El momento de la creación james s trefil

.4

{

«?

4<

EL MOMENTO DELA CREACION

BIBLIOTECA CIENTIFICA SALVAT

JABIES S-TREra.

EL MOMENTO DELA CREACION Del Big Bang hasta el Universo actual

SALVAT

Versión española de la obra original norteamericana: T h e m o m e n t o f c r e a t i o n publicada por Charles Scribner's Sons de Nueva York.

Traducción; Robert Estalella

© 1983 James S. Trefil © 1986 Salvat Editores, S. A., Barcelona ISBN 0-684-17963-6 Edición original ISBN 84-345-8246-5 Obra completa ISBN 84-345-8389-5 Depósito Legal NA - 135-1986 Publicado por Salvat Editores, S. A., Mallorca, 41-49 - Barcelona Impreso por Gráficas Estella. Estella (Navarra) Printed in Spain

\

Agradecimientos

E s t e l i b r o está d e d i c a d o a : lVa//ar M e u h / , J . S t e d i n g M o r t o n H i g h Robert Hulsizer, U n i v e r s i t y o f I l l i n o i s Ron} Horré, O x f o r d U n i v e r s i t y Sidnei) Drell, S t a n f o r d U n i v e r s i t y que se esforzaron

School

p o r enseñarme p a r t e d e l o q u e

sabían.

Introducción

"¿De dónde v e n i m o s ? " P o c a s p r e g u n t a s a t e n a z a n c o n más f u e r z a l a m e n t e q u e l a s r e l a c i o n a d a s c o n l a creación d e l U n i v e r s o . T o d a s las s o c i e d a d e s h a n r e s e r v a d o u n l u g a r i m p o r t a n t e e n s u f o l k l o r e a l a explicación d e c ó m o empezó a e x i s t i r e l m u n d o . E s t a s h i s t o r i a s épicas d e l a creación t r a t a b a n o r i g i n a l m e n t e d e l a s hazañas d e l o s d i o s e s , c u y o s c a p r i c h o s , b a t a l l a s o n e c e s i d a d e s m o t i v a b a n l a creación d e l m u n d o y d e s u s h a bitantes h u m a n o s . Pero, y a e n tiempos tan remotos c o m o e l s i g l o V I a . C , l o s filósofos d e l a s c o l o n i a s g r i e g a s d e l M e d i t e rráneo o r i e n t a l t r a t a b a n d e e x p l i c a r l a s i n t e r a c c i o n e s e n t r e l o s e l e m e n t o s t i e r r a , f u e g o , a i r e y a g u a q u e habían d a d o l u g a r a l C o s m o s t a l c o m o l o c o n o c e m o s . C o n e s o s filósofos, e l énfasis e n l a búsqueda d e l a comprensión d e l U n i v e r s o cambió d e l "quién" a l "cómo".

L a contribución d e l a civilización o c c i d e n t a l a e s t a e m p r e s a h u m a n a d etan largo alcance es impresionante y, tal c o m o v e r e m o s a continuación, l o h a s i d o m u c h o más e n e s t o s últimos años. D e s d e p r i n c i p i o s d e l s i g l o X X , s a b e m o s q u e e x i s t e u n a expansión g e n e r a l d e l U n i v e r s o , y q u e l a s r e m o t a s g a l a x i a s s e a l e j a n d e n u e s t r a p r o p i a Vía Láctea. A m e d i d a q u e a u m e n t a b a n u e s t r a c a p a c i d a d p a r a m e d i r las p r o p i e d a d e s d e las r e g i o n e s l e j a n a s d e l U n i v e r s o , surgía u n a i m a g e n q u e c o n s t i t u y e l a h i s t o r i a épica d e l a creación r e l a t a d a p o r e l método científico. E l p e s o d e lá e v i d e n c i a a c u m u l a d a n o s i n d i c a q u e l a expansión IX

INTRODUCCIÓN

q u e p r e s e n c i a m o s e s e l r e s u l t a d o d e u n a explosión titánica q u e t u v o l u g a r h a c e u n o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, u n a e x p l o sión a l a q u e d a m o s e l n o m b r e d e B i g B a n g .

U n a m a n e r a d e m e d i r e l grado d e plenitud d e nuestro con o c i m i e n t o d e l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o e s a v e r i g u a r h a s t a dónd e p o d e m o s s e g u i r h a c i a atrás l a evolución d e l a m a t e r i a o , d i c h o d e o t r o m o d o , l ocerca q u e p o d e m o s llegar del m o m e n t o r e a l d e l a creación e n e l B i g B a n g . E n l o s p r i m e r o s años d e e s t e s i g l o , conocíamos l a l e y d e gravitación u n i v e r s a l , p o r l o q u e podíamos d i s c u t i r l a formación d e l a s g a l a x i a s ( y d e l a s e s t r e l l a s d e n t r o d e l a s g a l a x i a s ) c o m o e j e m p l o d e l a acción d e l a gravedad a l agrupar grandes masas. Esto significaba que p o díamos l l e g a r a u n o s 5 0 0 . 0 0 0 años d e l B i g B a n g . H a c i a l o s años c u a r e n t a , habíamos a p r e n d i d o l o s u f i c i e n t e d e l núcleo atómico y d e l a s partículas e l e m e n t a l e s más c o m u n e s p a r a a v a n z a r o t r o p a s o d e g i g a n t e . Podíamos d e s c r i b i r a h o r a e l p r o c e s o d e formación d e l o s núcleos d e hidrógeno y h e l i o , l a m a teria p r i m a d e l a sestrellas, a partir d e p r o t o n e s y n e u t r o n e s .

E s t o n o s llevó a u n o s t r e s m i n u t o s d e l m o m e n t o d e l a c r e a ción.

A m e d i a d o s d e l o s años s e s e n t a , e m p e z a m o s a c o m p r e n d e r l a e s t r u c t u r a y e l c o m p o r t a m i e n t o d e l a s partículas e l e m e n t a l e s —comprensión q u e s e consiguió a través d e u n t r e m e n d o e s f u e r z o p o r p a r t e d e u n g r a n número d e físicos e x p e r i m e n t a l e s y teóricos—, l o q u e n o s permitió s e g u i r l a evolución a l g o e m b r o l l a d a d e l a s partículas q u e , p o r último, s e c o n d e n s a r o n e n núcleos. H a c i a 1 9 7 0 , habíamos e m p u j a d o l o s límites d e l c o n o c i m i e n t o hasta 1 m i l i s e g u n d o (10~^ s e g u n d o s ) a p r o x i m a damente del Big Bang.

Podría p a r e c e r q u e e s t e n i v e l d e c o n o c i m i e n t o bastaría p a r a s a t i s f a c e r a t o d o e l m u n d o , p e r o c u a n d o l o s cosmólogos e s t a b a n aún e n l a t a r e a d e o r d e n a r l o s d e t a l l e s d e l período p o s t e r i o r a l m i l i s e g u n d o , l o s físicos teóricos y a s e n t a b a n l a s bases para el siguiente gran avance. A l g u n o s problemas n o res u e l t o s e n e l c a m p o d e l a física d e l a s partículas e s t i m u l a r o n l a aparición d e u n n u e v o t i p o d e teoría, u n a teoría q u e p r o d u j o u n a i n m e n s a simplificación d e n u e s t r a i m a g e n d e l a p a -

INTRODUCCIÓN

r e n t e m e n t e c o m p l e j o m u n d o subatómico. E s t a s n u e v a s i d e a s , l l a m a d a s teorías gauge, s e e x t e n d i e r o n e n t r e l a c o m u n i d a d d e físicos, y d e t e r m i n a r o n u n a f o r m a n u e v a p o r c o m p l e t o d e c o n t e m p l a r l o s fenómenos n a t u r a l e s . D a d o q u e e s t a s teorías s o n de g r a n alcance, f u e casi inevitable q u e s e usaran para h a c e r r e t r o c e d e r aún más h a c i a e l m o m e n t o d e l a creación l a f r o n tera entre l o conocido y l o desconocido.

D u r a n t e l o s últimos años, e l c a m p o más e x c i t a n t e d e l a c i e n c i a s e h a s i t u a d o e n e s a área d o n d e s e s o l a p a n l a física d e l a s a l t a s energías y l a astronomía. L a f r o n t e r a d e l c o n o c i m i e n t o d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o s e h a h e c h o r e t r o c e d e r h a s t a algún l u g a r e n t r e 1 0 ~ ^ ^ y 1 0 " ^ ^ s e g u n d o s después d e l B i g B a n g , u n intervalo tan breve que puede obligamos a redefinir nuestro c o n c e p t o d e l p r o p i o t i e m p o a n t e s d e s e g u i r a d e l a n t e . E s t a sínt e s i s h a s i d o t a n a f o r t u n a d a q u e l o s teóricos s e e n c u e n t r a n a h o r a empeñados e n u n i n t e n t o p a r a e m p u j a r l a f r o n t e r a h a s t a e l m o m e n t o m i s m o d e l a creación, y a l g u n o s d e l o s i n v e s t i g a d o r e s más a u d a c e s v a n más l e j o s y f o r m u l a n l a p r e g u n t a últim a : ¿Por qué e x i s t e e l U n i v e r s o ?

El momento de la creación c u e n t a l a h i s t o r i a d e e s t a e n o r m e explosión d e n u e s t r o c o n o c i m i e n t o d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o .

Después d e u n a b r e v e introducción histórica, q u e n o s h a c e r e t r o c e d e r h a s t a e l p r i m e r m i l i s e g u n d o , s e e x p l i c a l a n u e v a física d e l a s teorías g a u g e . P u e s t o q u e a l g u n o s d e l o s c o n c e p t o s d e e s t a s teorías p u e d e n s e r difíciles, h a y u n a vía rápida p a r a e l l e c t o r q u e d e s e e p r o s e g u i r c o n l a cosmología. A l f i n a l d e c a d a capítulo d e l a s e g u n d a p a r t e h a y u n s u m a r i o q u e p r o p o r c i o n a l o s h e c h o s e s e n c i a l e s d e l a s teorías, s i n e n t r a r e n s u j u s t i f i c a ción. U n a v e z t e n g a m o s l a n u e v a física a n u e s t r a disposición, reanudaremos nuestra m a r c h a hacia e lm o m e n t o d el a creación h a s t a l l e g a r a l a f r o n t e r a a c t u a l , p u n t o e n e l q u e t r a t a r e m o s d e a d i v i n a r l o q u e p u e d e h a b e r más allá.

E n e s t e l i b r o h a y m u y p o c a s matemáticas, p e r o c o n f r e c u e n c i a t e n g o q u e u s a r números m u y g r a n d e s y m u y p e q u e ños p a r a d e s c r i b i r c a n t i d a d e s i m p o r t a n t e s . P a r a r e p r e s e n t a r l o s h e u t i l i z a d o l a taquigrafía c o n v e n c i o n a l d e l a l l a m a d a notación científica. E n e s t e s i s t e m a , t o d o s l o s números s e r e p r e s e n t a n XI

INTRODUCCIÓN

p o r u n número e n t r e 1 y 1 0 m u l t i p l i c a d o p o r u n a p o t e n c i a d e 10. S i l a potencia d e 1 0 es positiva, l a interpretamos c o m o u n a instrucción p a r a m o v e r l a c o m a d e c i m a l c i e r t o número d e l u g a r e s h a c i a l a d e r e c h a . P o r e j e m p l o , 2 x 1 0 ^ sería 2 0 0 , y 3 X 1 0 * sería 3 . 0 0 0 . 0 0 0 ( 3 m i l l o n e s ) . S i l a p o t e n c i a d e 1 0 e s n e g a t i v a , l a i n t e r p r e t a m o s c o m o u n a instrucción p a r a m o v e r l a c o m a d e c i m a l h a c i a l a i z q u i e r d a . Así, 2 x 1 0 " ^ e s 0 , 0 0 2 y 10^^^ e s u n c e r o y u n a c o m a s e g u i d o s d e t r e i n t a y c u a t r o c e r o s y u n 1 . E s t a notación n o s evitará t e n e r q u e c a r g a r c o n u n e x ceso d e equipaje e n f o r m a d e ceros.

