir teorías».

En su aplicación a la física de partículas, el grupo de renormalización nos ha enseñado que la intensidad de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas varía con la energía a la que trabajemos. Gracias a esta técnica sabemos que las intensidades de las tres interacciones tienden a converger hacia un mismo valor a energías muy elevadas, un sugerente indicio de la existencia de una teoría unificada.

Los avances de los años setenta condujeron a una descripción microscópica de todas las interacciones fundamentales menos una: la gravedad. En la búsqueda de una teoría cuántica de la gravitación, un laboratorio matemático clave lo han proporcionado las propiedades cuánticas de los agujeros negros.

En 1974, Hawking demostró que, al incorporar los efectos de la mecánica cuántica, la descripción de los agujeros negros nos obliga a introducir conceptos típicos de la termodinámica, como temperatura y entropía. Y que los agujeros negros no lo son tanto, pues emiten radiación... de Hawking. En su artículo, el físico explora esta fascinante conexión entre gravedad, termodinámica y mecánica cuántica, al tiempo que explica cómo el universo podría estar repleto de agujeros negros remanentes de la gran explosión.

El texto de Green nos ofrece una excelente introducción a la teoría de cuerdas, hoy por hoy, la candidata más sólida a una teoría cuántica de la gravitación. Dicha teoría reúne, además, las características necesarias para unificar la gravedad con el resto de las interacciones. Incluye de manera natural las ideas que mencionaba ’t Hooft en su artículo (gran unificación, supersimetría y supergravedad) y las combina en una estructura matemática única.

El artículo de Green fue escrito dos años despuésguth de la llamada «primera revolución» de la teoría de cuerdas. Esta llegó cuando, en 1984, Green y John Schwarz, del Instituto de Tecnología de California, demostraron que las supercuerdas podían combinarse con teorías gauge del tipo de las requeridas por el modelo estándar. A partir de entonces, las supercuerdas se convertirían en el campo de estudio de una gran cantidad de físicos teóricos.

Ese esfuerzo colectivo condujo en 1995 a la «segunda revolución», detonada por el descubrimiento de que todas las teorías de cuerdas conocidas formaban parte de una estructura aún mayor, conocida como teoría M [véase «La teoría M», por Michael Duff; Investigación y Ciencia, abril de 1998, y «Unificación y dualidad en teoría de cuerdas», por Luis Ibáñez; Investigación y Ciencia, agosto de 1998]. Los primeros esbozos de dicha teoría fueron expuestos por Edward Witten, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, en un congreso celebrado en marzo de aquel año en la Universidad de California en Los Ángeles. Todos los que presentábamos allí nuestro trabajo quedamos mudos ante la belleza de sus resultados, basados en hallazgos dispersos a los que muchos habíamos contribuido, pero con los que no habíamos sido capaces de ir más allá. Hoy, las supercuerdas y la teoríaM siguen siendo objeto de una intensa investigación que cada vez nos revela más aspectos sobre su sorprendente estructura.

Aparte del problema de su unificación con el resto de las interacciones, la gravedad desempeña un papel clave en la estructura y evolución del universo. La teoría de la gran explosión describe un universo en expansión, predice un fondo cósmico de radiación de microondas a una temperatura de 2,7 grados Kelvin y una abundancia de elementos químicos acorde con las observaciones astrofísicas.

En su versión tradicional, sin embargo, dicha teoría adolece de ciertas limitaciones. Para superarlas, Guth propuso en 1980 la existencia de un breve período de expansión exponencial, o «inflación», durante los primeros instantes del universo. Aquella hipótesis fue desarrollada en los años siguientes por investigadores como Andréi Linde, de Stanford, Andreas Albrecht, de la Universidad de California en Davis, y Steinhardt. En su artículo, firmado en 1984, Guth y Steinhardt exponen los fundamentos de este pilar de la cosmología moderna.

La teoría inflacionaria explica con gran elegancia el origen de las galaxias y predice la aparición de ciertas irregularidades en el fondo cósmico de microondas. Ambos efectos aparecen como consecuencia de las fluctuaciones cuánticas en el universo primordial, las cuales se ven ampliadas hasta escalas cósmicas como consecuencia de la expansión inflacionaria. Durante los últimos años, los satélites WMAP, de la NASA, y Planck, de la ESA, han medido con una precisión enorme las anisotropías del fondo de microondas. Sus resultados son perfectamente compatibles con un universo inflacionario.

Algunos modelos de inflación cósmica predicen, además, un tipo muy especial de irregularidades en el fondo de microondas llamadas «perturbaciones tensoriales». Su observación supondría un enorme espaldarazo para la teoría inflacionaria. En estos momentos, el satélite Planck y los experimentos BICEP y KECK, en el Polo Sur, están analizando con gran detalle el fondo de microondas a la búsqueda de tales fluctuaciones. La respuesta definitiva bien podría llegar dentro de poco.

Los artículos incluidos en este monográfico conservan toda su frescura original y nos dan un panorama de completa actualidad sobre la física de lo más pequeño y lo más grande. Los autores, algunos de los físicos teóricos más brillantes de las últimas décadas, han sido capaces de transmitir en ellos toda la belleza de la física fundamental. ¡Que lo disfruten!

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