DISERTACIONES DE UN SOADORAlgunas observaciones sobre la Fsica y su belleza(1.000 Km. Empiezan con 1 paso)

Sri Deva Fnix. (Prof. Flix E. Daz) 2003

Disertaciones de un SoadorProf. Flix E. Daz. (Sri Deva Fnix.)

Algunas observaciones sobre la Fsica y su Belleza

Dedicada a todos los Curiosos del MundoMuchas veces me he puesto a pensar en lo pequeo que somos, cuando me asomo por un pequeo telescopio y miro... o cuando me asomo por un microscopio y miro... o cuando me asomo en alguna laguna y miro... o en un charco y miro... o simplemente cuando cierro mis ojos y miro... y recuerdo que as como nunca se cansa el ojo de ver, nunca se cansa la mente del curioso en preguntar. Y nunca est satisfecha con las respuestas. Creo que el asunto se convierte en una especie de vicio de la investigacin y de las especulaciones que te atrapan y te condenan, uno simplemente se deja arrastrar, debo confesar mi profunda curiosidad por la fsica, y si bien en un principio me inspir un cierto miedo, hoy me encanta que me asuste con sus fantasmas y acertijos, los que sin duda me han dado espectaculares dolores de cabeza y otros... tambin he llegado a pensar algunas cosas descabelladas como que la fsica mejora cuando miramos la naturaleza a escalas cada vez ms pequeas, lo que pide unos microscopios cada vez ms potentes, a los que llamamos "aceleradores". As, construimos esas inmensas mquinas, que cuestan muchsimo dinero, a fin de explorar estas escalas cada da ms minsculas que nos permiten sondear con mayor profundidad la estructura de la materia.

Hasta ahora, estos enormes microscopios nos han permitido explorar unas distancias del orden de 10 elevado a -17 cm., es decir, unas distancias muy pequeas. Y con estos microscopios, o aceleradores, hemos aprendido mucho sobre lo que constituye el Universo y sobre las fuerzas que actan entre los constituyentes de la materia. Se puede considerar que la fsica mejora en la exploracin de la naturaleza a grandes escalas, construyendo grandes microscopios para estudiar las pequeas distancias. Y, desgraciadamente, esto requiere la construccin de microscopios cada vez mayores que necesitan cada vez ms energa. Esta es la razn por la que se llama "fsica de altas energas" a la fsica de partculas. Y se necesita, evidentemente, cada vez ms dinero para la construccin de estos microscopios. As, yendo desde las grandes escalas hasta las pequeas escalas, hemos descubierto a lo largo de los siglos que a cada escala le corresponde una nueva fsica, una unificacin ms grande de las fuerzas de la naturaleza y, en profundidad, una sencillez mayor. Por lo tanto, el objetivo es continuar este proceso. Primero entendimos que la materia estaba hecha de tomos. Y despus, gracias a unos mejores microscopios y utensilios, descubrimos que el tomo est, realmente, constituido por un pequeo ncleo rodeado de electrones. As, tenamos el ncleo, formado por protones y neutrones, y los electrones. Ya en el siglo XX, exploramos las propiedades del ncleo y descubrimos que estaba compuesto de minsculos y puntuales quarks. Y para eso se necesitaron unos microscopios que nos permitieron ver con una precisin de 10 elevado a -17 cm. Y es, ms o menos, la escala hasta donde hemos llegado hoy en da. Sobre la base de esos experimentos, hemos construido lo que se llama el "modelo estndar", una teora notablemente acertada sobre esos constituyentes de la materia, las partculas, y las fuerzas que las mantienen unidas.

Y esa teora, que fue elaborada durante largos aos, se ha probado con bastante precisin con los aceleradores de hoy y, por ahora, funciona bastante bien. Esta carrera hasta las pequeas escalas nos sirve tambin para comprender mejor la historia del Universo. El mismo movimiento desde las grandes escalas hasta las pequeas, desde las bajas energas hasta las altas, corresponde al movimiento desde los tiempos recientes hasta los antiguos en la vida del Universo. Tenemos muchas indicaciones de que el Universo en su principio era un estado muy compacto, denso y caliente, en el que las energas eran normalmente enormes. Entonces, la fsica que gobernaba el comportamiento del Universo en su nacimiento, o justo despus de ste, era la fsica de altas energas que todava no comprendemos muy bien. Es decir, no comprendemos todava la historia ms antigua del Universo. Durante su evolucin, el Universo se dilataba, se enfriaba, su energa disminua y la fsica en vigor es la de bajas energas. Por lo tanto, la historia del Universo desde unos cuantos segundos desde su nacimiento se describe mediante una fsica que s conocemos. Y podemos predecir, con ms o menos exactitud, lo que pasar en el Universo de aqu a muchos, muchsimos aos vista. Pero lo que nos queda por conocer es la historia ms antigua del Universo, que es esencial para comprender, por ejemplo, el origen y evolucin de las galaxias. Tenemos, entonces, buenas razones para continuar con esta bsqueda de lo infinitamente pequeo, ahondando cada da ms en la estructura de la naturaleza. Hay muchas indicaciones de que, a medida que progresamos hacia energas cada vez mayores y distancias cada vez menores, nos estamos acercando a un gran salto.

Este presentimiento se basa, en parte, en el hecho de que la teora actual de partculas elementales est compuesta por diferentes partes. Describe la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los quarks. Y Describe tambin las fuerzas electromagntica y dbil que actan sobre los electrones y los quarks. Verdaderamente parece que todas esas fuerzas son distintas manifestaciones de una nica fuerza, es decir, que tendran que unificarse en una estructura mayor de la que cada una formara parte. Y parece que las distintas formas de partculas de materia tambin son, en el fondo, manifestaciones de un nico ente. Por esto, suponemos que tiene que haber una teora ms unificada en la que las distintas partes del modelo estndar son slo las consecuencias de un nico principio. Si se extrapola nuestra teora actual hasta unas escalas que todava no han sido exploradas experimentalmente, parece que las fuerzas se convierten en una sola y misma fuerza en unas escalas muy pequeas. No del orden de 10 elevado a -17 cm., sino de 10 elevado a -33 cm. Es tambin a este nivel que se vuelve interesante la preocupacin por la gravedad. Tenemos una teora sobre la gravedad que sirve para describir el nacimiento de los planetas, de los grandes objetos, a muy grandes escalas. Pero, hasta ahora, no hemos conseguido integrar la gravedad a la mecnica cuntica, a las leyes de lo infinitamente pequeo. Y los esfuerzos que hemos hecho para comprender a qu se parecera la gravedad a altas energas han sido hasta ahora totalmente improductivos. Esto se debe fundamentalmente a que esta fuerza es tremendamente dbil a altas energas, por lo que sus efectos son casi inapreciables, excepto cuando se une un nmero gigantesco de partculas, como en un planeta.

Pero cuando nos vamos hacia las muy altas energas, la gravedad empieza a volverse una fuerza muy potente, tanto como las restantes fuerzas. Y es a esa escala, donde la gravedad se convierte en importante, cuando hay que poner esta fuerza en juego. Esto nos hace sospechar que llegaramos a la unificacin de todas las fuerzas existentes en esas muy pequeas escalas. El problema de los tericos, y de todo el mundo en realidad, es que hay una enorme fosa entre 10 a la -17 cm y 10 a la -33 cm. Y los nuevos aceleradores del CERN y otros laboratorios agrandan quiz estos lmites a nuestra observacin, aunque todava se encuentren muy lejos de la distancia de Planck, esa muy pequea distancia. Por otro lado, los tericos no tienen todava este tipo de problemas y pueden intentar hacer este salto con su imaginacin. Y la teora de las cuerdas es uno de los ms excitantes intentos de construir una teora unificada de toda la materia y de la gravedad, que describira a la vez la fsica desde 10 a la -33 hasta la fsica de las ms grandes escalas. El modelo del Big Bang est aceptado por la mayora de los cosmlogos. No obstante, an quedan algunos cuantos que tienen sus propias teoras. Pero los indicios son tan substanciales que la teora del Big Bang es la correcta. La evidencia toma forma de diferentes maneras. En primer lugar, observamos la expansin del Universo, luego se dispersa. Y esto hace que parezca como si partiera de un denso estado inicial caliente, idea subyacente en la teora del Big Bang. Tambin observamos la radiacin csmica de fondo, una radiacin de tercer grado que atraviesa el espacio y llega a la Tierra uniformemente desde todas las direcciones del espacio. No hay manera de interpretar esto si no es mediante la teora del Big Bang.

Finalmente, la teora del Big Bang predice la relativa abundancia de elementos qumicos que creemos sintetizados en el Big Bang. Y estas predicciones van muy bien. Globalmente, los argumentos en favor del Big Bang parecen ser los ms convincentes. El modelo inflacionario postula que el Universo ha pasado por un periodo en el que estaba atrapado en un estado de falso vaco que sera el responsable de su expansin fulgurante. Esa expansin tuvo lugar, lo ms seguro, durante el primer lapso de tiempo, esto es, durante los 10 elevado a -34 segundos despus del Big Bang (0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.01 segundos despus del tiempo 0) y dur aproximadamente un intervalo de tiempo entre 100 y 1.000 veces mayor, lo que es terriblemente poco. La inflacin entonces slo modifica nuestra representacin del Universo en esa pequea, nfima, fraccin de segundo. Despus, retomamos el modelo clsico del Big Bang. Es divertido constatar que una de las cuestiones importantes en la fsica es: "Qu es el vaco?" Sin embargo, es una cuestin muy interesante. El espacio vaco se puede llenar con lo que llamamos procesos virtuales: cosas que surgen brevemente para desaparecer de nuevo. Estas cosas efmeras forman parte del vaco.

Es finalmente el vaco, la naturaleza del vaco, el que determina las propiedades de las partculas. El vaco es para nosotros, los cientficos de hoy, algo extremadamente rico. El espacio se ha considerado como la ausencia de materia. En el pasado decamos que la naturaleza tena miedo al vaco. El vaco es nada, es la ausencia de todo, es el cero. Hoy en da, entendemos el vaco como un estado de energa mnima. Se puede decir que no existe una energa menor a la del vaco, por lo que el vaco est lejos de ser nada. El vaco es el reino en el que todo pasa, en el que la materia y las fuerzas se transmiten. Y el vaco, gracias a la mecnica cuntica, es un medio extremadamente interesante. En el interior del vaco, a travs de unas transiciones, que ocurren continua y espontneamente gracias a la mecnica cuntica, existen unas transformaciones. El vaco se transforma en parejas materia-antimateria que vuelven al vaco de nuevo. El vaco llega a tener as, durante cortos instantes y bajo la cobertura del principio de indeterminacin de Heisenberg, una riqueza fabulosa. Entonces, el vaco se empieza a convertir en algo tan interesante como la materia. Pensamos que la naturaleza y el comportamiento de las partculas dependen del estado del vaco. Esta es la clave del problema y justamente del modo en el que evoluciona el vaco. Pensamos que este vaco ha cambiado, en su estructura, en su metamorfosis desde su aparicin en la creacin del Universo hasta nuestros das, de una forma extremadamente profunda. Ahora, las colisiones que realizamos en el CERN, por ejemplo, y las que se hacen en Amrica, tienen como fin medir la enorme energa del vaco.

