Thursday, January 18, 2007

Un poco de historia sobre teorías físicas :D

http://curiosoperoinutil.com/2007/01/18/consultorio-cpi-gravitones/

A principios del siglo pasado se conocían tres fuerzas: La electricidad, el magnetismo y la gravedad. James Clerk Maxwell unificó las dos primeras con sus famosas ecuaciones de Maxwell, de las que ya hablamos aquí en tono CPIero. ¿Y qué es “unificar”? Pues es demostrar (o mostrar) que dos cosas que parecían tan diferentes (¿Qué tiene que ver atraer un tornillo con un imán con la luz del sol?) son en realidad regidas por el mismo conjunto de ecuaciones. En las ecuaciones de Maxwell aparecen campos eléctricos y magnéticos, relacionados entre sí, y dan explicación a muchos fenómenos. Por ejemplo, explican con sencillez por qué al pasar un imán en movimiento cerca de un circuito eléctrico, en éste se crea una corriente.

Así pues, parecía que había dos fuerzas: el electromagnetismo y la gravedad. Pero a principios (y mediados) del s. XX se descubrieron dos fuerzas más: La fuerza nuclear fuerte, que es la responsable de que los protones positivos del núcleo atómico no se vayan a tomar por saco a pesar de su repulsión electromagnética, y la fuerza nuclear débil, responsable de algunas desintegraciones radiactivas.

Volvíamos a tener cuatro fuerzas. Gravedad, Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil. Los físicos somos seres peculiares, que siempre buscamos la simplicidad para explicar el mundo que nos rodea. ¿Por qué cuatro fuerzas? ¿Por qué no doce, o sólo una? Impulsados por la unificación de Maxwell, los físicos buscaron aspectos comunes del resto de las fuerzas, intentando encontrar una teoría más profunda de la que cada fuerza fuese sólo un aspecto particular (igual que hizo Maxwell). Y ha habido éxitos por el camino, por supuesto. En 1979 se concedió el premio Nobel de Física a Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg por demostrar que el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son en realidad aspectos diferentes de una misma fuerza, a la que llamaron “fuerza electrodébil”. Las ecuaciones que hallaron requerían la existencia de partículas aún no conocidas, llamadas bosones W y Z. Cuando estos bosones fueron descubiertos en el CERN, les cayó el Nobel. Actualmente el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son distintas, pero a mayores energías demostraron que son en realidad la misma cosa.

¿Y terminamos aquí nuestro viaje por la unificación de las fuerzas? ¡No! Lo siguiente que se hizo fue unificar la fuerza electrodébil con la fuerza nuclear fuerte. El resultado de esta unificación recibe el aburrido nombre de “modelo estándar”. La parte de la Física cuántica que lo describe se llama “cromodinámica cuántica”, (de cromos, color). EL modelo estándar nos dice que en realidad estas tres fuerzas (nuclear fuerte y débil y electromagnetismo) son tres aspectos de una misma cosa. Sólo a altísimas energías son estas tres fuerzas la misma. Cuando baja la energía se “rompe la simetría”, concepto bastante abstruso que quizás dejemos para otra ocasión, y cada fuerza se manifiesta por separado.

Ya hemos ajuntado (perdón por el tecnicismo) a tres fuerzas de las cuatro que conocemos. ¿Quién falta? La Gravedad, claro está, que se hace la estrecha y no se quiere ajuntar con nadie. Todos los intentos de meter a la gravedad en cintura han fracasado, por ahora. La técnicas habituales que permitieron unificar las anteriores fuerzas chocan irremisiblemente contra el muro de la Gravedad, que provoca infinitos allá donde la metamos en nuestras ecuaciones de unificación.

El modelo estándar funciona, muy por encima, de la siguiente manera: Existen las partículas tal y como las conocemos y existen otras partículas que “transportan” las fuerzas (partículas mediadoras). O sea, que cuando dos electrones se repelen, en realidad lo que han hecho ha sido intercambiar partículas mediadoras de la fuerza electromagnética. Estas mediadoras son, para el electromagnetismo, los fotones, que también conocemos como “luz”. Las mediadoras de la fuerza débil son los bosones W y Z, y las mediadoras de la fuerza nuclear fuerte son los gluones (del inglés glue, pegamento, pues mantienen unidos a los protones en el núcleo). Si queremos meter a la gravedad en el mismo saco, por fuerza debe tener una partícula mediadora de la fuerza gravitatoria. Esta partícula hipotética recibió el nombre de “gravitón”. Gravitón, por cierto, es el mote que recibe un profesor, orondo, de la UCM que enseña(ba) partículas elementales :D.

Y en esas estamos. Sabemos que si existe un esquema unificado de todas las fuerzas, la gravedad debe tener una partícula mediadora. Pero no se ha detectado (su interacción con la materia es muuuuuuy débil) y no se ha conseguido integrar en el modelo estándar. Pero todos los físicos, creo, sostienen que debe poder hacerse. Y en ello están.

Hasta el momento, el único cálculo aceptable que mezclara cuántica con gravedad sin explotar lo hizo Stephen Hawking, cuando predijo la pérdida de masa, debida a efectos cuánticos, de los agujeros negros (la famosa “radiación de Hawking”).

Resumiendo: Sabemos que la Relatividad y la cuántica no pueden ser ciertas a la vez. La Relatividad de Einstein es una teoría clásica, que no tiene en cuenta efectos cuánticos. Por tanto, hay que encontrar una gravedad cuántica. Pero no la hemos encontrado aún. O sea, que para los cálculos seguimos usando la Relatividad General de Einstein, que sabemos que falla cuando las distancias empiezan a ser pequeñas.

Otro esquema de unificación, que tiene un enfoque distinto al del modelo estándar, son las Supercuerdas. Pero eso es otra historia y será contada en otro momento.

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