P o r último, m e gustaría d a r l a s g r a c i a s a u n a s e r i e d e p e r s o n a s q u e m e a y u d a r o n e n e s t e l i b r o . G l o r i a W a l t e r s realizó l a s ilustraciones con u n calendario m u y apretado, y l a ayuda d e N a n c y Lañe f u e , c o m o s i e m p r e , i n e s t i m a b l e e n e l p r o c e s o d e m o n t a r e l o r i g i n a l . E l número d e c o l e g a s q u e contribuyó a l l i b r o c o n sus c o m e n t a r i o s y conversaciones es t a n g r a n d e q u e m e es imposible n o m b r a d o s a todos, pero quisiera agradecer en particular s uayuda a Paul Fishbane y a Robert R o o d d e la U n i v e r s i d a d d eVirginia, c o n la a d v e r t e n c i a h a b i t u a l d eq u e s o y e l único r e s p o n s a b l e d e c u a n t o s e r r o r e s p u e d a h a b e r e n e l p r o d u c t o final.

JAMES

TREFIL

índice de capítulos

PRIMERA PARTE 1.

E l Big Bang .

2. L a s edades del Universo 3. Los problemas de la teoría del Big Bang .

SEG 4.

5.

6.

7.

8.

.

.

UNDA PARTE Partículas elementales y q u a r k s . . . . .

L a s fuerzas fundamentales. . .

L a primera unificación moderna . . . .

L a gran unificación L a desintegración del protón

3 2 1 3 9

59 8 1 103 133 151

TERCERA PARTE 9. E l momento de la creación 17 10. Inflación 19 11.

Resolviendo los problemas del Big B a n g .

20 12. L a búsqueda de las partículas fósiles . . . .

22 13. Más allá del tiempo de Planck: planteando las preguntas finales 2 4 14. E l destino del Universo 25 Epilogo . 2 6 Glosario 27

7 1 7 3 1 7 9 7

XIII

r

DELA CREACION

PRIMERA PARTE D e s d e e l d e s c u b r i m i e n t o d e l a expansión d e l U n i v e r s o e n l o s años v e i n t e , u n o d e l o s o b j e t i v o s d e l a cosmología^ha s i d o i n v e s t i g a r l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o ; d e h e c h o , p a s a r l a película h a c i a atrás h a s t a p o d e r v e r y c o m p r e n d e r c ó m o empezó s u e x i s t e n c i a . U n a m e d i d a d e n u e s t r o éxito e n e s t e e m p e ñ o e s l a brevedad del t i e m p o q u esepara l afrontera d e nuestro conoc i m i e n t o d e l m o m e n t o d e l a creación. E n l o s años v e i n t e , e s t e t i e m p o e r a d e u n o s 3 m i n u t o s . H a s t a h a c e p o c o s años, a n t e s de l o savances q u e s o n e l t e m a principal d e este libro, e r a d e 1 milisegundo. E n la actualidad, puede sertan breve c o m o 10-^^ s e g u n d o s .

E n e s t a sección d e l l i b r o s e d e s c r i b e l a h i s t o r i a d e l o s d e s cubrimientos referentes a lBig B a n g hasta e lp r i m e r milisegundo, y se discuten algunos d e los problemas q u epresentan las ideas convencionales d e lB i gBang. V e r e m o s que, si esperam o s solucionar estos p r o b l e m a s , d e b e r e m o s reflexionar acerca d e l o q u e sucedió e n e l U n i v e r s o d u r a n t e e l p r i m e r m i l i s e g u n d o d e s u existencia.

1

1.

El Big Bang Una cosa acerca del pasado.

Es probable que dure.

O G D E N

N A S H

T a r d a m o s v a r i o s m i l e s d e años e n d e s c u b r i r q u e l a t i e r r a sólida d o n d e v i v i m o s n o e s e l c e n t r o d e l U n i v e r s o , e l núcleo inmóvil a c u y o a l r e d e d o r g i r a n l o s c i e l o s . P e r o , después q u e C o p é m i c o y K e p l e r n o s enseñaran q u e l a T i e r r a s e movía y q u e e l S o l permanecía q u i e t o , n o t a r d a m o s m u c h o e n a d v e r t i r q u e las estrellas e r a n c u e r p o s m u y p a r e c i d o s a l S o l . E l h e c h o d e q u e a p a r e c i e r a n f i j a s e n e l c i e l o s e interpretó ( d e m a n e r a c o r r e c t a ) c o m o u n a indicación d e q u e e s t a b a n m u y l e j o s d e l S i s t e m a S o l a r . E n 1 7 5 0 , sólo a l g o más d e u n s i g l o después q u e , e n 1633, G a l i l e o s eviera obligado a retractarse d e l a doctrina c o p e m i c a n a e n s u j u i c i o p o r herejía, e l astrónomo inglés T h o m a s W r i g h t sugirió l a i d e a d e q u e e l a s p e c t o d e l a Vía Láctea d e m o s t r a b a q u e l a s e s t r e l l a s c e r c a n a s a l S i s t e m a S o l a r están d i s p u e s t a s según u n a e s t r u c t u r a d i s c o i d a l p l a n a . E n l a a c t u a l i ; d a d , l l a m a m o s a e s t a e s t r u c t u r a g a l a x i a d e l a Vía Láctea (galácticos e n g r i e g o s i g n i f i c a e n r e a l i d a d "lácteo"). Ésta e s u n c o n j u n t o d e u n o s 1 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e estrellas, d e l a s q u e nuestro Sol es u n m i e m b r o m u y corriente. Sigue sin conocerse e l número d e s i s t e m a s p l a n e t a r i o s q u e p u e d e h a b e r e n e l l a .

S i e lS o l f o r m a parte d eu n c o n j u n t o d eestrellas dispuestas e n cierta f o r m a , e snatural preguntarse s i existen e ne l U n i v e r s o o t r o s c o n j u n t o s p a r e c i d o s . E l d e b a t e s o b r e e s t a cuestión t u v o lugar a finales del siglo XVIII y durante e lsiglo X I X ,ys e centró e n u n a s e r i e d e m a n c h a s débiles d e l u z e x i s t e n t e s e n e l cielo, c o n o c i d a s c o m o nebulosas. U n a d e ellas, e n l a conste3

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

lación d e Andrómeda, e r a c o n o c i d a p o r l o s astrónomos árabes y p e r s a s d e s d e e l s i g l o X . E l f a m o s o astrónomo S i r W i l l i a m H e r s c h e l sugirió q u e a l g u n a s d e e s t a s n e b u l o s a s podrían s e r g a l a x i a s c o m o l a Vía Láctea, c o m o h i z o también I m m a n u e l Kant. S i n embargo, hay m u c h a s nebulosas e n e l cielo que n o s o n galaxias. H a y , p o r e j e m p l o , n u b e s d e gas i l u m i n a d a s p o r estrellas e n s u interior, q u e t i e n e n e l m i s m o aspecto q u e l a s g a l a x i a s . E s t a s n e b u l o s a s están c l a r a m e n t e e n n u e s t r a p r o p i a galaxia, y se presentaron poderosos a r g u m e n t o s e n contra d e asignar distancias i n m e n s a s a cualquier o t r a n e b u l o s a e n e l cielo. U n o d e estos a r g u m e n t o s se centraba e n e l h e c h o d e q u e e n o c a s i o n e s s e veían d e s t e l l o s d e l u z q u e s e o r i g i n a b a n e n a l g u n a s n e b u l o s a s , d e s t e l l o s c o n u n b r i l l o t a l , q u e ningún astrón o m o d e l s i g l o X I X conocía u n a f u e n t e d e energía c a p a z d e producirios, a m e n o s q u e l a distancia hasta e l o r i g e n del dest e l l o f u e r a r e l a t i v a m e n t e pequeña. H o y s a b e m o s q u e e s o s d e s t e l l o s e r a n s u p e r n o v a s y q u e l a f u e n t e d e energía e s l a c o n v e r sión d e i n m e n s a s c a n t i d a d e s d e m a t e r i a e n energía. E n e l s i g l o X I X , s i n e m b a r g o , n o s e concebían l a s s u p e r n o v a s y s e d e s c o nocía l a conversión d e m a s a e n energía, p o r l o q u e seguía s i n r e s p u e s t a l a cuestión d e s i a l g u n a s n e b u l o s a s e r a n e n r e a l i d a d g a l a x i a s d i s t a n t e s o s i m p l e m e n t e n u b e s d e n t r o d e l a Vía Láctea.

•Sólo e n 1 9 2 3 , después d e c o m p l e t a r s e e l t e l e s c o p i o d e 2 , 5 m d e l M o u n t W i l s o n O b s e r v a t o r y , e n l a s montañas d e L o s Ángeles, E d w i n H u b b l e f u e c a p a z d e r e s o l v e r e s t e r o m p e c a b e zas. G r a c i a s a la p o t e n c i a d e este n u e v o i n s t r u m e n t o , f u e p o s i b l e e s t u d i a r e s t r e l l a s i n d i v i d u a l e s d e l a n e b u l o s a d e Andrómeda.

L o s tipos d e estrellas o b s e r v a d o s p o r H u b b l e e r a n similares a los d e nuestra p r o p i a galaxia; e nparticular, f u e capaz d e aislar varias estrellas d e l tipo c o n o c i d o c o m o variables cefeidas. Éstas s o n e s t r e l l a s c u y o b r i l l o varía d e m a n e r a periódica e n u n a e s c a l a d e t i e m p o d e s e m a n a s o m e s e s , y s e sabía q u e e l período d e l a variación e s t a b a r e l a c i o n a d o c o n l a c a n t i d a d t o tal d e luz e m i t i d a p o r l a estrella. Este h e c h o p u e d e utilizarse para m e d i r distancias e n nuestra p r o p i a galaxia, y a que si c o n o c e m o s l a luz q u e e m i t e u n a estrella y l a q u e recibimos e n

EL BIG BANG

r e a l i d a d e n l a T i e r r a , u n s e n c i l l o cálculo n o s i n d i c a a qué d i s t a n c i a s e e n c u e n t r a . H u b b l e , m e d i a n t e l a aplicación d e e s t a c o n o c i d a técnica e n l a s e s t r e l l a s o b s e r v a d a s e n l a n e b u l o s a d e Andrómeda, p u d o d e m o s t r a r q u e éstas ( y p o r t a n t o l a n e b u l o s a ) debían e s t a r c a s i a u n millón d e años l u z d e d i s t a n c i a .

C o m o l a Vía Láctea sólo t i e n e u n tamaño d e 1 0 0 . 0 0 0 años l u z , l a única conclusión p o s i b l e d e l t r a b a j o d e H u b b l e e r a q u e l a Vía Láctea debía s e r sólo u n a d e l a s m u c h a s g a l a x i a s d e l U n i v e r s o . D e s d e l a época d e H u b b l e , e l número d e g a l a x i a s q u e s e c o n o c e n h a p a s a d o d e l millón, y e l i n c r e m e n t o d e s u número n o m u e s t r a s i g n o s d e a m i n o r a r s e .

D e l m i s m o m o d o q u e l o s s e g u i d o r e s d e Copémico t u v i e r o n q u e o l v i d a r s e d e l c o n c e p t o d ela T i e r r a y del S i s t e m a S o l a r c o m o c e n t r o d e l U n i v e r s o , l o s científicos d e l s i g l o X X t u v i e r o n q u e a b a n d o n a r e l c o n c e p t o d e l a u n i c i d a d d e l a Vía Láctea.