Nosotros, aniquilando materia y antimateria durante unos tiempos extremadamente cortos y en un volumen extremadamente pequeo, podemos, se podra decir as, calentar el vaco. Luego podemos transformar el vaco de hoy en lo que era el vaco de ayer. Y tener, durante un muy breve intervalo de tiempo, la posibilidad de observar lo que pasa en el vaco en un estado diferente. Y sera posible imaginar entonces que, en estas condiciones, se cambiaran las reglas del juego.. La energa creada en la colisin se transforma rpidamente en nuevas partculas y antipartculas donde las trayectorias son ms rectas cuanto ms energticas son. Imaginemos que la alta densidad de energa que producimos y mantenemos hoy en da en el CERN, con el LEP, es la misma densidad de energa que haba en el Universo una diez mil millonsima de segundo despus de que todo comenzara. Sabemos que los fsicos piensan que el Universo arranca con un Big Bang, una explosin de espacio y tiempo que tuvo lugar hace, ms o menos, quince mil millones de aos. Se puede decir que una diez mil millonsima de segundo despus de esto se tena una densidad de energa similar a la que nosotros podemos mantener. Es decir, lo que producimos aqu es lo mismo que tena el Universo en aquel momento. Y lo estudiamos para ver cmo era todo en su principio. Es la densidad de energa ms alta conseguida hasta ahora en cualquier parte del mundo. Pero como todo el mundo sabe, el LEP es la empresa cientfica ms grande que el ser humano haya realizado jams. Evidentemente, lo hacemos en un volumen muy pequeo, ya que los electrones y positrones que hemos aniquilado son muy pequeos, mientras que el Universo era bastante grande, aunque no tan grande como lo es ahora.

En aquel momento, una diez mil millonsima de segundo despus del Big Bang, el Universo era tan grande como el sistema solar de hoy en da. Grande, s, aunque no tan grande. Pero todo este volumen, toda esta regin del espacio, tena todo l la densidad de energa que nosotros conseguimos mantener. No obstante, el fenmeno es el mismo. Actualmente, con estos estudios intentamos comprender cmo era todo en el principio. Y a la frontera a la que hemos llegado es evidentemente la densidad de energa conseguida hoy en el LEP. En el futuro habr, con toda seguridad, otras fronteras. Si se me pregunta lo que entiendo por la palabra materia, depender de lo que est hablando. Algunas veces puede ser la distincin entre materia y radiacin, por ejemplo. Otras, esta distincin no parece tener demasiada importancia pues, en la fsica actual se puede convertir una en otra. Es por lo que creo que los fsicos deben rechazar la vieja idea de que el mundo est compuesto de materia y vaco. Y, realmente, tampoco pueden ellos responder a cuestiones como "qu es la materia?". Slo pueden decir cmo se comporta y cundo es til esta palabra. Uno de los fines de la fsica es comprender en qu consiste el Universo. Nuestras observaciones indican que est compuesto de partculas portadoras de energa. El fin de la teora de partculas es, entonces, conocer las partculas que constituyen el Universo y las fuerzas que las unen. Si tenemos xito con este estudio, tengo el presentimiento de que habremos comprendido lo que es la materia. La materia es, esencialmente, energa. Ambas son equivalentes. Se transforman la una en la otra. Si se observa la energa, cuando no es una forma de energa, es materia.

Por supuesto, las fuerzas del modelo estndar incluyen la gravedad, que se trata separadamente y que est descrita con muy buena aproximacin por la teora de Einstein, basada en la relatividad general. El modelo estndar se vincula despus con la fuerza electromagntica, la fuerza dbil (que se manifiesta en determinados tipos de radiacin tales como la desintegracin beta) y la fuerza fuerte (que resulta de las interacciones glunicas entre quarks y que est presente en la fuerza nuclear que mantiene unidos a los protones en el ncleo atmico). Todas las fuerzas se transmiten mediante el intercambio de determinados cuantos. En mecnica cuntica, un cuanto es un paquete de energa. La fuerza electromagntica resulta del intercambio de unos cuantos llamados fotones. Un electrn y un protn, dentro de un tomo de hidrgeno, por ejemplo, estn as ligados por la fuerza electromagntica resultante del intercambio de fotones entre el electrn y el protn. La fuerza electromagntica, como sabemos, disminuye con la distancia. Ello se debe, en su mayor, parte a la ley de Coulomb y esta fuerza disminuye a razn del cuadrado de la inversa de la distancia entre los objetos.

La fuerza de gravedad debe ser mediada por el intercambio de similares cuantos llamados gravitones. Pero la fuerza gravitacional es tan dbil que, ni ahora, ni en un futuro previsible se podrn observar los gravitones. Pero tienen que existir para poder aplicar la mecnica cuntica a la gravedad. La fuerza dbil se transmite mediante los "bosones intermedios", que predijimos varios de nosotros hace ya ms de 30 aos y que han sido observados hace slo un par de aos en el CERN, cercano a Ginebra. La fuerza fuerte se transmite mediante el intercambio de gluones. Es el resultado de las interacciones glunicas entre quarks. Este intercambio se encuentra relacionado indirectamente con las fuerzas que mantienen unidos a los protones y los neutrones dentro del ncleo atmico. Aparte de los gravitones, fotones, bosones intermedios y gluones cules son las otras partculas fundamentales, elementales, del modelo estndar? Bien, tenemos los quarks, cada uno con uno de los 3 "colores" y seis "sabores" posibles. Estn tambin los antiquarks. La familia de los quarks forman as un conjunto de 18 tipos de partculas y otros 18 de antipartculas, 36 tipos de objetos elementales que se conocen bajo el nombre de quarks

Adems de los quarks (partculas observables unidas por la fuerza fuerte mediada por los gluones) se encuentran los electrones, clebres como constituyentes del tomo junto con el ncleo. Tambin estn los neutrinos, sin carga elctrica y muy difciles de detectar. El neutrino no se ve sometido ni a la fuerza electromagntica ni a la fuerza fuerte, sino slo a la fuerza dbil. Esta partcula ha sido observada en el laboratorio desde hace ya ms de 30 aos. Existen dos tipos fundamentales de partculas que se parecen al electrn y otros dos tipos que se parecen al neutrino. Los primeros son las versiones pesadas de los electrones: el mun con una masa 200 veces superior y el taun, con una masa 4.000 veces superior al electrn. Los otros tipos son el mu-neutrino y el tau-neutrino, que son al mun y al taun lo que el neutrino es al electrn. Consecuentemente, tenemos seis tipos de partculas: el electrn y su neutrino, el mun y su neutrino y el tan y su neutrino. Junto con sus correspondientes 6 tipos de antipartculas, obtenemos un total de 12 tipos de partculas, conocidas normalmente como leptones. Est claro que todava no tenemos un modelo definitivo. Es demasiado complicado y no es todava totalmente coherente. Es difcil conciliar la teora de la gravitacin con la teora del resto de partculas fundamentales del modelo estndar. Sin embargo, pensamos, tiene que haber una teora que las unifique a todas, una frmula nica y suprema que describa todas las partculas fundamentales vistas hasta ahora y, quiz, muchas otras ms, incluso infinitas. Deber incluir tambin todas las fuerzas que hemos visto hasta ahora, muchas ms, infinitamente ms.

Hoy en da, el inters y las especulaciones tericas buscan una unificacin global de todas las fuerzas y que describa todas las partculas, una teora simple. La candidata ms aceptable es la teora de supercuerdas, pues tiene las propiedades que hacen falta. Por primera vez en la historia tenemos una teora que presenta todas las propiedades que necesitamos. Como sabemos, dentro de unos lmites razonables, se transforma en la teora de la gravitacin de Einstein. Si consideramos la fuerza de gravitacin, la teora de las cuerdas se reduce a la teora de la relatividad general de Einstein, lo que ya es bastante impresionante. Se trata, entonces, de una generalizacin de la teora de Einstein, que incluye montones de partculas, de hecho, un nmero infinito de ellas, de las que slo se pueden observar un nmero finito de ellas con baja energa. Pero la teora de las supercuerdas no tiene una justificacin experimental, una justificacin fundamental que conlleve un acuerdo entre la teora y la observacin. El modelo estndar lo tiene y esperamos que, por supuesto, un da dicho modelo pueda ser derivado como una aproximacin de la teora de las supercuerdas. Decir si algn da se habr comprendido toda la fsica y no habrn ms preguntas, es una cuestin filosficamente interesante a la que nunca se podr responder. El caso ocurrido a principios de este siglo es un hecho sorprendente. A finales del siglo pasado, se crea haber comprendido casi toda la fsica.

Pero no se conoca la radiactividad, ni se entenda bien la gravedad y tampoco se saba nada de la fuerza fuerte. Y, de repente, se descubren nuevos fenmenos que no se podan integrar en las teoras existentes hasta entonces. Y esto puede pasarnos todos los das en cualquier momento. Por eso, jams estaremos seguros de haber comprendido la naturaleza en su totalidad. Aunque quiz llegue el da en el que podamos decir que entendemos perfectamente los fenmenos observados hasta ahora. Pero nadie nos puede asegurar, gracias a Dios, que al da siguiente no se observen nuevos fenmenos completamente inesperados. Uno de los fines de la fsica es comprender en qu consiste el Universo. Nuestras obsevaciones indican que est compuesto de partculas portadoras de energa. El fin de la teora de partculas es, entonces, conocer las partculas que constituyen el Universo y las fuerzas que las unen. Si tenemos xito con este estudio, tengo el presentimiento de que habremos comprendido lo que es la materia. La unificacin es casi tan total como podramos esperar. La teora de las cuerdas no dice que haya unos pocos objetos y que a partir de stos se construya el resto. En cierto sentido, decimos que en la teora de las cuerdas hay un objeto que se extiende, unidimensional y parecido a una cuerda. Dicho objeto podra aparecrsenos en muchas formas diferentes. De la misma forma que cuando rascamos una cuerda de violn, hacindola vibrar de distintas maneras y as conseguir distintos sonidos a partir de una misma cuerda. Todos los tonos de una cuerda en vibracin son los distintos modos de un nico objeto. De la misma forma, esas cuerdas fundamentales se observan en sus vibraciones especficas.