R e s u l t a q u e v i v i m o s e n u n a g a l a x i a b a s t a n t e típica, s i n n a d a q u e l a d i s t i n g a d e l a s demás, e x c e p t o e l h e c h o d e s e r n u e s t r o hogar.

LA EXPANSIÓN U N I V E R S A L U n a v e z quedó f i r m e m e n t e e s t a b l e c i d a l a e x i s t e n c i a d e otras galaxias, l o sestudios posteriores d e H u b b l e r e v e l a r o n o t r o h e c h o i m p o r t a n t e (y, e n a q u e l m o m e n t o , s o r p r e n d e n t e ) .

R e s u l t a b a q u e l a d i s t a n c i a e n t r e l a Vía Láctea y l a s demás g a laxias estaba a u m e n t a n d o , q u e lasotras galaxias se estaban a l e j a n d o d e n o s o t r o s . Además, r e s u l t a b a q u e c u a n t o más a l e j a d a e s t u v i e r a l a g a l a x i a e n cuestión, más rápida e r a l a v e l o c i d a d d e recesión. E s t a observación e s t a n c r u c i a l p a r a e l d e s a r r o l l o d e l a cosmología m o d e r n a q u e v a l e l a p e n a d e t e n e r s e u n p o c o p a r a c o m p r e n d e r cómo llegó H u b b l e a e s t e r e s u l t a d o .

C u a l q u i e r a q u e h a y a p e r m a n e c i d o c e r c a d e l a vía d e l f e r r o c a r r i l y h a y a e s c u c h a d o e l s i l b i d o d e u n t r e n a l p a s a r , habrá observado que s u t o n o cambia cuando e l tren se acerca, y después s e p i e r d e e n l a d i s t a n c i a . M i e n t r a s s e a p r o x i m a , e l t o n o d e l s i l b i d o s u b e ( s e h a c e más a g u d o ) , y c u a n d o s e a l e j a .

5

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Fuente estacionarla Fig.

1

Fig. 2

b a j a ( s e h a c e más g r a v e ) . Éste e s u n e j e m p l o específico d e u n fenómeno m u y g e n e r a l a s o c i a d o c o n o n d a s d e t o d a s c l a s e s y conocido c o m o efecto Doppler. Las figuras 1 y 2 p u e d e n ayudarnos a c o m p r e n d e r e l efecto.

L a f u e n t e d e l a o n d a s o n o r a (el silbato d e l t r e n , e n n u e s t r o e j e m p l o ) c r e a u n a s r e p e t i d a s v a r i a c i o n e s d e presión e n e l a i r e .

C u a n d o e s t a s v a r i a c i o n e s d e presión a l c a n z a n e l oído, h a c e n v i b r a r e l tímpano, y oímos u n s o n i d o . C u a n t a s más c r e s t a s d e a l t a presión g o l p e a n e l oído c a d a s e g u n d o , más rápidamente v i b r a e l tímpano y más a l t o e s e l t o n o d e l s o n i d o q u e p e r c i b i m o s . S i l af u e n t e e s estacionaria, c o m o e n l af i g u r a 1 , las o n d a s s e m u e v e n e n e s f e r a s concéntricas e s p a c i a d a s d e m a n e r a u n i f o r m e . C u a l q u i e r o b s e r v a d o r oirá e l m i s m o t o n o , d o n d e q u i e r a q u e esté s i t u a d o .

E n cambio, si la fuente d e sonido se m u e v e (como e n n u e s t r o t r e n ) , l a situación e s d i f e r e n t e . C a d a o n d a s e p r o p a g a c o m o u n a e s f e r a , p e r o e s a e s f e r a estará c e n t r a d a e n l a p o s i ción d e l a f u e n t e e n e l i n s t a n t e e n q u e s e emitió l a o n d a . E s t o s i g n i f i c a q u e l a s e s f e r a s y a n o serán concéntricas, s i n o q u e s e agruparán, t a l c o m o s e i n d i c a e n l a figura°2. U n o b s e r v a d o r s i t u a d o e n f r e n t e d e l a f u e n t e , e n A, encontrará q u e l a s c r e s t a s d e l a s o n d a s están s e p a r a d a s p o r m e n o s e s p a c i o d e l o n o r m a l , y oirá u n s o n i d o c o n u n t o n o más a l t o . A l a i n v e r s a , a l g u i e n s i t u a d o detrás d e l a f u e n t e , e n B , encontrará l a s c r e s t a s más 6

i

EL BIG BANG

s e p a r a d a s y oirá u n s o n i d o c o n u n t o n o más b a j o . E s t o e x p l i c a e l fenómeno d e l s i l b i d o d e l t r e n .

E s t e e f e c t o f u e s u g e r i d o p o r v e z p r i m e r a p o r e l matemático Christian J o h a n n Doppler, e nPraga, e n 1842, y fue verificado d e m o d o e x p e r i m e n t a l t r e s años más t a r d e p o r e l científico h o landés C h r i s t o p h B u y s B a l l o t . S u e x p e r i m e n t o f u e t a n d i r e c t o c o m o p i n t o r e s c o . Reunió a u n g r u p o d e músicos q u e tenían u n sentido perfecto del t o n o , e hizo pasar delante d e ellos u n g r u p o d e t r o m p e t a s e n u n tranvía a b i e r t o . C o m p a r a d o c o n e s t a técnica, n u e s t r o s métodos d e comprobación m o d e r n o s , q u e e m p l e a n micrófonos y o s c i l o s c o p i o s s e n s i b l e s , p a r e c e n t e rriblemente prosaicos.

L a l u z y e l s o n i d o s o n fenómenos o n d u l a t o r i o s y , c o m o e s natural, e la r g u m e n t o d eD o p p l e r es aplicable e n a m b o s casos.

E s t o s i g n i f i c a q u e s i m i r a m o s l a l u z e m i t i d a p o r u n átomo p a r ticular e n u n a galaxia lejana y luego l a emitida p o r e l m i s m o t i p o d e átomo e n n u e s t r o l a b o r a t o r i o , l a comparación d e l a s l o n g i t u d e s d e o n d a p e r c i b i d a s n o s permitirá s a b e r s i l a g a l a x i a s e está m o v i e n d o h a c i a n o s o t r o s o s e está a l e j a n d o . E n e l c a s o d e l a l u z , e l a g r u p a m i e n t o d e las crestas d e las o n d a s v i s t o e n e l p u n t o A d e l a f i g u r a 2 s e percibirá c o m o u n c o r r i m i e n t o h a cia l a parte azul, o d e alta frecuencia, d e l espectro, m i e n t r a s q u e e n e l p u n t o B s e percibirá c o m o u n c o r r i m i e n t o h a c i a l a parte roja, o d e baja frecuencia.

L o q u e H u b b l e encontró e s q u e t o d a s l a s g a l a x i a s c u y a d i s tancia p u d o determinar c o n s u sinstrumentos mostraban u n c o r r i m i e n t o h a c i a e l r o j o , l o q u e i n d i c a q u e t o d a s las galaxias s e están a l e j a n d o d e n o s o t r o s . Además, H u b b l e concluyó a p a r t i r d e s u s d a t o s q u e c u a n t o más a l e j a d a s e e n c o n t r a b a l a g a l a x i a ( c u y a d i s t a n c i a s e medía c o n l o s d a t o s d e l a s v a r i a b l e s cefeidas), m a y o r era s u c o r r i m i e n t o hacia e l rojo.

L a i m a g e n q u e surgió d e l t r a b a j o d e H u b b l e , p o r l o t a n t o , e r a l a d e u n U n i v e r s o e n expansión, c o n t o d a s l a s g a l a x i a s a l e jándose u n a s d e o t r a s . C o n o c i e n d o l a separación d e l a s g a l a x i a s e n e l m o m e n t o a c t u a l y l a v e l o c i d a d c o n l a q u e s e están separando, es u n simple ejercicio imaginar que "pasamos la película a l revés" y d e j a m o s q u e l a s g a l a x i a s s e v a y a n a c e r c a n 7

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d o c a d a v e z más. P o r l o t a n t o , a p a r t i r d e l a situación a c t u a l d e las galaxias, p o d e m o s d e d u c i r , e n p r i n c i p i o , l a c a n t i d a d d e t i e m p o que h atranscurrido desde que toda l a materia del Univ e r s o existía e n u n e s t a d o a l t a m e n t e c o m p a c t o . E l número o b tenido d e este m o d o es l o que se l l a m a t i e m p o d e H u b b l e o e d a d d e H u b b l e , y r e p r e s e n t a u n a estimación a p r o x i m a d a d e l a e d a d d e l U n i v e r s o . E s t e número t i e n e u n a h i s t o r i a l a r g a y algo complicada.

La medida d e la edad d e Hubble requiere una comprensión m u y b u e n a d e l a s e s t r e l l a s v a r i a b l e s c e f e i d a s y u n a s m e didas m u y precisas del c o r r i m i e n t o hacia e l r o j o d e otras galaxias. P o r l a m i s m a n a t u r a l e z a d e las cosas, a q u e l l a s galaxias q u e están más a l e j a d a s presentarán e l m a y o r c o r r i m i e n t o h a c i a el r o j o , y e ne l c a s o d e esas galaxias e s d o n d e p o d e m o s e s p e r a r u n a m a y o r precisión e n l a s m e d i d a s d e l e f e c t o D o p p l e r .

P o r o t r a p a r t e , p r e c i s a m e n t e e n e s t a s g a l a x i a s será d o n d e l a s v a r i a b l e s c e f e i d a s serán más difíciles d e d i s t i n g u i r . P a r a l a s g a l a x i a s c e r c a n a s l a situación s e i n v i e r t e . E n o t r a s p a l a b r a s , l a m e d i d a del c o r r i m i e n t o hacia e lrojo y d el a distancia, c o n u n a e x a c t i t u d s u f i c i e n t e p a r a h a c e r u n a determinación p r e c i s a d e l a e d a d d e H u b b l e , n oe s u n a s u n t o trivial. C u a n d o H u b b l e h i z o s u p r i m e r a medición e n 1 9 3 1 , estableció l a e d a d d e l U n i v e r s o e n sólo u n o s m i l m i l l o n e s d e años, u n a s d i e z v e c e s m e n o s q u e el v a l o r aceptado e nla actualidad. E l p r o b l e m a c o n los m i l m i l l o n e s d e años d e H u b b l e e r a q u e l a e d a d d e l a T i e r r a d e t e r m i n a d a p o r l o s geólogos s e creía q u e e r a d e v a r i o s m i l e s d e m i l l o n e s d e años, y difícilmente l a T i e r r a podía s e r más v i e j a q u e e l U n i v e r s o . L a m e j o r a d e l a s técnicas y u n a recalibración d e l período d e l a s v a r i a b l e s c e f e i d a s h a n p r o d u c i d o c a m b i o s r e p e t i d o s e n l a estimación d e l a e d a d d e H u b b l e , e i n c l u s o h o y p u e d e s e r n o t i c i a d e p r i m e r a p l a n a q u e l o s astrónomos a n u n c i e n q u e e l U n i v e r s o t i e n e sólo l a m i t a d ( o e l d o b l e ) d e l a e d a d q u e s e había creído p r e v i a m e n t e . L o s c r e a c i o n i s t a s , c o m o cabía e s p e r a r , d i s f r u t a n c o n e s t o s h e c h o s y l o s t o m a n c o m o evidencia e ncontra d elaidea entera del Universo evol u t i v o . U n a a c t i t u d m u c h o más r a z o n a b l e e s l a d e u n astrónom o e n c u y o s j u i c i o s h e a p r e n d i d o a c o n f i a r : «La e d a d d e H u b 8

' % ii_

,

.

EL BIG BANG

b l e e s d e 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, e n más o e n m e n o s u n 5 0 % . » E n o t r a s p a l a b r a s , l a m e j o r estimación d e l a e d a d d e H u b b l e e s d e 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, v a l o r q u e a d o p t a r e m o s p a r a el resto d eeste libro. S i n e m b a r g o , n o p o d e m o s descartar edades t a n bajas c o m o 7 . 0 0 0 m i l l o n e s o t a n altas c o m o 2 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años. P u e s t o q u e e s t a i n c e r t i d u m b r e n o tiene u n a importancia crucial para l am a y o r parte d ela cosmología m o d e r n a , n o s e c o n s i d e r a q u e u n a m e j o r determinación d e l a e d a d d e H u b b l e s e au n a d e las m e t a s i m p o r t a n t e s d e l a astronomía.

L a única f u e r z a q u e actúa a h o r a s o b r e u n a g a l a x i a q u e s e a l e j a e s l a atracción g r a v i t a t o r i a d e l r e s t o d e l a s g a l a x i a s . C o n o c e m o s l osuficiente sobre l am a n e r a e n que se c o m p o r t a l a materia bajo l a influencia d e l a gravedad para poder seguir l a expansión h a c i a atrás e n e l t i e m p o . S i n e m b a r g o , n o c a b e e s p e r a r q u e p o d a m o s u s a r u n a extrapolación t a n s i m p l e h a s t a l l e g a r a l B i g B a n g . E n l a s p r i m e r a s e t a p a s d e l a expansión, l a d e n s i d a d d e l a m a t e r i a debió s e r l o s u f i c i e n t e e l e v a d a p a r a s u p o n e r q u e l a s f u e r z a s eléctricas e i n c l u s o l a s n u c l e a r e s j u g a r o n u n p a p e l e ne ldesarrollo del U n i v e r s o . N o e s u n h e c h o trivial, y a q u e n u e s t r a s teorías n o s i n d i c a n q u e l a a c t u a l expansión u n i f o r m e n o t i e n e p o r qué s e r típica d e l a s épocas a n t e r i o r e s .

EL BIG BANG A pesar d e l a incertidumbre e n l a edad exacta del Univers o , s e a c e p t a n o r m a l m e n t e q u e l a expansión q u e v e m o s e n l a a c t u a l i d a d empezó h a c e u n o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, a p a r t i r d e u n a situación e n l a q u e t o d a l a m a t e r i a e s t a b a e n u n e s t a d o a l t a m e n t e c o n d e n s a d o . E l término Big Bang ( e n c a s t e l l a n o , " g r a n explosión") s e u t i l i z a p a r a d e s i g n a r e s t e s u c e s o , y l a i m a g e n que sugiere d e u nUniverso f o r m a d o por fragmentos a r r o j a d o s d e s d e u n c e n t r o e n explosión e s e s e n c i a l m e n t e c o r r e c t a . E l único p r o b l e m a d e e s t a i m a g e n s i m p l e e s q u e p a r e c e i m p l i c a r q u e e l B i g B a n g f u e r a p a r e c i d o a l a explosión d e u n p r o y e c t i l d e artillería, c u y o s f r a g m e n t o s v o l a r a n a través d e l e s 9

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

pació. E n r e a l i d a d , l o s cosmólogos m o d e r n o s t i e n e n u n a v i sión m u c h o más c o m p l e j a d e l p r o c e s o .

L a teoría d e l a r e l a t i v i d a d n o s m u e s t r a q u e h a y u n a d e l i c a d a interconexión e n t r e l a m a t e r i a y e l e s p a c i o . S i n o s i m a g i n a m o s e l espacio libre c o m o u n a especie d e malla dibujada e n e l vacío, l a m a t e r i a p r o d u c e e l e f e c t o d e d i s t o r s i o n a d a . S e gún e s t a i m a g e n , l a expansión d e l a m a t e r i a q u e l l a m a m o s B i g B a n g arrastraría c o n s i g o l a m a l l a y l a estiraría c o m o s i f u e r a u n a lámina d e c a u c h o elástico. U n a f o r m a d e v i s u a l i z a r l a e x pansión t a l c o m o l a v e n l o s cosmólogos m o d e r n o s e s i m a g i n a r u n g l o b o q u e s e está h i n c h a n d o , c o n u n a s e r i e d e p u n t o s r e partidos p o r s u superficie, cada u n o d e los cuales representa u n a galaxia. Para u n a persona situada e n u n o d eestos puntos.

n o s e t r a t a t a n t o d e l a expansión d e l g l o b o a través d e l e s p a c i o c o m o d e u n a expansión d e l p r o p i o e s p a c i o ( r e p r e s e n t a d o p o r la superficie d e l globo).

H a y o t r o p u n t o i m p o r t a n t e d e l a expansión u n i v e r s a l q u e p u e d e c o m p r e n d e r s e a p a r t i r d e l e j e m p l o d e l g l o b o . S i u n o estuviera e n u n o d e los p u n t o s y m i r a r a a s ualrededor, l e parecería e s t a r q u i e t o y q u e t o d o s l o s demás p u n t o s s e a l e j a b a n d e él. E n o t r a s p a l a b r a s , l e parecería s e r e l c e n t r o d e l a expansión universal y ocupar u nlugar privilegiado e n e l Universo. Sin e m b a r g o , e s t o n o sería c i e r t o , y a q u e e s e v i d e n t e q u e u n o b s e r v a d o r e n c u a l q u i e r o t r o p u n t o vería e x a c t a m e n t e l o m i s m o .

C a d a u n o s e v e a sí m i s m o c o m o s i f u e r a e s t a c i o n a r i o y a t o d o s l o s demás alejándose, p o r l o q u e ningún o b s e r v a d o r e s p r i v i l e g i a d o r e s p e c t o a l o s demás. Éste e s u n c a s o e s p e c i a l d e l p r i n c i p i o d e l a r e l a t i v i d a d . E n 10

EL BIG BANG

SU f o r m a más g e n e r a l , e s t e p r i n c i p i o e s t a b l e c e q u e l a s l e y e s d e la naturaleza d e b e n s e r tales, q u e t o d o s los o b s e r v a d o r e s deb e n e n c o n t r a r q u e s o n iguales, e s decir, q u e n o h a y u n sistema de referencia privilegiado desde e l cual observar e l Universo.

Este principio, compatible c o n l a f o r m a d epensar del siglo X X , está implícito e n l a física contemporánea e n s u s m i s m o s f u n damentos. E n cierto sentido, juega u n papel e nl aciencia m o derna similar a l del geocentrismo e n l a ciencia antigua y m e d i e v a l . E s u n p r i n c i p i o q u e i n c l u i m o s e n n u e s t r a percepción del U n i v e r s o p o r q u e creemos que tiene que sercierto y , p o r el m o m e n t o , n oh e m o s e n c o n t r a d o n i n g u n a evidencia experim e n t a l d e q u e n o s e a así. S i n e m b a r g o , e l g e o c e n t r i s m o t a m bién funcionó m a r a v i l l o s a m e n t e d u r a n t e m i l e n i o s .

ECOS A u n q u e laidea d eque e lUniverso puede haberse originad o e n u n a explosión c o n c a r a c t e r e s d e c a t a c l i s m o h a c e m i l e s d e m i l l o n e s d e años está implícita e n l o s d e s c u b r i m i e n t o s d e H u b b l e , éstos n o n o s o b l i g a n a a c e p t a r e l B i g B a n g . L o s c o s mólogos s o n g e n t e e x t r a o r d i n a r i a m e n t e i m a g i n a t i v a y c a p a c e s de sugerir explicaciones alternativas d e cualquier hecho e n u n a b r i r y c e r r a r d e o j o s . D u r a n t e m u c h o t i e m p o e l rival p r i n c i p a l d e l a i d e a d e l B i g B a n g f u e u n a teoría e n l a q u e , a l a l e j a r s e las galaxias las u n a s d e las otras, s e c r e a b a n u e v a m a t e r i a e n l o s vacíos y s e f o r m a b a n n u e v a s g a l a x i a s q u e , a s u v e z , s e a l e j a b a n y e r a n r e e m p l a z a d a s p o r o t r a s aún más n u e v a s . L a s i m ple existencia d e los datos del corrimiento hacia e l rojo e n y p o r sí m i s m o s n o podían d i s t i n g u i r e n t r e e l B i g B a n g y e s t a a l t e m a t i v a . A n t e s d e p o d e r a c e p t a r e l B i g B a n g , había q u e e n c o n t r a r a l g u n a confirmación más d i r e c t a .

P o d e m o s c o m p r e n d e r cuál resultó s e r e s t a e v i d e n c i a d i r e c ta sin o s c o n c e n t r a m o s e ne lh e c h o d e q u e e lU n i v e r s o , e n sus p r i m e r a s fases d e desarrollo, t u v o q u e estar m u y caliente. L o s físicos s a b e n q u e t o d o o b j e t o c u y a t e m p e r a t u r a e x c e d e d e l c e r o a b s o l u t o r a d i a energía y q u e e l t i p o d e energía r a d i a d a 11

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

depende d e s utemperatura. Cualquiera que haya observado c ó m o e l e l e m e n t o c a l e f a c t o r d e u n a e s t u f a eléctrica c a m b i a d e rojo oscuro a naranja brillante tiene u n a experiencia d e primer a m a n o p a r a c o r r o b o r a r e s t a afirmación. D i c h o e l e m e n t o p r o d u c e u n t i p o p a r t i c u l a r d e radiación q u e l l a m a m o s l u z v i s i b l e , a l a cual nuestros ojos s o n sensibles y que, p o r l otanto, p o demos ver directamente.

I n c l u s o después d e q u e e l e l e m e n t o c a l e f a c t o r s e h a y a d e s conectado y d e que s u color h a y a v u e l t o a sern o r m a l , sigue radiando. P u e d e comprobarse acercando l a m a n o a l a estufa.

S e n o t a c a l o r , a u n q u e n o e x i s t a radiación v i s i b l e . L o q u e h a sucedido es que a lbajar l atemperatura del e l e m e n t o calefact o r , l a radiación p r o d u c i d a s e h a d e s p l a z a d o d e l a z o n a v i s i b l e hacia e l infrarrojo. Nuestros ojos n o s o n sensibles a esta radiación ( a u n q u e p u e d e s e r d e t e c t a d a c o n f a c i l i d a d m e d i a n t e i n s t r u m e n t o s y películas fotográficas e s p e c i a l e s ) . S i n e m b a r g o , p o d e m o s p e r c i b i r l a radiación c o n n u e s t r a m a n o . C u a n t o más frío está e l o b j e t o o b s e r v a d o , más l e j o s está l a radiación d e s e r v i s i b l e y más e l a b o r a d o t i e n e q u e s e r e l d e t e c t o r u t i l i z a d o p a r a ponería d e m a n i f i e s t o .