Hay una cuerda fundamental en la cual, las distintas vibraciones a energas bajas aparecen a gran escala como partculas elementales. La misma cuerda vibra de una cierta manera y se parece a un quark, de otra diferente y se parece a un fotn, la partcula de la luz, de otra y se parece a un electrn, de otra y se parece a un gravitn, la partcula que media en la fuerza de gravedad. En esta teora, todas las partculas son las distintas vibraciones de un nico objeto. Es una verdadera unificacin. Todas las partculas y todas las fuerzas, todas las partculas que gobiernan las interacciones, son todas vibraciones de una misma cuerda. Existe una teora final? Especulamos sobre ello, pero no lo sabemos. Una teora as no sera necesariamente la que resolvera todos los problemas de la fsica. Nos ayudara a unificar todos los fenmenos fsicos de forma muy abstracta y sera incapaz de predecir el tiempo que har maana o, menos an, de explicarnos el funcionamiento de los organismos vivos. Es decir, una teora as no sera el fin de toda ciencia, sino, quiz, de un cierto tipo de ciencia, de una ciencia que intenta responder a una cadena de cuestiones sobre por qu las cosas son como son. La partcula J/Psi tiene dos nombres: "Psi" aqu y "J". Es una partcula elemental muy pesada, descubierta casi simultneamente en 1974. En su poca, hubo un gran nmero de datos e ideas tericas para interpretarla. A aquellas semanas del descubrimiento de la partcula Psi, del segundo descubrimiento y de los experimientos que se hicieron para determinar qu era, se las acab conociendo en la comunidad de fsicos como la "Revolucin de noviembre". Es muy emocionante para un fsico hacer una revolucin y me alegro de haber participado en esta pacfica revolucin.

La partcula J es una nueva familia de partculas con una larga vida. Antes de descubrir la partcula J, conocamos alrededor de 200 partculas elementales, todas ellas muy ligeras y con un periodo de vida muy corto. Estas nuevas partculas son diferentes de las otras porque viven mucho tiempo, ms o menos 10.000 veces ms que el resto. Es como si nosotros, las personas, que vivimos normalmente menos de 100 aos, descubriramos una familia donde sus miembros viven unos 10.000 aos! No hara falta explicar por qu esta familia nos parecera extraa. Esto significa que la partcula J est compuesta por una clase diferente de quarks. Y esto es lo que es significativo. Mucha gente pensaba que slo haba tres sabores de quarks y, de repente, aparece un cuarto, el "encantado". Este es todo el significado de este descubrimiento. Una confirmacin importante que hace que la teora de los quarks parezca, en general, correcta. Hace un siglo se crea que los tomos eran las partculas fundamentales. Y hace un siglo tambin, se crea que el hidrgeno, el oxgeno, el nitrgeno y el hierro eran fundamentales. Hace 50 aos veamos los ncleos, protones y neutrones, como fundamentales. Hace 30 aos, se pensaba que las partculas elementales, como los piones, eran fundamentales. Hoy creemos que los quarks son fundamentales.. Y no se puede decir que, de aqu a un siglo, se sigan considerando fundamentales. Es por lo que la fsica es tan interesante: me parece que nunca tendr un fondo.

En el curso de muchas investigaciones, los Fsicos han tenido que hacer siempre experimentos muy precisos sobre electrones y muones en particular. Y siempre se ha dicho que un experimento hecho con mucha precisin lleva siempre a un nuevo descubrimiento. Porque este dominio est incompleto, es nuevo. Poco importa que los expertos puedan o no predecir tal o cual partcula. Lo importante es hacer medidas precisas en un rango muy amplio para ver si existen o no nuevos fenmenos. La fsica, como la biologa y la astronoma, es una ciencia experimental. La frontera de la fsica siempre es experimental. La teora se funda en la lgica y en sus deducciones matemticas. Y puede pasar que una teora no confirmada experimentalmente sea falsa. Por el contrario, ninguna teora puede negar un experimento, puesto que el hecho experimental es un hecho. En la fsica de altas energas, casi todos los grandes descubrimientos de los ltimos 25 aos no han tenido nada que ver con la teora. Por lo que lo importante es hacer experimentos, la experimentacin. Experimentos precisos destruirn todas las teoras y los tericos tendrn, entonces, que crear una nueva teora. Es as como avanza la fsica. Destruir una teora es tan importante como probarla.

Durante siglos, los filsofos escpticos se han preguntado sobre la realidad del mundo descrito por los cientficos. Es evidentemente imposible probar la existencia de las partculas e incluso la de las sillas y mesas que nos rodean. Ms recientemente, los historiadores y socilogos de la ciencia intentan describir la investigacin cientfica como una empresa social en la que las teoras fsicas o cientficas no son dictadas por la naturaleza de la realidad sino creadas socialmente como seran creados un movimiento esttico o poltico. Yo no lo creo as. No tengo los argumentos lgicos, aunque tengo mi experiencia como trabajador cientfico y un sentimiento irresistible de que existe una realidad fuera de nuestros laboratorios, de nuestras universidades, de nuestros congresos cientficos, una realidad que nos recompensa cuando estamos en armona con ella y nos castiga cuando no lo estamos, invalidando nuestras teoras. Pienso que esto es una de las grandes cosas de la fsica, que hacemos unas predicciones lo suficientemente precisas como para poder ser invalidadas experimentalmente si llega la ocasin. Y creo que debemos tener la conviccin de que hay una realidad ah fuera, fuera de esta ventana y de nuestros amigos fsicos. Esta es una de las cosas que ms me apasiona de la fsica. El dilogo con la naturaleza. Y en este dilogo la naturaleza no siempre est de acuerdo con nosotros.

En los aos 70, se haba llegado a una teora muy satisfactoria, el modelo estndar, que explicaba todos los fenmenos observables en los laboratorios y aceleradores existentes. Y la teora elaborada por los fsicos para superar el modelo estndar y llegar a una teora ms satisfactoria y completamente unificada envolva fenmenos que no se podan observar directamente en los laboratorios. Esta divergencia entre la teora y los experimentos ya se haba producido antes. Cuando Einstein anunci por primera vez la relatividad general, slo haba unos cuantos modos de probarla experimentalmente, algunos de los cuales tuvieron que esperar dcadas. De nuevo, apareci una teora que tena poco que ver con las observaciones experimentales durante muchos aos. La astronoma progres despus hasta el punto en el que los efectos de la relatividad general tenan que tenerse en cuenta en el trabajo cotidiano de los astrnomos. As, cuando los astrnomos observan actualmente las galaxias, observan tambin que su luz se curva por las ondas gravitacionales de una forma completamente conforme con la teora de Einstein. Todas nuestras teoras se deben confrontar eventualmente con la observacin. Aqullas que no tienen nada que decir sobre el mundo observable no nos valen. Pero ninguna ley obliga a que las teoras sean inmediatamente verificadas.

Eso lleva tiempo y debemos ser pacientes. Pienso que las teoras de las cuerdas no han llegado todava al punto de hacer predicciones comprobables con los aceleradores existentes. Es complicado an, debido a las grandes dificultades matemticas, saber cules son sus predicciones. Los clculos son extremadamente complicados. Hacen intervenir fuerzas fuertes de una forma tal que nuestra habilidad de clculo se ve muy mermada. Debemos aprender a extraer las consecuencias de estas teoras y, por supuesto, las pruebas experimentales. Quiz debamos esperar al siglo XXI para que en una teora como la de las supercuerdas encontremos la conexin entre la teora y la experimentacin. Aunque esto no significa que estas teoras no sean fsicas o meras abstracciones matemticas. Lo que pasa es que han llegado muy, muy lejos. Existe una teora final? Especulamos sobre ello, pero no lo sabemos. Una teora as no sera necesariamente la que resolvera todos los problemas de la fsica. Nos ayudara a unificar todos los fenmenos fsicos de forma muy abstracta y sera incapaz de predecir el tiempo que har maana o, menos an, de explicarnos el funcionamiento de los organismos vivos. Es decir, una teora as no sera el fin de toda ciencia, sino, quiz, de un cierto tipo de ciencia, de una ciencia que intenta responder a una cadena de cuestiones sobre por qu las cosas son como son.

Por qu el cielo es azul y el agua hmeda? Porque los tomos y las radiaciones tienen ciertas propiedades. Por qu estas propiedades? Porque estn hechos de partculas y fuerzas entre partculas que tienen ciertas propiedades. Por qu estas propiedades? Nuestra respuesta actual se explica en una teora llamada modelo estndar. Por qu este modelo es vlido? Se ignora. Quiz porque se aplica en el lmite de bajas energas de la teora de las cuerdas. Por qu es correcta la teora de las cuerdas? Bueno, no tenemos ni idea, aunque ya existen algunas especulaciones sobre la validez de la teora de las cuerdas. Es decir, puede que haya algo ms profundo que la teora de las cuerdas que explique por qu es correcta. Tiene fin esta cadena de porqus? Se ignora. Creo que es difcil imaginar que no sea as. Pero es an ms difcil imaginar que haya una serie infinita de preguntas que nos lleven a respuestas cada vez ms profundas. As pues es mejor pensar como si esta cadena de explicaciones tuviera un fin. Puesto que si actuamos as, puede que lo encontremos algn da. De lo contrario, ya podemos perder la esperanza de encontrar el final. El LEP nos permitir explorar la regin donde podra encontrarse el Higgs dentro de un pequeo dominio. Evidentemente, el LEP nos permitira tambin estudiar indirectamente, como ya dije antes, las pequeas desviaciones muy, muy finas, dnde pudiera encontrarse el Higgs o lo que juega su papel.

Pero lo que realmente querramos hacer es aprovecharnos de la existencia del tnel del LEP y de toda la infraestructura asociada al LEP para, ms tarde, construir en el mismo tnel un acelerador, al que llamaron LHC, que utilizara protones, en vez de electrones, y que nos permitira cubrir completamente toda la regin en la que se espera encontrar bien el Higgs, bien el mecanismo que explica por qu las partculas tienen masa. Se puede decir que la naturaleza que vemos con nuestros ojos, la naturaleza macroscpica, es muy rica en fenmenos de lo ms variado de este mundo. Vemos que, como la materia viva, el Universo puede tomar formas tan diferentes como posibles. Y por ello, lo que observamos en la naturaleza, a escala macroscpica, tiene una enorme riqueza de variedades, de formas. Pero si descendemos hasta un nivel nfimo, a lo infinitamente pequeo, nos encontramos con los constituyentes fundamentales, con las partculas que son los "ladrillos", los "constituyentes" de la naturaleza, descubriremos que, a ese nivel, existe una simplicidad increble. Hay dos quarks, tres quarks, tres colores, dos familias, tres familias, hay algunos bosones que cambian las cosas. Es decir, se pasa de una situacin extremadamente compleja a una situacin extremadamente simple. Estamos forzados a simplificar ms, y a establecer unas relaciones entre las fuerzas y entre las partculas.