El U n i v e r s o estaba m u y caliente hace m u c h o t i e m p o y desd e e n t o n c e s h a experímentado u n a expansión y u n enfríam i e n t o progresivos. Igual q u e e l e l e m e n t o calefactor d e l a est u f a , l a radiación p r o d u c i d a d u r a n t e e s t e p r o c e s o d e enfríam i e n t o s e h a d e s p l a z a d o d e s d e l a s a l t a s energías h a s t a l a s b a j a s , y h a c e m u c h o t i e m p o q u e h a i d o más allá d e l a z o n a a s o c i a d o c o n l a l u z v i s i b l e . D e h e c h o , y a e n 1 9 4 8 , l o s físicos teórícos, t o m a n d o e n c u e n t a e l ritmo d e expansión d e l U n i v e r s o , p r e d i j e r o n q u e 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años después d e l B i g B a n g , e l U n i v e r s o s e había e n f r i a d o h a s t a u n a t e m p e r a t u r a d e 3° p o r e n c i m a d e l c e r o a b s o l u t o , v a l o r c o n o c i d o n o r m a l m e n t e c o m o 3° e n l a e s c a l a K e l v i n , ó 3 °K. L a s l e y e s d e l a física i n d i c a n q u e u n c u e r p o p r o d u c e radiación i n c l u s o a e s t a s t e m p e r a t u r a s t a n e x t r e m a d a m e n t e b a j a s . Además, también i n d i c a n q u e e s t a radiación s e situaría e n l a z o n a d e l a s m i c r o o n d a s . L a radiación d e m i c r o o n d a s t i e n e u n a energía i n t e r m e d i a e n t r e l a s o n d a s r a d i o y l a radiación i n f r a r r o j a ; e s l a m i s m a radiación 12

EL BIG BANG

que cuece la comida en u n h o m o d emicroondas y que emiten los sistemas d e radar para aviones. E nl a actualidad, t o d o e l v o l u m e n d e l U n i v e r s o estaría i n m e r s o e n e s t a radiación y d e beríamos o b s e r v a r l a e n l a T i e r r a , p r o c e d e n t e d e c u a l q u i e r d N rección e n l a q u e m i r e m o s . A e s t e r e s p e c t o , e s t a m o s e n u n a posición análoga a l a d e u n o b s e r v a d o r r o d e a d o p o r e l f u e g o : nota que e l calor l e llega desde todas las direcciones.

E x i s t e o t r a f o r m a d e c o n s i d e r a r e s t a predicción. D u r a n t e las p r i m e r a s e t a p a s d e l B i g B a n g , c u a n d o e l U n i v e r s o e s t a b a m u y c a l i e n t e , l a radiación n o podía v i a j a r m u y l e j o s s i n e n c o n t r a r algún t i p o d e m a t e r i a . E s t a s c o l i s i o n e s c o n t i n u a s tenían e l e f e c t o d e a s e g u r a r q u e l a radiación e r a d e l t i p o característico de l at e m p e r a t u r a general del U n i v e r s o e na q u e l t i e m p o . E n l a práctica, g a r a n t i z a b a n q u e l a radiación f u e r a p r i n c i p a l m e n t e e n f o r m a d e - r a y o s X o g a m m a . E n t o n c e s , u n o s 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g , e l U n i v e r s o experimentó u n c a m b i o súbito que tuvo e lefecto d e disminuir l aprobabilidad d e que l a radiación c o l i s i o n a r a c o n l a m a t e r i a . ( E s t a transición t a n i m p o r t a n t e s e discutirá c o n d e t a l l e e n e l capítulo s i g u i e n t e . ) P o d e m o s i m a g i n a r l a radiación después d e e s t e m o m e n t o c o m o u n g a s q u e está c o n f i n a d o , c a l e n t a d o a u n a a l t a t e m p e r a t u r a , y q u e s e l i b e r a d e r e p e n t e . S e expansionará c o n e l r e s t o d e l U n i v e r s o , y a l h a c e r l o s e enfriará. N o r e s u l t a difícil v e r q u e e s p o s i b l e p r e d e c i r l a t e m p e r a t u r a d e l g a s d e radiación e n c u a l q u i e r m o m e n t o d e l f u t u r o , y d e aquí e s d e d o n d e p r o c e d e n p r e c i s a m e n t e l o s 3 °K. E s l a t e m p e r a t u r a a l a q u e h a b a j a d o e l g a s d e radiación e n e l m o m e n t o a c t u a l .

P o r c o n s i g u i e n t e , r e s u l t a i r r e l e v a n t e c o n s i d e r a r l a radiación c o m o característica d e u n U n i v e r s o e n expansión o c o m o u n g a s e n expansión q u e cesó d e i n t e r a c c i o n a r c o n l a m a t e r i a hace m u c h o t i e m p o a u n a alta temperatura. E n a m b o s casos, l l e g a m o s a l a conclusión d e q u e s i r e a l m e n t e e x i s t e e n e l U n i v e r s o u n a radiación d e m i c r o o n d a s u n i v e r s a l , sería u n a f o r m a d i r e c t a d e p e r c i b i r las p r i m e r a s e t a p a s d e l B i g B a n g , d e f o r m a m u y parecida e nq u e l aluz e m i t i d a p o r u n a estrella lejana nos p e r m i t e v e r l a y d e t e r m i n a r s u e s t a d o . Sería b o n i t o p o d e r d e c i r q u e u n a s e c u e n c i a c l a r a d e predicción, experimentación y 13

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

confirmación c o n d u j o a l a aceptación d e e s t a i d e a , p e r o c o m o sucede a m e n u d o e n l a ciencia, l a cadena real d e acontecim i e n t o s n o fue t a n sencilla.

A p r i n c i p i o s d e l a década d e l o s s e s e n t a s e l a n z a r o n l o s p r i m e r o s satélites d e c o m u n i c a c i o n e s p r i m i t i v o s . L o s d e l a s e r i e E c h o e r a n p o c o más q u e e s f e r a s r e f l e c t o r a s p u e s t a s e n órbita, diseñadas p a r a r e f l e j a r h a c i a l a T i e r r a l a s señales d e u n t r a n s m i s o r s i t u a d o e n ésta. ( R e s u l t a difícil r e c o r d a r l o r e c i e n t e q u e es e lm o d e r n o y sofisticado s i s t e m a d e c o m u n i c a c i o n e s p o r satélite.) A m o P e n z i a s y R o b e r t W i l s o n , d o s científicos d e l o s B e l l T e l e p h o n e L a b o r a t o r i e s e n H o l m d e l , N e w J e r s e y , habían e s t a d o t r a b a j a n d o e n l a modificación d e u n g r a n a p a r a t o , e n f o r m a d e c o m e t a , q u e s e había u t i l i z a d o c o m o r e c e p t o r e n u n a serie d e e x p e r i m e n t o s n e c e s a r i o s p a r a p r o b a r la c a p a c i d a d d e l satélite p a r a d e v o l v e r l a s señales h a c i a l a T i e r r a . C o m o e l satélite e s t a b a e n c o n t i n u o m o v i m i e n t o , e s t e r e c e p t o r podía o r i e n t a r s e e n c u a l q u i e r dirección, a p e s a r d e s u e x t r a o r d i n a r i o tamaño. E s t o r e s u l t a b a m u y útil, y a q u e u n r e c e p t o r o r d i n a r i o de radio o u n a antena d e radar hubieran quedado inundados p o r l a radiación e m i t i d a p o r f u e n t e s t e r r e s t r e s o atmosféricas.

A m e n o s q u e s e aposible apuntar hacia e l cielo los m o d e r n o s d i s p o s i t i v o s d e recepción, u n a señal e x t r a t e r r e s t r e n o p u e d e oírse.

P e n z i a s y W i l s o n tenían l a intención d e u t i l i z a r s u insólita a n t e n a p a r a r e a l i z a r u n catálogo d e l a s r a d i o f u e n t e s s i t u a d a s f u e r a d e l p l a n o d e n u e s t r a g a l a x i a . E n c o n t r a r o n q u e había u n nivel d e " r u i d o " i n e x p l i c a b l e m e n t e alto e nsus lecturas, parecid o a l ruido d ef o n d o d eu n a radio o a l anieve d eu n a pantalla d e televisión. D e d i c a r o n u n a g r a n c a n t i d a d d e t i e m p o p a r a t r a t a r d e l i b r a r s e d e e s t a señal, p o r q u e creían q u e procedía d e s u instrumento y n odel cielo. H a y m u c h a s f o r m a s e nque e l inst r u m e n t o podía p r o d u c i r e s t e e f e c t o , a l g u n a s d e b i d a s a e f e c t o s electrónicos c o m p l i c a d o s y o t r a s a e f e c t o s m u y c o r r i e n t e s . P o r ejemplo, e n cierto m o m e n t o durante e l experimento, u n a par e j a d e p a l o m a s fijó s u r e s i d e n c i a e n e l c o m e t e d e l a a n t e n a y cubrió p a r t e d e l a p a r a t o c o n l o q u e s e describió c o m o u n a " s u s t a n c i a dieléctrica b l a n c a " . C o m o e s n a t u r a l , p u d o s u p r i m i r 14

Los doctores Robert W. Wilson (izquierda) y Arno A. Penzias con la antena reflectora de corneta de los Bell Telephone Laboratories, que fue utilizada en los experimentos de los proyectos Echo y Telstar y en la medición de la inexplicada radiación de ruido de la galaxia. Fofo cortesía de Bell Laboratories.

se e s t a f u e n t e d e e r r o r , p e r o l a señal i n e s p e r a d a persistía s i n i m p o r t a r cuántos e f e c t o s extraños s e e l i m i n a r a n .

E n 1 9 6 4 empezó a f u n c i o n a r l a r e d i n v i s i b l e q u e e x i s t e e n t r e l o s científicos. U n j o v e n teórico d e P r i n c e t o n , P . J . E . P e e b l e s , d i o u n s e m i n a r i o s o b r e l a teoría d e l B i g B a n g e n l a J o h n H o p k i n s U n i v e r s i t y , y presentó p a r t e d e s u p r o p i o t r a b a j o s o b r e e l p r o b l e m a d e l a radiación d e f o n d o d e m i c r o o n d a s . A l g u n a s palabras sobre sus resultados l l e g a r o n hasta e l C a m e g i e Institute e nPittsburgh, hasta e lMassachusetts Institute of T e c h -

El doctor Arno Penzias (derecha) inspecciona el interior de la antena. Después de medir cuidadosamente y de tener en cuenta todas las fuentes conocidas de radiación de ruido de la atmósfera terrestre y de la galaxia, a s i como de la antena y del equipo receptor asociado, Penzias y Wilson encontraron una cantidad residual de radiación de ruido que no podían explicar. Tras consultar con colegas de Princeton, propusieron la teoría de que esta radiación era un resultado del Big Bang. Foto cortesía de Bell Laboratories.

n o l o g y y h a s t a P e n z i a s e n N e w J e r s e y a través d e u n a s e r i e d e l l a m a d a s telefónicas s o b r e t e m a s s i n n i n g u n a relación c o n e l e x p e r i m e n t o . C o m o e s n a t u r a l , u n a v e z s e j u n t a r o n l o s teóricos y los experimentales, l averdadera naturaleza del ruido e n l a a n t e n a resultó o b v i a . D e h e c h o , n o e r a r u i d o l o q u e s e e s t a b a d e t e c t a n d o , s i n o l a radiación d e 3°K, q u e e s u n a c o n secuencia necesaria d e l B i g B a n g . S e cuenta u n chiste entre astrofísicos e n e l q u e u n o d e l o s e x p e r i m e n t a d o r e s , a l d a r s e 16

EL BIG BANG

c u e n t a d e e s t e h e c h o , d i c e : «O e s t a m o s v i e n d o u n a p i l a d e m . . . d e p a l o m a o l a creación d e l Universo.» E n t o d o c a s o , n o s e tardó m u c h o e n e s t a b l e c e r q u e l a radiación d e t e c t a d a n o estaba asociada c o n la a n t e n a n i c o n n i n g u n a galaxia o estrella e n p a r t i c u l a r , s i n o q u e e r a r e a l m e n t e u n i v e r s a l . E n l o s años s i guientes a l anuncio del resultado del Bell Lab, se realizaron m u c h a s m e d i d a s i n d e p e n d i e n t e s d e l a radiación d e m i c r o o n das y t o d a s ellas c o r r o b o r a r o n las c o n c l u s i o n e s o r i g i n a l e s . P o r su trabajo, Penzias y Wilson fueron galardonados con e l prem i o N o b e l d e física e n 1 9 7 8 .

L a cadena d e acontecimientos que condujo a l descubrim i e n t o d e l a radiación d e 3 ° K i l u s t r a u n o d e l o s p u n t o s más i m p o r t a n t e s , a u n q u e m e n o s c o m p r e n d i d o s d e l a investigación científica: l o s d e s c u b r i m i e n t o s más i m p o r t a n t e s s e p r o d u c e n muchas veces e n experimentos que buscan cosas completam e n t e d i f e r e n t e s . E s t o e s l o q u e h a c e t a n difícil p l a n i f i c a r l a i n vestigación básica d e u n a m a n e r a r a c i o n a l . N u n c a s e p u e d e e s t a r s e g u r o d e cuándo u n e x p e r i m e n t o v a a p r o d u c i r u n d e s c u b r i m i e n t o i n e s p e r a d o e n o t r a área d i s t i n t a d e l a c i e n c i a .

D e b e m o s considerar otro p u n t o acerca del f o n d o d e m i c r o o n d a s cósmico. H e m o s d i c h o q u e u n o d e l o s p r e c e p t o s f u n d a m e n t a l e s d e l a c i e n c i a m o d e r n a e s q u e n o h a y ningún s i s t e m a d e r e f e r e n c i a p r i v i l e g i a d o . ¿Pero, n o e s p r e c i s a m e n t e u n o d e e s t o s s i s t e m a s d e r e f e r e n c i a a q u e l e n e l q u e ocurrió e l B i g B a n g y e n e l q u e l a radiación d e m i c r o o n d a s e s e x a c t a m e n t e isótropa (véase e l g l o s a r i o ) ? S i c o n s i d e r a m o s s e r i a m e n t e l a analogía d e l g a s e n expansión, u n o b s e r v a d o r q u e n o s e m u e v a r e s p e c t o a l a b o l a d e f u e g o u n i v e r s a l verá l a m i s m a r a diación t a n t o s i m i r a a s u i z q u i e r d a c o m o a s u d e r e c h a . P o r e l contrario, u n observador que se m u e v a respecto a l abola d e f u e g o verá l a radiación d e s p l a z a d a h a c i a e l a z u l s i m i r a h a c i a d e l a n t e y h a c i a e l r o j o s i m i r a h a c i a atrás. ( E s fácil c o n v e n c e r s e de este h e c h o c o n e l m i s m o tipo d e a r g u m e n t o utilizado p a r a e l e f e c t o D o p p l e r . ) ¿No s u p o n e e s t a situación u n a v i o l a ción d e l p r i n c i p i o d e l a r e l a t i v i d a d ?

N o , n o l o e s . S ó l o s e e s t a b l e c e q u e h a y u n único s i s t e m a d e r e f e r e n c i a e n e l q u e e l f o n d o cósmico e s r e a l m e n t e u n i f o r 17

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

m e , y que los observadores e ncualquier o t r o sistema detectarán l i g e r o s c o r r i m i e n t o s . S i n e m b a r g o , l o s d o s o b s e r v a d o r e s d e n u e s t r o e j e m p l o verán q u e s o n válidas l a s m i s m a s l e y e s d e la naturaleza e nsus respectivos sistemas d e referencia. P u e d e d e m o s t r a r s e i n c l u s o q u e l a e x i g e n c i a d e q u e v e a n las m i s m a s l e y e s d e l a física o b l i g a a q u e v e a n c o n f i g u r a c i o n e s d i s t i n t a s d e l a radiación cósmica. N o h a y n a d a e n e l p r i n c i p i o d e l a r e l a t i v i d a d q u e exija q u e t o d o s los o b s e r v a d o r e s v e a n las m i s m a s c o s a s ; sólo s e e x i g e q u e v e a n l a s m i s m a s l e y e s . E l h e c h o d e q u e sólo e n u n s i s t e m a d e r e f e r e n c i a s e o b s e r v e u n f o n d o d e m i c r o o n d a s u n i f o r m e n o e s más s o r p r e n d e n t e q u e e l h e c h o d e q u e sólo h a y u n s i s t e m a d e r e f e r e n c i a e n e l q u e l a s u p e r ficie d e l a T i e r r a s e a estacionaria.

D e paso vale l a pena indicar que se ha puesto d e manifiesto, mediante delicadas observaciones c o n receptores d e m i croondas a bordo d e aviones que volaban a gran altura e n la atmósfera, q u e l a T i e r r a s e está m o v i e n d o e n r e a l i d a d a través d e l a radiación d e f o n d o a u n a v e l o c i d a d d e 6 0 0 k m / s e g e n l a dirección d e l a constelación d e L e o .

CONCLUSIÓN L o s a c o n t e c i m i e n t o s d e l a última m i t a d d e s i g l o n o s h a n m o s t r a d o q u e l a Vía Láctea e s , e n d e f i n i t i v a , sólo u n a d e l o s m i l l o n e s d e galaxias d e l U n i v e r s o y q u e t o d a s las galaxias p r e sentan u n m o v i m i e n t o u n i f o r m e q u e p u e d e caracterizarse b i e n c o m o u n a expansión.

Si realizamos e l e x p e r i m e n t o m e n t a l d e invertir l a expansión, l l e g a m o s a l a conclusión d e q u e h a n t r a n s c u r r i d o u n o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años d e s d e q u e e l U n i v e r s o s e inició e n u n acontecimiento llamado Big Bang. L a edad del Universo det e r m i n a d a d e e s t a f o r m a n o s e c o n o c e c o n m u c h a precisión,pero n o es necesario conocerla con exactitud para n i n g u n o d e los a r g u m e n t o s i m p o r t a n t e s d e este libro.

L a e v i d e n c i a más i m p o r t a n t e y dramática d e l c o m i e n z o d e l Universo e ne lBig B a n g procede del descubrimiento d ela ra18

EL BIG BANG

diación d e m i c r o o n d a s u n i v e r s a l . E s t a radiación e s d e l t i p o q u e estaría a s o c i a d o a u n c u e r p o c o n u n a t e m p e r a t u r a d e 3° p o r e n c i m a d e l c e r o a b s o l u t o , t e m p e r a t u r a q u e habría a l c a n z a d o h o y e l g a s d e radiación e n expansión r e s u l t a n t e d e l B i g B a n g . E n c i e r t o m o d o , l o s e x p e r i m e n t o s d e m i c r o o n d a s están o y e n d o l a s r e v e r b e r a c i o n e s d e l a explosión c o n q u e empezó el Universo.

D a d a esta i m a g e n d e nuestro pasado, q u e d a clara l a m e t a d e l a c i e n c i a . M e d i a n t e l a utilización d e l e y e s físicas c o n o c i d a s , d e b e r n o s i n v e s t i g a r h a c i a e l p a s a d o l a expansión u n i v e r s a l y llegar tan cerca c o m o s e aposible del m o m e n t o m i s m o d e l a creación. T a l v e z e l h e c h o más s o r p r e n d e n t e s e a q u e e n l a a c t u a l i d a d e s t a m o s e n situación d e d e s c r i b i r e l U n i v e r s o t a l c o m o existió d u r a n t e l a m a y o r p a r t e d e s u p r i m e r s e g u n d o d e e x i s tencia. Para hacerlo, tendremos que aprender algo acerca del c o m p o r t a m i e n t o d e l a m a t e r i a a m u y a l t a s t e m p e r a t u r a s , así c o m o a c e r c a d e l a m a n e r a e n q u e s e a g l o m e r a . L a razón p o r l a q u e n e c e s i t a m o s e s t o s c o n o c i m i e n t o s s e hará e v i d e n t e c u a n d o r e f l e x i o n e m o s a c e r c a d e l a s e t a p a s d e l a evolución d e l U n i v e r s o más c e r c a n a s a n u e s t r o t i e m p o , t e m a a l q u e v a m o s a d e d i c a r a h o r a n u e s t r a atención.

2.

Las edades del Universo

Todo el mundo es un escenario, y todos los hombres y mujeres sólo son actores: tienen sus salidas y sus entradas; y u n hombre durante su tiempo representa muchos y sus actos son siete edades.

•• j :

WILLIAM

•

ÁTOMOS

: í

papeles,

SHAKESPEARE

A vuestro gusto

.

;

L o más i n t r i g a n t e d e l a teoría d e l B i g B a n g e s q u e n o s r e vela que e lUniverso n oestuvo siempre e n e lestado e n que l o v e m o s a h o r a . L a s estrellas y las galaxias p a r e c e q u e n o tien e n e d a d , y d e h e c h o e s así, c o m p a r a d a s c o n u n a v i d a h u m a n a o c o n e lt i e m p o q u e a b a r c a l a historia escrita. P e r o incluso l a s e s t r e l l a s " e t e m a s " n a c i e r o n e n algún m o m e n t o d e l p a s a d o y , c o n t o d a s e g u r i d a d , morirán e n algún m o m e n t o d e l f u t u r o .

L a m e j o r m a n e r a d e considerar l a escala d et i e m p o e n relación c o n e l n a c i m i e n t o d e l U n i v e r s o e s i m a g i n a r s e l o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años t r a n s c u r r i d o s d e s d e e l B i g B a n g c o m p r i m i d o s e n u n s o l o año, q u e llamaré a ñ o galáctico. E n e s t a e s c a l a d e t i e m p o , t o d a l a h i s t o r i a e s c r i t a d e l h o m b r e n o c o m p r e n d e más d e 1 0 s e g u n d o s . L a s e s t r e l l a s más g r a n d e s — l a s q u e q u e m a n c o m b u s t i b l e más d e p r i s a — v i v e n m e n o s d e u n a h o r a . E l S o l y el Sistema Solar f u e r o n creados e n septiembre y p u e d e esperarse q u e e l S o l siga e n u n estado m u y p a r e c i d o a l actual d u r a n t e u n o s m e s e s galácticos más. L a r a z a h u m a n a h a e x i s t i d o durante u n a hora o dos, valor que depende del resultado del 21

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d e b a t e a c t u a l e n t r e l o s antropólogos s o b r e l o s p r i m e r o s r e s t o s humanos.

E l año galáctico p r o p o r c i o n a u n a m a n e r a útil d e v i s u a l i z a r l a s e t a p a s más r e c i e n t e s d e l a evolución d e l U n i v e r s o , y a q u e la escala d e t i e m p o d e estas etapas e s m u y g r a n d e . E m p e c e m o s n u e s t r a descripción d e l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o r e t r o c e d i e n d o e n e l t i e m p o (hacia e l B i g Bang) desde e l presente y c a l c u l a n d o e l t i e m p o e n términos d e l año galáctico. S i e l m o m e n t o a c t u a l e s e l 3 1 d e d i c i e m b r e d e e s e año, a l r e t r o c e d e r a través d e l i n v i e r n o , otoño y v e r a n o , v e r e m o s m u y p o c o s cambios a nuestro alrededor. A l acercamos a enero podremos o b s e r v a r q u e l o s e l e m e n t o s químicos p e s a d o s s e h a c e n a l g o m e n o s abundantes. Esto se d e b e a que todos los elementos más p e s a d o s q u e e l h e l i o , i n c l u i d o s e l h i e r r o d e n u e s t r a s a n gre y e l calcio d e nuestros huesos, s e fabricaron e n estrellas q u e después m u r i e r o n y r e s t i t u y e r o n l o s e l e m e n t o s q u e habían p r o d u c i d o a l m e d i o interestelar, d o n d e se m e z c l a r o n c o n l a m a t e r i a a p a r t i r d e l a c u a l s e formarían n u e v a s e s t r e l l a s . E l S o l y el Sistema Solar, al haberse f o r m a d o e n tiempos relativament e r e c i e n t e s , c o n t i e n e n más c a n t i d a d d e e s t o s m a t e r i a l e s q u e l o s s i s t e m a s más v i e j o s . S i n e m b a r g o , a p a r t e d e e s t e e f e c t o r e a l m e n t e pequeño, e l U n i v e r s o presentaría u n a s p e c t o c a s i i g u a l e n e n e r o d e l año galáctico q u e e n d i c i e m b r e . S i detuviéramos nuestro viaje por e lt i e m p o e nu n m o m e n t o cualquiera y miráramos a n u e s t r o a l r e d e d o r , veríamos l a m a y o r p a r t e d e l a m a t e r i a c o n c e n t r a d a e n g a l a x i a s , y e s a s g a l a x i a s s e estarían a l e j a n d o las u n a s d e las otras. P o r l o t a n t o , d u r a n t e casi t o d a l a v i d a d e l U n i v e r s o , n o h a t e n i d o l u g a r ningún c a m b i o f u n d a mental.