Desde el descubrimiento de la mecnica cuntica en los aos 20 y su conciliacin con la relatividad al final de stos y principio de los 30, sabemos que las fuerzas y las partculas tienen la misma naturaleza, que cada vez que hay una fuerza, hay un traslado de partculas. Y ya estaba claro hace 50 aos que la fuerza electromagntica, la responsable de las atracciones magnticas y elctricas, se deba a un intercambio de fotones, partculas que, en un gran nmero, forman un rayo de luz. Era natural imaginar que el resto de las fuerzas tambin se producan por el intercambio de partculas. En los aos 30, los fsicos imaginaron que unas partculas, los mesones, se intercambiaran para producir la fuerza nuclear fuerte (la responsable de la cohesin del ncleo atmico) y que otras partculas produciran la fuerza dbil (la responsable de determinados tipos de radiactividad). Actualmente sabemos que la fuerza dbil se origina por el intercambio de unas partculas a las que se les ha dado el poco elegante nombre de bosones intermediarios. Despus de concebirse tericamente, estas partculas se descubrieron experimentalmente en el CERN de Ginebra. Hay diferentes clases: una partcula cargada llamada el W y otra neutra llamada el Z, que producen los diversos tipos de efectos dbiles. Las propiedades comprobadas estn muy prximas a las predichas por la teora. Es una de las ms felices uniones entre la teora y el experimento.

Tal vez podamos pensar que, en los comienzos del Universo, los bosones intermediarios y los fotones eran idnticos. Pero en el transcurso de su evolucin, que lo transform de un sistema homogneo, uniforme, relativamente simple y banal a la riqueza y complejidad del Universo de hoy en da, empez su diferenciacin. Y as como se diferenci la materia, tambin se diferenciaron las fuerzas. Y, de esta forma, vemos como aparece la interaccin dbil, luego la radiactividad, controlada por los bosones intermedios, y, por otro lado, los fotones, los responsables de la luz. Son dos caras de la misma moneda. Para muchos, la etapa importante fue la comprensin de que existan diferentes niveles. Haba un nivel profundo en el que el bosn intermedio no tena masa. Hay simetras que imponen un cierto tipo de bosn vectorial y sus interacciones. Estas simetras son perfectas, son una propiedad de las ecuaciones matemticas. Pero existe otro nivel, el de la observacin experimental, donde no vemos las simetras y donde los bosones intermedios tienen masa. Entre estos dos niveles existe el proceso matemtico llamado rotura de simetra. Esto quiere decir que estas ecuaciones tienen propiedades simples, propiedades de elegancia, de belleza, de simetra, que sus soluciones, las partculas, no las tienen. Y, el gran momento fue comprender que la teora era realmente mucho ms simple y elegante de lo que se podra imaginar con slo mirar el hecho experimental, donde esas partculas tenan que ser muy pesadas y tenan que producir fuerzas entre partculas que parecan muy diferentes. Al menos, para algunos fue una apertura intelectual.

En el comienzo, el Universo estaba extremadamente caliente y con el tiempo, se expandi y enfri. Cuando la temperatura descendi hasta un determinado valor, la perfecta simetra entre la fuerza nuclear dbil y la fuerza electromagntica se rompi. Podemos estimar que esto ocurri a los 10 elevado a -11 segundos despus de su nacimiento. Por supuesto, nuestras ecuaciones pierden su significado cuando estamos tan cerca del principio absoluto, del cual no estamos muy seguros. Pero a ese instante matemtico en el que nuestras ecuaciones actuales predicen que la temperatura debera ser infinita es a lo que se le llama principio absoluto. Y la rotura de la simetra entre la fuerza dbil y la fuerza electromagntica se producira a los 10 elevado a la -11 segundos despus de ese origen matemtico. La nica forma imaginable de conseguir las condiciones de temperatura, de temperatura suficientemente elevada, que puedo imaginar para restablecer la simetra entre la fuerza dbil y la electromagntica sera que el Universo cesara en su expansin y empezara a contraerse. Esto sera muy posible si el Universo tuviera una densidad superior a 2 x10 elevado a -29 g. por cm3. En este caso, la fuerza de gravedad hara que la expansin actual del Universo se parara y empezara a contraerse. Toda la materia se reagrupara entonces en una gran sopa, en la que las estrellas y los tomos habran perdido su identidad.

Tendramos un Universo de plasma, de materia y radiacin y, en el curso de esta contraccin, la temperatura llegara a un nivel en el que la fuerza dbil y la electromagntica se empezaran a separar. No sabemos si esto ocurrira. Se cree que el Universo no contiene esa cantidad de materia necesaria para su colapso. Pero hara falta mucha observacin astronmica para dilucidar esta cuestin. La forma en la que estn escritas las matemticas de hoy, fundamentalmente hecha por matemticos profesionales, est desprovista de referencias a la realidad fsica. Trata con abstracciones donde la verdad se deduce de axiomas supuestos sin ninguna conexin con el mundo fsico que conocemos. Se constata por tanto un fenmeno sorprendente: cuando los fsicos elaboran nuevas teoras, se encuentran a menudo con que las matemticas ya las tienen, ya han sido desarrolladas por matemticos que no tenan en mente la fsica terica. As, por ejemplo, cuando Einstein desarroll su teora de la gravitacin, conocida como la teora general de la relatividad, necesit una teora del espacio-tiempo curvado. Y encontr que esa teora ya se haba desarrollado en el siglo XIX por matemticos como Riemann, Gauss y Lobatchewski, que no pensaron en ninguna conexin con la gravitacin. Cmo pudo ocurrir esto? Cmo podan los matemticos encontrarse en el camino correcto y desarrollar una estructura matemtica que serva para describir la realidad fsica, cuando eran matemticos, no fsicos, cuando no buscaban datos fsicos?

Es desconcertante pensar que los matemticos van por delante de los fsicos. Es como si Neil Armstrong, que aterriz por primera vez en la Luna, donde le llev la misin Apolo, la primera que fue a la Luna y que fue el primero en ver el suelo lunar bajo sus pies descubre, de repente, las pisadas de Julio Verne. Sospecho que la respuesta es, en parte, que las matemticas, quieran o no, tienen algo de fsica. El tipo de matemticas que se desarrollan est irremediablemente influenciada por la experiencia del mundo tal y como es. Por ejemplo, cuando Euclides elabor los axiomas de la geometra, crea que estaba haciendo la ms pura de las matemticas y que estaba separada de toda observacin de la realidad. Pero Einstein demostr que la geometra euclidiana slo poda aplicarse en las regiones del espacio donde la fuerza de gravedad fuera dbil. Y, como sabemos, Euclides vivi en la superficie de la Tierra, donde el campo de gravedad no es tan fuerte como para no poder aplicar su geometra. El tambin fue un fsico sin saberlo. Esta es, quiz, parte de la respuesta. Los matemticos han especulado sobre otras posibles respuestas. Recuerdo una lectura del matemtico Andrew Gleason en la que explicaba que las matemticas eran las ciencias del orden. Y, en cierto sentido, el tipo de orden matemticamente posible es limitado.

Por ejemplo, existe slo un nmero determinado de grupos de simetra; tampoco hay abundantes slidos perfectamente regulares. El matemtico busca y descubre todo el posible orden lgico y natural. Cuando el fsico intenta explicar el orden en el Universo, se encuentra con que quiz ya lo haya descubierto el matemtico. A fin de cuentas, tampoco son tantos los estados ordenados. Yo verdaderamente creo que la naturaleza est regida por unas leyes de gran simplicidad y belleza y que todos nuestros experimentos, especilmente los de este siglo, nos llevan a creer que los principios de simetra son sus elementos esenciales. Un principio de simetra nos dice que la naturaleza permanece inalterable cuando la vemos desde diferentes puntos de vista, como pueden ser las diferentes orientaciones de un laboratorio o las diferentes formas de llamar a las partculas (intercambiando electrn por neutrn, o dbil por electromagntica, por ejemplo). Afirmar que la naturaleza no cambia aunque se considere desde diferentes puntos de vistas es algo muy importante, pues determina la estructura de las ecuaciones. Muy a menudo, estos principios de simetra hacen necesaria la existencia de las fuerzas. As, para Einstein, la fuerza de gravedad era la consecuencia necesaria que haca que la naturaleza no cambiara en ningn sistema de coordenadas. Las fuerzas dbil y la electromagntica se hacen necesarias por otro principio de simetra conocido como invariancia de Gauge. Aparte de la misma mecnica cuntica, que es el marco donde encaja toda la fsica, los principios de simetra constituyen los conocimientos ms profundos que tenemos sobre la naturaleza fsica.

De hecho, no es seguro que haya algo ms que saber: la mecnica cuntica y los principios de simetra constituyen quiz todo lo que matemticamente se La existencia de simetras no era evidente para nuestros ancestros. Aristteles crea que los objetos caan porque su lugar natural era el suelo y que exista una distincin fundamental entre arriba y abajo. Hoy sabemos que esto no es cierto y que la simetra (entre arriba y abajo) la ha roto la historia. El hecho de que la Tierra sea arriba o sea abajo no es la verdadera causa de los cuerpos caigan en vez de que se eleven. Este ejemplo que hoy puede parecer trivial no era nada fcil de comprender para nuestros ancestros. Hay otras simetras que estn ms escondidas y son ms difciles de ver en la naturaleza. Hay partculas que parecen ser muy diferentes y estn conectadas por una simetra que dice que son idnticas, que las leyes naturales no se alteraran si las intercambiramos o incluso si hacemos una transformacin en la que convertimos al electrn en una partcula con un 30% de electrn y un 70% de neutrino. Las leyes naturales no cambiaran. Tales simetras son difciles de ver, aunque se encuentren ah, aunque se encuentren en las ecuaciones fundamentales y su ruptura sea la que haga que el mundo se nos aparezca como lo vemos pueda decir de la realidad fsica. La simetra, a mi entender, es verdaderamente la cosa ms fundamental que existe hoy en da en la naturaleza. Creo que si tenemos la posibilidad de explicar las leyes de las simetras fundamentales, sabremos casi todo de lo que es el mundo. Y partiendo de esto, podremos construir las ecuaciones del mundo.

Ahora bien, estas simetras que eran perfectas en el mundo inicial, extremadamente simple y uniforme, estn en constante rotura, en constante modificacin en la evolucin. Es una rotura espontnea inicialmente. Es una eleccin. Es una eleccin entre una posible solucin y otras iguales de posibles. Y la naturaleza hizo su eleccin. Es una rotura que se verifica y que, en cierto sentido, est unida a la evolucin de este Universo que es el nuestro, que ha pasado de un sistema tremendamente simple y elemental, uniforme, a un sistema en el que hay una diferencia, una modificacin, diferentes aspectos, riqueza. Durante su evolucin, el estado del Universo puede cambiar de naturaleza, como el agua cambia de estado cuando se disminuye su temperatura: es inicialmente un cuerpo gaseoso, pero que se puede licuar y solidificar. De la misma forma, la estructura del Universo puede pasar por diferentes cambios de fase y aspecto, aunque las leyes fundamentales de la naturaleza sean las mismas. Si nos apoyamos en lo que ya conocemos de la estructura de la materia y sus interacciones, sabemos que el Universo pasar por cambios de fase. stos tienden a romper las simetras, a producir estados asimtricos. Hay cosas que al congelarlas apuntan a direcciones especficas y ya no son, por tanto, simtricas bajo rotaciones de dichas direcciones. No hace falta pensar que el paso desde un Universo uniforme, regular, perfecto y geomtrico hasta la situacin real de hoy da puede representar una prdida de informacin.

Porque si es cierto que, por ejemplo, la entropa del Universo en su conjunto aumenta, es tambin cierto que su diferenciacin crea objetos particularmente sofisticados. Por ejemplo, el ser humano es un objeto extremadamente sofisticado. Est claro que si cogemos el ser humano y todo el Universo en su conjunto, la entropa aumenta. Pero separadamente, la materia viva en sus procesos de destilacin, est ganando las propiedades que los otros no tienen, que los otros pagan. As, el total es negativo, pero quedan, de todos modos, unas diferencias. Es decir, hay cosas que se diferencian en el sentido del progreso. La direccin del tiempo es un problema que nadie comprende muy bien. No sabemos verdaderamente qu fija la flecha del tiempo en el Universo. Las leyes fundamentales de la fsica nos parecen por ahora casi perfectamente insensibles a la inversin del tiempo. Y son completamente insensibles si simplemente intercambiamos los trminos "partculas" y "antipartculas". Es como decir que las antipartculas que retroceden en el tiempo se comportan exactamente igual que las partculas que siguen el curso del tiempo. Dado que en la fsica de partculas los dos sentidos del tiempo son realmente intercambiables, por qu el mundo en el que vivimos muestra una absoluta falta de reversibilidad en el sentido del tiempo? Si en una pelcula sobre un terremoto vemos que los escombros se reagrupan formando construcciones, sabemos automticamente que la estamos viendo al revs. Es igual que si vemos como un huevo roto en el suelo se recompone de repente y se convierte en un huevo completo, con su yema y clara incluidas. Por qu lo sabemos? En la pequea escala de las partculas elementales, las leyes de la fsica son simtricas respecto al tiempo: no distinguen el pasado del futuro..

Si esto es diferente a gran escala es porque el Universo comenz en un estado muy ordenado. Este tipo de estados es muy escaso, todo lo contrario de los desordenados, que abundan. Pongamos el ejemplo de un rompecabezas. Existe un agrupamiento posible, y slo uno, de las piezas para formar una imagen. Sin embargo, existen muchas formas de agrupar las piezas sin formar una imagen. Si formamos el rompecabezas en un estado ordenado y luego removemos la caja, llegaremos casi seguro a un estado de desorden, simplemente porque existen muchos ms estados de desorden. Con el Universo pasa lo mismo. Si comienza desde un estado ordenado, evolucionar hacia un estado desordenado, puesto que hay una enormidad de stos. El Universo es pues diferente en el pasado y en el futuro, an cuando las leyes fsicas microscpicas sean simtricas respecto al tiempo. El Universo en sus comienzos, en el Big Bang, era homogneo y ordenado. Sin embargo, a medida que se expanda, se volva irregular y desordenado. Los seres humanos funcionan gracias a la conversin de los alimentos, que son una forma ordenada de energa, en calor, que es una forma desordenada de energa. Cuando queremos recordar algo de nuestra memoria, tenemos que convertir la energa de los alimentos en calor. Por esto, la cantidad total de desorden en el Universo aumenta cuando rememoramos un suceso. Esto implica que el sentido del tiempo en el que memorizamos los sucesos es el mismo en el que se dilata el Universo, ya que es el sentido del tiempo en el que aumenta el desorden. Con la teora de las supercuerdas intentamos ir ms all de nuestra comprensin actual de la materia y de las fuerzas, verdaderamente ms lejos, hacia una descripcin de toda la materia, y quiz de todo, en trminos de pequeas cuerdas que vibran en un espacio de 10 dimensiones.

Histricamente, siempre hemos observado que si examinamos con mayor precisin una estructura como el tomo, descubrimos unas pequeas estructuras dentro de l, los ncleos y, dentro de ellos, los quarks. Y podramos pensar que dentro de los quarks podra haber sub quarks. De esta forma tendramos unos quarks construidos de sub quarks y unos sub quarks construidos de sub sub quarks, etc. Y es la primera cosa que se ha intentado pero algo no funciona. La teora de las cuerdas no sigue directamente el esquema de nuestras mejoras anteriores de la teora de la materia. La idea bsica es que todas las partculas y todos los mediadores de las fuerzas, incluida la gravedad, son, de alguna manera, las distintas vibraciones de una cuerda y que se nos aparecen en grandes escalas como unos modos especficos de vibracin de un solo objeto fundamental asimilable a una cuerda. Un quark se parecera entonces a un crculo unidimensional. No sera un punto elemental, sino, ms bien, una especie de crculo compuesto no de tres sub quarks, sino de muchos, muchos, infinitos sub quarks alrededor del crculo. Esta, desde luego, es una manera muy nueva de concebir una teora fsica. La teora de las cuerdas es una manera de describir las partculas elementales algo diferente a la forma en la que se ha hecho hasta ahora. Antes, pareca que las partculas elementales se podran ver como puntos, sin ningn tamao, como puntos matemticos. Pero esta idea encuentra dificultades cuando intentamos incluir la gravedad en la teora. As que con la teora de las cuerdas lo que hemos hecho es generalizar la idea de partculas puntuales a partculas con extensin, sin ningn espesor, slo curvas unidimensionales. Y para ser ms precisos, en las versiones ms prometedoras de la teora son crculos. Por lo tanto, en la teora de cuerdas, las partculas son crculos unidimensionales.

La unificacin es casi tan total como podramos esperar. La teora de las cuerdas no dice que haya unos pocos objetos y que a partir de stos se construya el resto. En cierto sentido, decimos que en la teora de las cuerdas hay un objeto que se extiende, unidimensional y parecido a una cuerda. Dicho objeto podra aparecrsenos en muchas formas diferentes. De la misma forma que cuando rascamos una cuerda de violn, hacindola vibrar de distintas maneras y as conseguir distintos sonidos a partir de una misma cuerda. Todos los tonos de una cuerda en vibracin son los distintos modos de un nico objeto. De la misma forma, esas cuerdas fundamentales se observan en sus vibraciones especficas. Hay una cuerda fundamental en la cual, las distintas vibraciones a energas bajas aparecen a gran escala como partculas elementales. La misma cuerda vibra de una cierta manera y se parece a un quark, de otra diferente y se parece a un fotn, la partcula de la luz, de otra y se parece a un electrn, de otra y se parece a un gravitn, la partcula que media en la fuerza de gravedad. En esta teora, todas las partculas son las distintas vibraciones de un nico objeto. Es una verdadera unificacin. Todas las partculas y todas las fuerzas, todas las partculas que gobiernan las interacciones, son todas vibraciones de una misma cuerda. Lo que se llama fundamental cambia con el tiempo. Primero pensamos que los tomos eran los ladrillos bsicos de la naturaleza. Despus pasaron a serlo los protones y, despus, los quarks. Ahora, pensamos que son las cuerdas As, existen ladrillos bsicos fundamentales que son los distintos modos de vibracin de una cuerda. Una cuerda corresponde, en cierto sentido, a un nmero infinito de partculas elementales ya que puede vibrar de infinitas maneras.

Los armnicos ms elevados de la cuerda se pareceran a las excitaciones ms masivas de diferentes partculas elementales. La cuerda tiene entonces eso de unificante y sencillo: todas las partculas son excitaciones de un mismo objeto. Tenemos pues una sola cuerda pero un nmero infinito de partculas. Durante las actuales observaciones de energa dbil podemos ver algunas de esas partculas. Las otras son muy masivas y difciles de producir, a menos que tengamos un acelerador de energas muy grandes. Esta es la razn por la que el modelo estndar es una buena aproximacin a la teora de las cuerdas a bajas energas, donde las excitaciones ms dbiles de las cuerdas son los quarks, leptones, fotones y gluones. La teora de las cuerdas es una generalizacin del modelo estndar que tiene todas las partculas elementales. As es como visualizamos una interaccin. En trminos de partculas diramos: un electrn est en movimiento y llega otro desde algn lugar. Cuando se aproximan, uno de ellos emite un fotn y es propulsado en una direccin. El otro electrn absorbe este fotn y es propulsado en otra direccin. El resultado es que los dos electrones iban de una forma y se van de otra. Esta es una interaccin electromagntica entre electrones que se explica mediante la existencia de fotones, las partculas de la luz. En trminos de cuerdas, esto lo visualizaramos de forma diferente. Diramos que esa imagen convendra para representar la interaccin de los electrones a gran escala, bien visto con nuestros ojos, que ven a grandes escalas bien con nuestros aceleradores de alta energa, que "ven" a pequea escala, aunque todava muy lejos de la escala de Planck.A longitudes de Planck se vera ms bien as: una cuerda-electrn est en movimiento, se parecera a un tubo. sta se desplaza, En un momento dado, la cuerda-electrn emite una cuerda-fotn y sale despedida bruscamente.

La otra cuerda-electrn absorbela cuerda-fotn y se aleja. Es decir, vemos unas cuerdaselectrones ir en una direccin y otras cuerdas electrones ir en otra, intercambiando una cuerda-fotn. Y vemos que todo es la misma clase de cuerda, slo que con una excitacin determinada que podramos identificar quiz a un electrn o, en otros experimentos, a un quark. Y la partcula que aqu se ha intercambiado, la fuerza que transfiere la interaccin, podran ser diferentes cosas, dependiendo de la excitacin en juego: a veces un fotn, otras un gravitn, todas unificadas en el intercambio del mismo objeto fundamental: una cuerda. Una de las consecuencias de esta teora es que, fundamentalmente, las cuerdas no viven en las tres dimensiones espaciales que conocemos, sino en nueve dimensiones espaciales. No olvidemos que, poco despus de que Einstein propusiera su teora de la relatividad general (en la que la gravedad es la dinmica del espacio y del tiempo), nos dimos cuenta de que podra haber ms dimensiones adems de las 3 que ya conocemos (altura, anchura y profundidad). Y esperamos que esas dimensiones suplementarias sean pequeas, compactas y enrrolladas sobre ellas mismas. Esto siempre es un hecho en toda teora que integre la gravedad. La teora de las cuerdas nos impone esta eventualidad. Nos obliga a imaginar que las cuerdas evolucionan en 10 dimensiones (en las cuales, por supuesto, descontamos siempre una dimensin temporal). A primera vista, estaramos tentados a concluir que esta teora es falsa, ya que, despus de todo, slo observamos 3 dimensiones alrededor de nosotros. Pero, en efecto, es muy posible.