D e h e c h o , u n a d e las cosas s o r p r e n d e n t e s q u e a d v e r t i m o s al explorar l ahistoria d e nuestro Universo es lo m u c h o que se p a r e c e a l a s s i e t e e d a d e s e n q u e W i l l i a m S h a k e s p e a r e dividía l a v i d a h u m a n a . A u n o s períodos e n q u e l a a p a r i e n c i a d e l a s c o s a s p e r m a n e c e más o m e n o s c o n s t a n t e s u c e d e n d e r e p e n t e unas explosiones cortas d e cambios revolucionarios, e n las q u e e l a s p e c t o d e l U n i v e r s o s e a l t e r a d e m a n e r a drástica e i r r e v e r s i b l e . T o d o s e s t o s períodos d e c a m b i o están r e l a c i o n a d o s 22

LAS EDADES DEL UNIVERSO

c o n u n h e c h o c e n t r a l : c u a n t o más r e t r o c e d e m o s e n e l t i e m p o , más a u m e n t a l a t e m p e r a t u r a d e l U n i v e r s o .

L a razón n o e s difícil d e e n t e n d e r . A m e d i d a q u e r e t r o c e d e m o s e n el t i e m p o , l amateria del U n i v e r s o se encuentra cada v e z más c o m p r i m i d a . E s u n h e c h o q u e e s t a compresión p r o duce calor, c o m o sabe cualquiera q u e h a y a usado u n a b o m b a m a n u a l p a r a h i n c h a r u n neumático. L a compresión c o n t i n u a d e l a i r e p o r e l émbolo e n l a b o m b a c a l i e n t a e l c i l i n d r o d e f o r m a n o t a b l e . A l a u m e n t a r l a t e m p e r a t u r a d e u n o b j e t o , las m o léculas q u e c o n t i e n e s e m u e v e n c a d a v e z más d e p r i s a . P u e s t o q u e l a s moléculas d e c u a l q u i e r m a t e r i a l e x p e r i m e n t a n c o l i s i o n e s f r e c u e n t e s e n t r e sí, e s lógico s u p o n e r q u e e s t a s c o l i s i o n e s s e v u e l v a n más v i o l e n t a s a l a u m e n t a r l a t e m p e r a t u r a .

S i i m a g i n a m o s q u e r e t r o c e d e m o s e n e l t i e m p o a través d e l año galáctico, v e r e m o s q u e l a s g a l a x i a s ( c o n u n a s p e c t o m u y p a r e c i d o a l a c t u a l ) s e v a n a c e r c a n d o c a d a v e z más u n a s a o t r a s . E l e f e c t o sería p a r e c i d o a v e r p a s a r u n a película a l revés.

E l f i l m mostraría l o m i s m o d e s d e e l m o m e n t o a c t u a l ( 3 1 d e d i ciembre) hasta a p r o x i m a d a m e n t e u n a h o r a antes del principio d e l año galáctico, e l 1 d e e n e r o . S ó l o a l l l e g a r a l a p r i m e r a h o r a d e l año galáctico ( m e n o s d e u n millón d e años d e t i e m p o r e a l d e s d e e l B i g B a n g ) s e haría e v i d e n t e algún c a m b i o e n e l U n i v e r s o . A l p r o s e g u i r l a proyección d e l a película p a s a d a a l revés, veríamos j u n t a r s e l a s g a l a x i a s y f o r m a r u n a única m a s a n o d i f e r e n c i a d a d e átomos. E s t o sería, p o r s u p u e s t o , u n c a m bio, pero n o fundamental, ya que a u n cuando hubiera variado l a e s t r u c t u r a g l o b a l d e l U n i v e r s o , l a u n i d a d básica d e m a t e ria seguiría s i e n d o e l átomo, u n o b j e t o eléctricamente n e u t r o en e l que hay tantos electrones con carga negativa alrededor d e l núcleo c o m o p r o t o n e s c o n c a r g a p o s i t i v a d e n t r o d e e s t e núcleo.

S i continuáramos r e t r o c e d i e n d o e n e l ' t i e m p o , veríamos e s t a m a s a d e átomos c o n t r a e r s e y c a l e n t a r s e d u r a n t e u n a m e d i a h o r a . E n e s t e p u n t o ( u n o s 5 0 0 . 0 0 0 años d e t i e m p o r e a l después d e l B i g B a n g ) , l a t e m p e r a t u r a sería l o s u f i c i e n t e m e n t e alta y lascolisiones l osuficientemente violentas para separar l o s e l e c t r o n e s d e s u s núcleos. L o s átomos dejarían e n t o n c e s 23

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d e e x i s t i r y l a m a t e r i a aparecería e n u n e s t a d o f u n d a m e n t a l m e n t e n u e v o , e n e l q u e l a s partículas d e c a r g a o p u e s t a s o n l i bres d em o v e r s e d e m a n e r a independiente unas d e otras. Este e s t a d o d e l a m a t e r i a s e l l a m a p l a s m a . E n n u e s t r o s días, s e p r o d u c e n p l a s m a s d e m o d o r u t i n a r i o e n l o s l a b o r a t o r i o s d e física, de forma que conocemos bien elcomportamiento d ela materia e n este estado.

L a transición d e átomos a p l a s m a p u e d e i m a g i n a r s e c o m o a l g o análogo a l a fusión d e u n c u b i t o d e h i e l o . A b a j a t e m p e r a t u r a , l a s moléculas d e a g u a están d i s p u e s t a s e n u n a e s t r u c t u r a c r i s t a l i n a rígida q u e l l a m a m o s h i e l o . A l s u b i r l a t e m p e r a t u r a y l l e g a r a O °C, e l m o v i m i e n t o d e l a s moléculas e n e l h i e l o s e v u e l v e t a n v i o l e n t o q u e s u p e r a las f u e r z a s q u e m a n t i e n e n l a f o r m a d e l cristal. E n e s e p u n t o e l h i e l o s e c o n v i e r t e e n a g u a . U n a n u e v a f o r m a d e m a t e r i a (líquida) r e e m p l a z a l a a n t i g u a (sólida).

L a d i f e r e n c i a p r i n c i p a l e n t r e e l h i e l o e n fusión y l a t r a n s i ción d e u n U n i v e r s o d e átomos a u n U n i v e r s o c o m p u e s t o d e p l a s m a e s q u e e l e s t a d o d e p l a s m a n o s e p r o d u c e a u n a única temperatura bien definida. S i se calienta u n gas,ocurre u n c a m b i o g r a d u a l a m e d i d a q u e más y más d e s u s átomos c o n s tituyentes experimentan colisiones violentas y pierden sus e l e c t r o n e s . P o r último, l a t e m p e r a t u r a s u b e l o s u f i c i e n t e p a r a q u e c u a l q u i e r electrón q u e s e u n a a u n núcleo s e a d e s a l o j a d o con rapidez. E ngeneral, u n a temperatura relativamente baja (unos pocos miles d e grados) es suficiente para producir u n plasma bastante bueno, y a u n a temperatura d e 1 0 millones d e g r a d o s (más o m e n o s u n a décima p a r t e d e l a t e m p e r a t u r a e n e l c e n t r o d e l S o l ) , n o h a y e n l a m a t e r i a ningún electrón l i g a d o . E l U n i v e r s o e s t a b a a l a más a l t a d e e s t a s t e m p e r a t u r a s u n o s c i e n t o s d e m i l e s d e años después d e l B i g B a n g y s e e n frió h a s t a l a más b a j a a n t e s d e t e n e r u n millón d e años d e e d a d . L a conversión d e l p l a s m a e n átomos e r a c o m p l e t a c u a n d o e l año galáctico tenía 3 0 m i n u t o s ; t o d o e l r e s t o d e l año hasta e lm o m e n t o actual —^virtualmentela v i d a entera del U n i v e r s o — l o o c u p a l a e r a p r e s e n t e , l a última e t a p a e n e l d e s a r r o l l o d e l B i g B a n g . A u n q u e ésta e s c o n m u c h o l a e r a más l a r 24

LAS EDADES DEL UNIVERSO

g a d e l año galáctico, e s también e l período m e n o s i n t e r e s a n t e p a r a l o s científicos. N o e s q u e n o s u c e d a n a d a d u r a n t e e s t a e t a p a final, y aq u e e s e n t o n c e s c u a n d o s e f o r m a n las estrellas, aparecen los planetas y se desarrolla l avida. E sque justamente c o n o c e m o s a partir d e u n a e x p e r i e n c i a d ep r i m e r a m a n o las leyes d e l a naturaleza que producen estos efectos y , a u n q u e quedan cantidad d e preguntas importantes p o r responder acerca d elos procesos que tienen lugar, alguien que quiera reflexionar acerca d e cuestiones fundamentales centra, c o m o es n a t u r a l , s u atención e n l a p r i m e r a m e d i a h o r a d e l año galáct i c o . E s allí, e n e l c o m i e n z o m i s m o d e l U n i v e r s o , d o n d e l o s nuevos conocimientos aguardan para ser descubiertos.

El estado actual del Universo, por l otanto, estuvo preced i d o p o r l a "congelación" d e l p l a s m a c a l i e n t e e n u n c o n j u n t o d e átomos, m e n o s d e u n millón d e años después d e l B i g B a n g , h a c e c a s i 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años. P a r a l a m a y o r p a r t e d e l a m a t e r i a , e s t e n u e v o e s t a d o atómico f u e t r a n s i t o r i o , y a q u e p o c o después d e o c u r r i r e s t a congelación, empezó o t r o proceso natural. Bajo lainfluencia d e l a gravedad, la materia e n expansión empezó a a g r u p a r s e . E s t o s a g r e g a d o s formarían más t a r d e l a s g a l a x i a s . E n c a d a u n o d e e l l o s , l a f u e r z a d e g r a v e d a d proseguía s u acción y atraía g r a n d e s n u b e s d e g a s p a r a formar nebulosas. A u n q u e e lm o v i m i e n t o global era d e expansión u n i v e r s a l , a e s c a l a l o c a l l a m a t e r i a s e a g r u p a b a d e b i d o a l a f u e r z a d e atracción g r a v i t a t o r i a . C u a n d o s e a c u m u l a b a s u f i c i e n t e m a t e r i a e n u n p u n t o , s u atracción g r a v i t a t o r i a c o m b i n a d a atraía l a q u e había a s u a l r e d e d o r , y l a adición d e n u e v a m a t e r i a i n c r e m e n t a b a l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a y atraía aún más cantidad d e ella. A l a u m e n t a r la m a s a del c u e r p o ( u n a protoest r e l l a ) , l a m a t e r i a s e comprimía y s e c a l e n t a b a e n u n a e s p e c i e d e repetición a l a i n v e r s a d e l a expansión después d e l B i g B a n g , a u n q u e e s t a v e z l a e s c e n a tenía l u g a r a e s c a l a l o c a l e n lugar d e universal. M u c h o antes d e que l a temperatura e n e l centro d e lcuerpo alcanzara e l p u n t o e n q u e se inician las r e a c c i o n e s d e fusión p a r a c r e a r u n a v e r d a d e r a e s t r e l l a , l a s c o l i s i o n e s atómicas habían a d q u i r i d o d e n u e v o l a s u f i c i e n t e v i o l e n c i a p a r a d e s p o j a r a l o s átomos d e l o s e l e c t r o n e s a c a b a d o s 25

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

de adquirir y v o l v e r a crear e l estado d e plasma. E n cierto m o d o , e s e p r o c e s o d e c o l a p s o g r a v i t a t o r i o y destrucción atóm i c a deshacía e l p r o c e s o d e formación atómica q u e había t e n i d o l u g a r e n l a transición h a c i a l a e t a p a f i n a l d e l B i g B a n g . E n c o n s e c u e n c i a , l a m a y o r p a r t e d e átomos sólo p o s e y e r o n e l e c t r o n e s d u r a n t e u n c o r t o período d e t i e m p o , t a l v e z m e n o s d e u n millón d e años, e n t r e e l m o m e n t o e n q u e e l B i g B a n g s e h u b o e n f r i a d o l o s u f i c i e n t e p a r a q u e l o s átomos p u d i e r a n s o b r e v i v i r a l a s c o l i s i o n e s y e l m o m e n t o e n q u e e s o s átomos s e i n c o r p o r a r o n a l a s e s t r e l l a s todavía e n formación.