Empecemos por imaginar un mundo que slo tiene una dimensin (que podemos dibujar). Tendramos un mundo unidimensional, que slo tiene una coordenada. Supongamos que nos encontramos en ese mundo. Seramos, entonces, un punto y slo podramos movernos en una direccin: hacia la derecha o hacia la izquierda. Ahora, alguien nos dice que el mundo en el que vivimos no es verdaderamente unidimensional, sino que esconde otra dimensin. Cmo es posible? Sera como decir que el mundo es un pequeo tubo, con esta estructura, que tiene la dimensin X y, adems, otra dimensin. Si este tubo es muy pequeo, o bien si no podemos ver las distancias muy pequeas, este mundo parecera tener una sola dimensin. Pero si mirramos con mucha atencin, podramos ver que hay aqu un pequeo crculo sobre el que podramos movernos y al que podramos dar la vuelta. Esta es la otra dimensin, la segunda dimensin. La diferencia es que esta dimensin es cerrada, volveramos al mismo punto. Es muy pequea. Y, a menos que no observemos cuidadosamente, no la notaramos. Segn la teora de las cuerdas, as tiene que ser la estructura del mundo. Tiene que haber 3 dimensiones grandes, que son las que conocemos, y 6 de esas pequeas que no podemos ver. Y la razn por la que no podemos verlas es porque sus tamaos tienen que ser todos de las mismas caractersticas, son minsculos.

Para que la teora de las cuerdas se imponga como una teora convincente de la unificacin de las partculas elementales y sus fuerzas, tendra que poder comprobarse experimentalmente. Pero no la comprendemos todava lo bastante bien como para hacer predicciones definitivas y decir a los colegas experimentadores que tomen medidas de esto o lo otro y que si encuentran tal resultado, nuestra teora ser la correcta pero que si no, la teora estar mal. Esperamos que llegue el da en que podamos hacer predicciones de esta naturaleza, pero todava es imposible. A corto plazo, nuestros objetivos son ms modestos. Uno de los ms razonables es el de poder explicar los resultados conocidos en el marco de la teora de las cuerdas. Pero, al mismo tiempo, hay que esperar la posibilidad de descubrir nuevas caractersticas provechosas que seran observables. Esperamos que tales predicciones lleguen algn da, pero no sabemos todava lo que pasar. No obstante, hay algunas eventualidades a las cuales, los experimentadores deberan permanecer atentos: una de ellas sera el descubrimiento de la sper simetra. La mecnica cuntica no permite hacer predicciones definitivas, sino solamente predicciones de probabilidades. En la teora clsica de Newton y sus sucesores, se supona posible, dando las posiciones y velocidades de todos los constituyentes elementales de la materia en un momento dado, predecir su comportamiento futuro con exactitud.

Pero con la aparicin de la mecnica cuntica, hace ya 65 aos, sabemos que eso es imposible. Incluso conociendo a la perfeccin las leyes que gobiernan todas las partculas elementales, los constituyentes de la materia y el estado inicial del Universo, no podra ms que calcularse las probabilidades para diferentes historias alternativas del Universo. Esto representa un gran cambio en nuestro conocimiento. Nuestro inters se centra fundamentalmente no en el conocimiento de las posibles historias del Universo, sino en determinadas cosas de la historia particular que estamos experimentando. Y por ello, las dos ramas de la fsica fundamental, la fsica de partculas elementales y la cosmologa, que buscan, respectivamente, las leyes de las partculas elementales y el estado inicial del Universo, no pueden ms que darnos las leyes fundamentales del clculo de probabilidades de las diferentes historias del Universo. Slo la observacin puede decirnos cul es la historia que estamos experimentando. Y este Universo particular que es el nuestro, con nuestra galaxia particular, nuestro sol particular, nuestro planeta particular, la Tierra, y las particulares formas de vida y organismos que han evolucionado, dependen todos ellos de las fluctuaciones cunticas que, por definicin, son imprevisibles. Es interesante destacar que adems de la indeterminacin fundamental de la mecnica cuntica, de donde resulta la nica posibilidad de predecir probabilidades para las diversas historias posibles del Universo, incluso en la aproximacin clsica (que utiliza las leyes newtonianas en vigor, en vez de la mecnica cuntica), incluso cuando la no linealidad de estos fenmenos est totalmente explotada, aparece una indeterminacin suplementaria.

Estas son las situaciones caticas, en las cuales el resultado es infinitamente sensible a las condiciones iniciales. Y como, en la prctica, no se conocen jams las condiciones iniciales a la perfeccin, es virtualmente imposible hacer las predicciones, incluso con la aproximacin clsica. Y por consiguiente, el fenmeno del caos amplifica an ms la indeterminacin cuntica. Las ciencias como la astronoma, la geologa, la geofsica, la biologa, la psicologa o la antropologa se construyen, en un principio, bajo la fsica fundamental, puesto que todas estas disciplinas dependen de las leyes fundamentales del Universo, de las de las partculas elementales y de las condiciones iniciales del Universo. Sin embargo, no son derivables, en principio, de estas leyes, puesto que ellas son el resto de las caractersticas especiales de la historia especial del Universo que estamos viviendo. No se pueden predecir, deben observarse. Pero debemos tener cuidado al decirlo y no ir demasiado lejos, evitando llegar a conclusiones equivocadas. Recordemos que hay muchos farsantes que se sirven de estas propiedades de la mecnica cuntica para decir verdaderas barbaridades.

As, cuando decimos que las propiedades de nuestra galaxia particular, de nuestra particular estrella, de la biologa terrestre particular, de los organismos particulares que aqu han evolucionado, de los seres humanos y su historia, no se podrn derivar de las leyes de la fsica fundamental, esto no quiere decir que exista una clase especial de fuerza vital fuera de la fsica que determine la biologa, o cosas por el estilo. No hay una fuerza psicolgica especial que, ausente en el resto de la biologa, caracterice a los seres humanos. nicamente decimos que hechos especficos, objetos especficos y la historia especfica del Universo se pueden predecir slo probabilstica mente mediante las ciencias fundamentales. La mecnica cuntica tiene una considerable influencia en nuestras vidas, en algunas aplicaciones tcnicas, como el plstico, por ejemplo. La invencin del plstico proviene de una mejor comprensin de la qumica, muy mejorada por la mecnica cuntica. Y hay muchos otros ejemplos: las microondas y la televisin no podran tenerse si no llega a ser por las aportaciones de la mecnica cuntica. As, y a pesar de su extraa naturaleza, la mecnica cuntica ha tenido un gran impacto en nuestra civilizacin, aunque no siempre positiva (recordemos la bomba atmica). Quiz ahora empiecen a cambiar las cosas. Espero que, al menos, no se utilice nunca ms.

Antes de la mecnica cuntica, la fsica se interesaba en la elasticidad o en la electricidad, pero no en las propiedades de los materiales, mientras que la qumica deca, por ejemplo, que el agua se compona de oxgeno e hidrgeno. Estaban claramente separadas. Hoy en da, gracias a la mecnica cuntica, se empieza a comprender mejor la estructura del tomo y, por lo tanto, por qu en la molcula del agua, un tomo de oxgeno se une a dos de hidrgeno. As, lo que antes era una declaracin qumica, ahora se puede explicar en trminos fsicos. La mecnica cuntica unifica pues la qumica y la fsica. Rutherford demostr que un tomo se compona de un pequeo ncleo positivo rodeado de electrones negativos. Y, si pensamos en trminos de la poca, esto es, los electrones y los ncleos seran partculas, automticamente nos vendra a la cabeza que el tomo sera similar a un sistema planetario. Pero ste no era el caso, no funcionaba. Pues si considerramos los tomos como pequeos sistemas planetarios donde el ncleo sera el centro y los electrones giraran alrededor de l como si fueran planetas, no se explicaran las propiedades del tomo. As, si dos tomos entraran en colisin, lo que ocurre muchas veces por segundo en el aire que respiramos, por ejemplo, aquellos cambiaran completamente sus propiedades. Si nuestro sistema planetario chocara con otro, todas las rbitas se modificaran. Pero nosotros sabemos que los tomos tienen unas propiedades bien definidas, siempre las mismas.

El oro es oro y el hidrgeno, hidrgeno. Algo fallaba en la explicacin. A esto se le conoce como el problema de la estabilidad de la estructura atmica. Fue casi un milagro el descubrimiento (en el que la aportacin del francs de Broglie fue decisivo) que los electrones se comportaban a veces como partculas, que es lo que siempre se pensaba, pero, adems, como ondas. Este es el aspecto realmente interesante de la mecnica cuntica: el hecho de que esta dualidad sea posible. Bohr la denomin "complementariedad". Para comprender el conjunto de las propiedades del electrn son necesarias dos imgenes. Lo ms misterioso es que esto era no slo cierto para los electrones, sino tambin para la luz. La luz es una onda electromagntica, una onda de campos elctricos y, al mismo tiempo, se comporta como un cuanto, esto es, como partcula de luz. Y esto era, por supuesto, muy difcil de entender. Slo unos cuantos aos despus de la idea de de Broglie, fue posible mostrar, mediante un experimento, que un haz de electrones se comportaba como una onda, lo que era muy extrao, puesto que hay una tremenda diferencia entre ondas y partculas. El electrn no es ni una partcula ni una onda, sino slo a veces una partcula, otras una onda. El descubrimiento de las propiedades ondulatorias del electrn ha permitido comprender la estabilidad atmica. Es de todos conocidos que ondas confinadas slo pueden tomar formas muy definidas.

Es como una cuerda de violn confinada por sus dos extremos: se puede deformar de esta forma o de esta otra, pero no de todas. Una cuerda de violn es una especie de portadora de onda. Las propiedades ondulatorias explican entonces las propiedades atmicas, pues los electrones estn perfectamente confinados a las cercanas del ncleo y no se pueden escapar. Si los electrones tienen propiedades ondulatorias, debern tener formas de vibracin bien definidas. Schrdinger calcul la frecuencia de estas vibraciones y descubri, para gran sorpresa de la comunidad cientfica, que correspondan exactamente a los niveles de energa observados en los tomos. Haba, pues, una relacin fundamental entre frecuencia y energa que de Broglie, Einstein y Planck haban descubierto a principio de siglo. Y es una gran sensacin que se puedan explicar determinadas propiedades del tomo de esta forma. Se explica tambin as la estabilidad atmica. En efecto, para cambiar de vibracin, de una forma a otra, hace falta cambiar de fecuencia, esto es, de energa. Cuando las partculas se mueven en el aire, la energa calorfica no es demasiado alta. Los tomos permanecen entonces en su estado fundamental, lo que explica que sus propiedades no cambien. Pero si se les bombardea con una enorme energa, cambian de estado cuntico y pierden su estabilidad. He aqu el origen de la estabilidad de los tomos. Esto fue, desde luego, un gran descubrimiento.

El tomo est constituido por un ncleo y por los electrones que gravitan alrededor de l. Uno se pregunta ahora: de qu esta constituido el ncleo? En los aos 30 se descubri que el ncleo esta compuesto por protones y neutrones, unidos por una fuerza que les retiene en el interior del ncleo. Esta fuerza es la responsable de la reaccin nuclear y est en el origen de la bomba. Uno contina preguntndose: son los protones y los neutrones elementales o tienen algo en su interior? En los aos 60, no hace mucho, se encontr algo a lo que se le llam "quark", nombre que no me gusta pero que as lo inventaron. Y todava podramos ir ms lejos y preguntarnos: de qu estn hechos los quarks? Quizs de nada, pero an no lo sabemos. La fsica de partculas es, en cierta forma, una prolongacin de la mecnica cuntica. Cuando se consideran los protones y los neutrones del interior del ncleo, stos son parcialmente ondas y parcialmente partculas y adoptan las mismas formas de vibracin de las que habl antes. Los quarks que estn en el interior del protn y del neutrn adoptan igualmente estas formas. De alguna forma es otra vez mecnica cuntica a un nivel ms profundo. Para estudiarla, hacen falta energas muy elevadas, inexistentes en la Tierra, y fabricar ms aceleradores, como el que tenemos en el CERN, en Ginebra. La mecnica cuntica, que es, quiz, la mayor revolucin del siglo en la fsica, es, desde el punto de vista de un fsico, innegablemente correcta.

Ninguna de nuestras exploraciones de las nuevas estructuras de la materia, ni de nuestras tentativas de construir una teora unificada, han puesto en duda las leyes de la mecnica cuntica. Mucha gente crea que la bsqueda en lo infinitamente pequeo conllevara una revisin de la mecnica cuntica. Los inventores de la teora crean ellos mismos que, para describir la fuerza nuclear, tendran que revisar la mecnica cuntica. Eso no ha sido necesario. Unas de las grandes ideas de la mecnica cuntica es que toda medida fsica perturba el sistema que se est midiendo. Entonces, conviene distinguir el observador del sistema observado. Cuando hacemos experimentos sobre un sistema, lo hacemos cambiar de estado. La mecnica cuntica nos dice tambin que podemos describir un sistema mediante una funcin de onda que establece las probabilidades de cada uno de los resultados posibles del experimento. La forma ms sencilla de entender esto, y lo que hacemos en nuestros laboratorios, es decir que los resultados de la mecnica cuntica son unas probabilidades. Estas probabilidades se calculan repitiendo el experimento varias veces. Si, por ejemplo, tenemos un caso sobre dos de tener un spin alto, 50 veces de cada 100 el spin es alto y 50 de cada 100 es bajo. Si consideramos un sistema en el que el spin sea alto o bajo, la mecnica cuntica nos dice que repitamos el experimento 10 veces y 5 veces ser alto y las otras 5 ser bajo.

Pero cul es el estado del sistema? es una superposicin: alto y bajo en un 50%. Esta respuesta nos conviene si se puede repetir el experimento tantas veces como queramos, lo que ocurre normalmente en la naturaleza. El nico momento en el que la mecnica cuntica encuentra dificultades, no tanto desacuerdos, sino ms bien dificultades de orden conceptual, con la experiencia, es que no sabemos cmo formular correctamente las preguntas cuando aplicamos la mecnica cuntica a todo el Universo. Es un problema insoportable, porque toda la mecnica cuntica reposa en el dualismo entre el experimento, el proceso fsico, y el observador. Y cuando hablamos del Universo en su conjunto, quin es el observador? As sabremos realmente de qu hablamos cuando aplicamos la mecnica cuntica a todo el Universo. Si consideramos el Universo, no lo podemos dividir en observador y sistema observado. Nadie puede salir del Universo y observarlo. El observador representa una parte del Universo y el sistema observado es otra, y ambas son inseparables. No podemos tampoco repetir un experimento. No podemos preparar el Universo en un cierto estado, observarlo y volver a repetir la operacin. Qu significan entonces las probabilidades? El Universo existe una sola vez y no puede tratarse como una tema de experimentacin.

Lo nico posible es considerar una parte y su interaccin con otra parte. Cuando intentamos servirnos de las ecuaciones y del equipo axiomtico a nuestra disposicin para describir el Universo, encontramos el siguiente problema de interpretacin: qu significa la funcin de onda del Universo? Y encontramos apasionante que hoy estemos obligados a reflexionar sobre estas preguntas, no en un contexto filosfico o metafsico, que tienden a no llegar a ninguna parte, sino en el contexto del verdadero problema de la fsica. Predecir el origen del Universo es un autntico problema de fsica. El problema se hace arduo cuando intentamos estudiar la historia del Universo antes de los 3 primeros minutos, pasados 10 elevado a la -44 segundos desde su nacimiento, esto es, a los 0'000.000.000.000.000 .000.000.000.000.000.000.000.000.000.01s. En este momento, la temperatura era tan elevada que la gravedad producida, como las otras formas de energa, era tan intensa como la fuerza nuclear fuerte. Ninguna de nuestras teoras es capaz de describir este tipo de fsica! Nuestro problema viene entonces al aplicar la mecnica cuntica a todo el Universo. En efecto, en este preciso momento, cada partcula estaba potencialmente en todo el Universo, como si dicha partcula ocupara la totalidad del Universo. Se vuelve imposible as separar el Universo en partes diferenciadas como una estrella o una galaxia, por ejemplo, y trabajar en ellas con el Universo de fondo. La separacin entre fenmenos locales y globales desaparece. Y creo que ningn fsico sabe calcular lo que pas en este instante preciso o antes de l.

Es por lo que hay que ser muy prudente cuando se aborde el nacimiento del Universo. Porque el nacimiento del Universo, si lo hubo, tuvo lugar antes del instante donde todava no podemos aplicar nuestras teoras matemticas o fsicas. Bohr y Einstein abordaron por vas muy distintas los problemas de la mecnica cuntica. Bohr, por su formacin, tena un espritu revolucionario y estaba dispuesto a creer que los numerosos conceptos que tenan los fsicos no se podan aplicar ya a la fsica atmica. El no intent exprimir al mximo un esquema matemtico que se aplicaba tanto a los objetos pequeos como a los grandes. Quera dejar claro que exista una diferencia fundamental entre lo que vemos a nuestro alrededor (y de lo que estamos seguros) y lo infinitamente pequeo (como los electrones, en los que debemos extrapolar lo mejor posible). Einstein no era revolucionario en ese sentido, sino, ms bien, conservador, y pensaba que los mtodos de la fsica matemtica eran an vlidos. El esperaba que un esquema global pudiera cubrir a la vez lo infinitamente pequeo y lo infinitamente grande. Podra dar ms detalles al respecto pero, yo creo que la diferencia esencial entre los dos es que Einstein insista en la claridad y plenitud de la teora fsica, mientras que Bohr era ms partidario de aceptar un ensamblaje un poco oscuro de las leyes de los grandes objetos y las de los pequeos. Einstein quera una imagen dentro del espacio y del tiempo de todo lo que pasa, incluso a la ms pequea escala, mientras que Bohr afirmaba que no tenamos derecho a tal imagen y que nunca podramos construirla.

Como consecuencia de esto, Einstein se obsesion por conseguir la imagen satisfactoria y se aisl de sus colegas, que, en su mayor parte, siguieron a Bohr y toleraron la ambigedad de su teora. Esta tuvo un enorme xito y todava sigue vigente. Me he fijado en un detalle particular de la controversia que mantenan Einstein y Bohr. Einstein no apreciaba la mecnica cuntica por su no-localidad aparente. Estaba seguro de que lo que ocurra en un cierto espacio no poda tener consecuencias inmediatas en una zona alejada de dicho espacio. El teorema de Bell, desarrollado tanto por l como por otros equipos, analiza las implicaciones de la idea de causalidad segn la cual, las causas de los hechos estn relacionadas e, incluso, las causas indirectas no estn ms alejadas de lo que permita la velocidad de la luz, que es el lmite superior de la propagacin de los cambios de la causa y su efecto. Este fue el tema que mantuvo enfrentados a Bohr y Einstein, aunque en trminos cualitativos, y por el que me decid a efectuar un anlisis cuantitativo y descubrir que la idea de causalidad local lleva a algunas contradicciones con las predicciones de la mecnica cuntica. Encontr que las respuestas de la mecnica cuntica eran incompatibles con las ideas de Einstein, siendo un resultado puramente terico. Ciertas teoras no son compatibles con otras y no necesitamos la experiencia para demostrarlo.

Es una deduccin puramente terica. Si la teora de la mecnica cuntica es correcta, Einstein estaba equivocado. Pero la gente se preguntaba lgicamente si no era la mecnica cuntica la que est equivocada. Se realizaron numerosos experimentos por numerosas personas y las predicciones de la mecnica cuntica se confirmaron. Hubiera sido ms estimulante para m que la teora ortodoxa no se hubiese confirmado. El hecho de la confirmacin era algo que yo esperaba y, desde luego, interesante en s mismo. Pero, no obstante, un resultado diferente hubiera sido mucho ms espectacular y yo lo hubiera deseado as. Creo que el debate entre Bohr y Einstein todava sigue abierto, como lo demuestra la multiplicacin de conferencias dedicadas al problema de la mecnica cuntica. Es ms, creo que aparecern ms y ms, por lo que, en este sentido, el debate sigue todava abierto. Y hablando en profundidad, creo que las reservas manifestadas por Einstein estaban absolutamente fundamentadas y tienen que ser mejor estudiadas. Que Einstein tuviera o no razn sobre la cuestin de la localidad ha decepcionado a los partidarios de Einstein, pero no ha cerrado el debate.

Empecemos por las Partculas elementalesQue son Partculas elementales?, en principio..., son unidades de materia considerada fundamentales; en la actualidad, las partculas subatmicas en general.

Y La fsica de partculas? Es el estudio de las partculas elementales y sus interacciones tambin se llama fsica de altas energas porque la energa necesaria para estudiar distancias extremadamente pequeas es muy elevada, como consecuencia del principio de incertidumbre. Originalmente se aplic el trmino partcula elemental a estos constituyentes de la materia porque se crean indivisibles. Hoy se sabe que muchas de estas partculas son sumamente complejas, pero se las sigue llamando partculas elementales.

El Auge de la fsica de ParticularLa fsica de partculas es la ltima etapa en el estudio de componentes de la materia cada vez ms pequeos. Antes del siglo XX, los fsicos estudiaban las propiedades de la materia macroscpica, a gran escala. Sin embargo, a finales del siglo XIX su atencin se centr en la fsica de tomos y molculas. Los tomos y las molculas tienen dimetros del orden de 10-10 m, y el estudio de sus estructuras provoc grandes avances de la teora cuntica entre 1925 y 1930. A principios de la dcada de 1930, los cientficos empezaron a investigar la estructura de los ncleos atmicos, que tienen dimetros de entre 10-15 y 1014 metros. Los conocimientos sobre la estructura nuclear avanzaron hasta el punto de hacer posible el uso de la energa nuclear, tanto en las centrales nucleares como en las armas nucleares. En los aos que siguieron a la II Guerra Mundial, los fsicos se dieron cuenta de la necesidad de estudiar ms en profundidad las partculas elementales para comprender la estructura fundamental de los ncleos atmicos. ClasificacinEn la actualidad se conocen experimentalmente varios cientos de partculas elementales. Pueden dividirse en distintas categoras generales. Los hadrones y leptones se definen segn los tipos de fuerza que actan sobre ellos. Las fuerzas se transmiten mediante otro tipo de partculas llamadas portadoras. Los protones y neutrones son los componentes bsicos de los ncleos atmicos, que en combinacin con los electrones forman los tomos.

Los fotones son las unidades fundamentales de la radiacin electromagntica, que incluye las ondas de radio, la luz visible y los rayos X. El neutrn es inestable como partcula aislada, y se desintegra para dar lugar a un protn, un electrn y un antineutrino electrnico. Este proceso se simboliza de la forma siguiente:

n p + e +V eLos neutrones tienen una vida media de 887 segundos. Sin embargo, cuando se combinan con protones para formar determinados ncleos atmicos, como el oxgeno 16 o el hierro 56, los neutrones se estabilizan. La mayora de las partculas elementales conocidas han sido descubiertas despus de 1945, algunas en rayos csmicos y el resto en experimentos con aceleradores de alta energa. Se ha postulado la existencia de muchas otras partculas, como el gravitn, que se cree que transmite la fuerza gravitatoria. En 1930, el fsico britnico Paul A. M. Dirac predijo, por motivos tericos, que a cada tipo de partcula elemental le corresponde otro tipo conocido como antipartcula de la primera. La antipartcula del electrn fue descubierta en 1932 por el fsico estadounidense Carl D. Anderson, que la llam positrn. El antiprotn fue descubierto en 1955 por los fsicos estadounidenses Owen Chamberlain y Emilio Segre. En la actualidad se sabe que la prediccin de Dirac es vlida para todas las partculas elementales, aunque algunas, como el fotn, son sus propias antipartculas. Los fsicos suelen utilizar una barra horizontal para indicar las antipartculas.

As, Ve es la antipartcula de ve. Las partculas tambin pueden clasificarse segn su espn, o momento angular intrnseco, en bosones y fermiones. El espn de los bosones es un mltiplo entero de una constante, h; el de los fermiones es un mltiplo semientero de dicha constante, como, por ejemplo, (3/2) h. Fuerzas Fundamentales Las partculas elementales ejercen fuerzas sobre las dems partculas y son continuamente creadas y aniquiladas. En realidad, las fuerzas y los procesos de creacin y aniquilacin son fenmenos relacionados, y se denominan colectivamente interacciones o fuerzas fundamentales. Se conocen cuatro tipos de interaccin (aunque se han postulado ms): Intensidad relativa Interaccin nuclear fuerte............................................ ..1 Interaccin electromagntica..........................................10 -2 Interaccin nuclear dbil................................................ 10 -13 Interaccin gravitatoria.................................................. 10 -32 La interaccin nuclear fuerte es la ms intensa, y es la responsable de la vinculacin de protones y neutrones para formar ncleos. Le sigue en intensidad la interaccin electromagntica, que une los electrones a los ncleos en tomos y molculas. Desde el punto de vista prctico, esta unin reviste una gran importancia porque todas las reacciones qumicas conllevan transformaciones de esta unin electromagntica de los electrones y los ncleos.

La llamada interaccin dbil, o fuerza nuclear dbil, es mucho menos intensa. Rige la desintegracin radiactiva de los ncleos atmicos, que fue observada por primera vez (1896-1898) por los fsicos y qumicos franceses Antoine H. Becquerel, Pierre y Marie Curie. La interaccin gravitatoria es importante a gran escala, aunque es la ms dbil de las interacciones entre partculas elementales. Leyes de ConservacinLa dinmica de las interacciones de las partculas elementales se rige por ecuaciones de movimiento que son generalizaciones de las tres leyes fundamentales de la dinmica de Newton En la mecnica newtoniana, la energa, el momento y el momento angular no se crean ni se destruyen: son magnitudes que se conservan. Aunque la energa existe en muchas formas que pueden transformarse unas en otras, la energa total no cambia. En las interacciones entre partculas elementales siguen estando vigentes estas leyes de conservacin, pero se han descubierto leyes de conservacin adicionales de gran importancia en la estructura y las interacciones de los ncleos atmicos y las partculas elementales.

Simetra y Nmeros CunticosHasta comienzos del siglo XX, los principios de simetra se aplicaban en fsica casi exclusivamente a problemas de mecnica de fluidos y cristalografa. Despus de 1925, con el xito cada vez mayor de la teora cuntica en la descripcin del tomo y los procesos atmicos, los fsicos descubrieron que las consideraciones de simetra implicaban nmeros cunticos (que describen los estados atmicos) y reglas de seleccin (que rigen las transiciones entre estados atmicos). Como los nmeros cunticos y las reglas de seleccin son necesarios para describir los fenmenos atmicos y subatmicos, las consideraciones de simetra resultan esenciales en la fsica de las partculas elementales. Polaridad (P)La mayora de los principios de simetra afirman que un fenmeno determinado es invariante (no cambia) cuando se transforman ciertas coordenadas espaciales de un modo determinado. El principio de simetra de reflexin espacial, o conservacin de la paridad (P), afirma que las leyes de la naturaleza son invariantes cuando las tres coordenadas espaciales x, y, z de todas las partculas se reflejan (es decir, cuando se cambian de signo; esta operacin tambin se denomina paridad). Por ejemplo, supongamos que una reaccin (colisin o interaccin) entre dos partculas A y B con momentos pA y pB tiene una determinada probabilidad de producir otras dos partculas C y D con momentos pC y pD. Llamemos R a esta reaccin: A + B C + D(R) Si las partculas A y B con momentos -pA y -pB producen las partculas C y D con momentos -pC y -pD con la misma probabilidad que R, significa que la reaccin es invariante bajo paridad (P).

Simetra de conjugacin de carga (C)Para ilustrar el principio de simetra de conjugacin de carga emplearemos la misma reaccin R. Si se sustituyen las partculas A, B, C y D por sus antipartculas s A, B,C, y D, R se convierte en la siguiente reaccin (que puede o no tener lugar en la realidad): A + B C + DC(R) Llamemos a esta reaccin hipottica C(R): es la reaccin conjugada de R. Si C(R) tiene lugar y se produce con la misma probabilidad que R, la reaccin es invariante bajo conjugacin de carga (C). Simetra de inversion temporal (T)El principio de simetra de inversin temporal, o reversibilidad del tiempo, se define de forma similar. El principio afirma que si una reaccin R es invariante bajo T, la probabilidad de la reaccin inversa C+DA+ BT(R) es igual a la probabilidad de R.

Simetra e intensidad de las interaccionesSe ha demostrado que los cuatro tipos de interaccin presentan clases de simetra muy diferentes. Antes de 1957, se crea que la simetra de reflexin espacial (o conservacin de la paridad) se daba en todas las interacciones. En 1956, los fsicos estadounidenses de origen chino Tsung Dao Lee y Chen Ning Yang indicaron que en realidad no se haba comprobado la conservacin de la paridad en la interaccin dbil, y sugirieron varios experimentos para hacerlo. Uno de ellos fue realizado al ao siguiente por la fsica estadounidense de origen chino Chien-Shiung Wu y sus colaboradores: descubrieron que la paridad no se conservaba en esa interaccin. La consecuencia fue el descubrimiento de que las partculas emitidas en la interaccin dbil tienden a mostrar quiralidad, una relacin determinada entre su espn y su sentido de movimiento. En particular, los neutrinos ve y v, que slo estn implicados en las interacciones dbil y gravitatoria, siempre tienen un espn levgiro; es decir, el espn de la partcula tiene sentido opuesto a su movimiento. Los fsicos estadounidenses James W. Cronin y Val L. Fitch y sus colaboradores descubrieron en 1964 que la interaccin dbil no es simtrica bajo inversin temporal.

Simetra y Quarks La clasificacin de las partculas elementales se basa en sus nmeros cunticos, por lo que est muy relacionada con las ideas sobre simetra. Basndose en estas consideraciones, los fsicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron independientemente en 1963 que los bariones y los mesones estn formados por componentes ms pequeos, que Gell-Mann llam quarks. Sugirieron tres tipos de quark, cada uno con su correspondiente antiquark. Se han acumulado pruebas indirectas muy convincentes del modelo de quark para los bariones y mesones, sobre todo despus de que, en 1974, los fsicos estadounidenses Samuel C. C. Ting y Burton Richter descubrieran las partculas Ji-Ps. Actualmente se acepta de forma generalizada la existencia de seis tipos de quark. Teora de campo de las interacciones Hasta mediados del siglo XIX se crea que las interacciones o fuerzas fundamentales actuaban a distancia. El cientfico britnico Michael Faraday lanz la idea de que las interacciones se transmiten de un cuerpo a otro a travs de un campo. El fsico britnico James Clerk Maxwell dio forma matemtica a las ideas de Faraday, con lo que estableci la primera teora de campo, que incluye las ecuaciones de Maxwell para las interacciones electromagnticas. En 1916, Albert Einstein public su teora de la interaccin gravitatoria, que se convirti en la segunda teora de campo. Hoy se cree que las otras dos interacciones, nuclear fuerte y dbil, tambin pueden ser descritas por teoras de campo.

Con el desarrollo de la mecnica cuntica, en las dcadas de 1930 y 1940 surgieron ciertas dificultades en relacin con las teoras de campo, dificultades relacionadas con los campos extremadamente intensos que deben existir en las inmediaciones de una partcula; se denominaron dificultades de divergencia. Estos problemas fueron eliminados en parte por un mtodo llamado renormalizacin, desarrollado en los aos 1947-1949 por el fsico japons Shinichir Tomonaga, los estadounidenses Julian S. Schwinger y Richard Feynman y el fsico estadounidense de origen britnico Freeman Dyson. Los mtodos de renormalizacin mostraron que las dificultades de divergencia pueden aislarse y eliminarse de forma sistemtica. Este proyecto logr grandes xitos prcticos, pero la base de la teora de campo sigue siendo poco satisfactoria. Unificacin de las teoras de camposLos cuatro tipos de interaccin son muy distintos entre s. El esfuerzo para unificarlos en un nico todo conceptual fue iniciado por Albert Einstein antes de 1920. En 1979, los fsicos estadounidenses Sheldon Glashow y Steven Weinberg y el fsico paquistan Abdus Salam compartieron el Premio Nobel de Fsica por su trabajo en un modelo que unificaba con xito las teoras de las interacciones electromagntica y dbil. Esto se logr empleando una teora matemtica conocida como simetra de gauge que fue desarrollada por el matemtico alemn Hermann Weyl, el antes citado Yang y el fsico estadounidense Robert Laurence Mills, as como los conceptos de simetra rota desarrollados por el fsico estadounidense de origen japons Yoichiro Nambu, el fsico