E n e l capítulo s i g u i e n t e d i s c u t i r e m o s c o n d e t a l l e u n o d e l o s p r o b l e m a s más s o r p r e n d e n t e s y d u r a d e r o s a s o c i a d o s a l a c o s mología d e l B i g B a n g . V e r e m o s q u e l a formación d e g a l a x i a s y estrellas, c o n l a v u e l t a consiguiente d e u n a b u e n a parte d e la m a t e r i a d e l U n i v e r s o a l estado d e p l a s m a , n o p u d o h a b e r o c u r r i d o h a s t a q u e l a explosión i n i c i a l s e e n f r i a r a l o s u f i c i e n t e p a r a p e r m i t i r , e n p r i m e r l u g a r , l a formación d e l o s átomos.

U n a v e z o c u r r i d o e s t o , e s r e l a t i v a m e n t e fácil c a l c u l a r e l t i e m p o q u e tardó l a acreción y a g r u p a m i e n t o d e l a m a t e r i a . H a s t a h a c e m u y p o c o n o h a h a b i d o u n a explicación a c e p t a d a e n g e n e r a l d e cómo s e p u d i e r o n f o r m a r l a s g a l a x i a s c o n l a s u f i c i e n t e r a p i d e z p a r a d a r razón d e l U n i v e r s o q u e o b s e r v a m o s h o y . P a r e c e s e r q u e , c u a n d o l o s átomos s e f o r m a r o n a p a r t i r d e l p l a s m a , la materia y a estaba extendida d e m a n e r a demasiado ten u e p a r a q u e e l p r o c e s o d e acreción galáctica p u d i e r a t e n e r l u g a r c o m o h e m o s d e s c r i t o . L a i m p o r t a n t e transición q u e o c u rrió u n o s 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g , a u n q u e e s fácil d e d e s c r i b i r y d e i m a g i n a r , e s más c o m p l i c a d a d e l o q u e p a rece a p r i m e r a vista. V o l v e r e m o s sobre este p u n t o e ne l curso del libro.

NÚCLEOS L a e t a p a d e l a v i d a d e l U n i v e r s o , q u e terminó c o n l a f o r mación d e l o s átomos 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g , t u v o s u génesis e n l o s h e c h o s q u e s u c e d i e r o n sólo 3 ó 4 m i 26

LAS EDADES DEL U N I V E R S O

ñutos después d e l m o m e n t o d e l a creación. También a p a r e c e aquí l a s e c u e n c i a d e c a m b i o súbito s e g u i d o d e u n l a r g o períod o d e relativa q u i e t u d q u e v i m o s antes. Entre lasedades d e 3 m i n u t o s y 5 0 0 . 0 0 0 años, e l U n i v e r s o e s t a b a f o r m a d o p o r u n p l a s m a e n expansión s i n ningún átomo. L o s núcleos e n e l p l a s m a e r a n p r o t o n e s ( e l núcleo d e u n átomo o r d i n a r i o d e h i drógeno), d e u t e r o n e s ( u n t i p o d e núcleo d e hidrógeno c o n s t i t u i d o p o r u n protón y u n neutrón), h e l i o 3 ( d o s p r o t o n e s y u n neutrón, q u e s e r e p r e s e n t a d e m a n e r a u s u a l p o r ^ H e ) , y h e lio 4 (dos protones y dos neutrones, que serepresenta p o r "He).

T o d o s l o s demás núcleos, c o m o y a m e n c i o n a m o s a n t e s , s e s i n t e t i z a r o n e n l a s e s t r e l l a s después d e l a formación d e l a s g a laxias.

H a s t a u n o s 3 m i n u t o s después d e l B i g B a n g , l a t e m p e r a t u r a era t a n alta y las colisiones e nel p l a s m a t a n v i o l e n t a s , q u e ningún núcleo podía p e m i a n e c e r c o h e s i o n a d o . C u a l q u i e r núc l e o q u e s e h u b i e r a f o r m a d o a n t e s d e e s t e m o m e n t o habría q u e d a d o destrozado e n estas colisiones. P o r l o tanto, d e l a m i s m a f o r m a q u e l o s átomos n o p u e d e n h a b e r e x i s t i d o h a s t a t r a n s c u r r i d o s 5 0 0 . 0 0 0 años d e s d e e l m o m e n t o d e l a creación, l o s núcleos t a m p o c o p u e d e n h a b e r e x i s t i d o h a s t a después d e 3 m i n u t o s . L a razón física p a r a a m b a s s i t u a c i o n e s e s s i m i l a r : hasta los m o m e n t o s indicados, la temperatura del U n i v e r s o era t a n a l t a q u e l a s c o l i s i o n e s podían r o m p e r l o s e n l a c e s q u e d e o t r a f o r m a h u b i e r a n m a n t e n i d o j u n t a s l a s r e s p e c t i v a s partículas constituyentes.

L a temperatura a los 3 m i n u t o s era d e unos m i l millones d e g r a d o s , a l g o m e n o s d e c i e n v e c e s más c a l i e n t e q u e l a t e m p e r a t u r a e n e l c e n t r o d e l S o l . P e r o s i l a transición d e p l a s m a a átomos n o ocurrió d e r e p e n t e , s i n o a l o l a r g o d e u n período d e t i e m p o , l a transición a n t e r i o r d e p r o t o n e s y n e u t r o n e s a núc l e o s f u e a l g o c o m p l i c a d a . Además d e l a s r a z o n e s d e b i d a s a l a n a t u r a l e z a d i f u s a d e l a conversión plasma-átomos d i s c u t i d a e n l a sección a n t e r i o r , h a y u n a d i f i c u l t a d a d i c i o n a l a s o c i a d a c o n e l h e c h o d e q u e e l p r o c e s o d e nucleosíntesis, l a formación d e núcleos, i m p l i c a u n a s e r i e d e p a s o s según u n a s e c u e n c i a e s pecial.

27

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

Para c o m p r e n d e r l o q u e esto significa, i m a g i n e m o s u n conjunto d ep r o t o n e s y neutrones a alta temperatura. U n p r o tón y u n neutrón p u e d e n c o l i s i o n a r y f o r m a r u n deuterón. S i e s t e núcleo v i v e l o s u f i c i e n t e p a r a c h o c a r c o n o t r o protón, p o dría f o r m a r s e u n núcleo d e ^ H e , s e g u i d o d e " H e después d e o t r a colisión. P o r d e s g r a c i a , e l deuterón e s e l eslabón frágil d e e s t a c a d e n a . E s e l núcleo c o n l a unión más débil d e t o d o s e l l o s y p o r t a n t o e l más s u s c e p t i b l e d e r o m p e r s e e n u n a c o l i sión c o n c u a l q u i e r a d e l a s partículas o c o n l a radiación e n e l p l a s m a . P o r l o t a n t o , e l p r i m e r p a s o d e l a c a d e n a , l a formación d e u n deuterón e s t a b l e , n o ocurrirá h a s t a q u e l a t e m p e r a t u r a esté m u y p o r d e b a j o d e l p u n t o e n q u e t a n t o e l ^ H e c o m o e l " H e s o n estables. U n av e z l a t e m p e r a t u r a h u b o descendido p o r d e b a j o d e e s t e n i v e l , a l g o m e n o s d e 4 m i n u t o s después d e l a creación, e l r e s t o d e l o s p a s o s s e s u c e d i e r o n rápidamente y p r o n t o s e formó l a m e z c l a d e núcleos q u e caracterizó e l U n i v e r s o d u r a n t e l o s 5 0 0 . 0 0 0 años s i g u i e n t e s .

PARTÍCULAS E L E M E N T A L E S

í

P o d e m o s r e p r e s e n t a r l a evolución d e l U n i v e r s o d e s d e l a marca d e los3 m i n u t o s hasta e l m o m e n t o actual mediante e l tipo d e proceso esquematizado e n l a figura 3 . H a y largos p e ríodos e n q u e t a n t o e l t i p o d e m a t e r i a p r e s e n t e c o m o l o s p r o c e s o s físicos q u e t i e n e n l u g a r n o c a m b i a n . D e s d e n u e s t r a v e n t a j o s a posición a c t u a l p o d e m o s m i r a r atrás h a c i a u n a m e s e t a d o m i n a d a p o r l a expansión u n i v e r s a l . C u a n t o más h a c i a atrás m i r a m o s , más c a l i e n t e a p a r e c e e l U n i v e r s o , p e r o éste e s e l único c a m b i o q u e n o t a m o s h a s t a q u e n u e s t r a v i s t a s e e n c u e n t r a c o n e l escalón b r u s c o s i t u a d o a l r e d e d o r d e l o s 5 0 0 . 0 0 0 años. S u p e r a d o e s t e escalón, e n c o n t r a m o s o t r a m e s e t a a n t e n o s o t r o s , q u e c o r r e s p o n d e a u n p l a s m a c a d a v e z más d e n s o y c a l i e n t e . Ésta t e r m i n a c o n o t r o a b r u p t o escalón a l r e d e d o r d e l o s 3 ó 4 m i n u t o s , c u a n d o t i e n e l u g a r l a nucleosíntesis.

S i a m p l i a m o s n u e s t r a inspección a l t e r r i t o r i o s i t u a d o más allá d e l a m a r c a d e l o s 3 m i n u t o s , l a situación s e v u e l v e u n 28

LAS EDADES DEL UNIVERSO

0,001 seg Plasma y núcleos

|

3 min Atomos Presente

500.000 años Fig.

3

p o c o m e n o s sencilla. H a y m u c h o s procesos q u e p u e d e n tener lugar a temperaturas m u y elevadas, cada u n o con s u propia t e m p e r a t u r a característica d e iniciación y c o n s u e f e c t o c a r a c terístico s o b r e e l U n i v e r s o c o m o u n t o d o . A l r e t r o c e d e r más allá d e l a m a r c a d e l o s 3 m i n u t o s , y a n o e n c o n t r a m o s u n a m e seta, sino u n a serie d ecolinas y valles tal c o m o s e m u e s t r a a l a d e r e c h a d e l a f i g u r a 3 . S i u n a elevación e n p a r t i c u l a r d e j a d e s e r u n a p r o t u b e r a n c i a d e l am e s e t a y s e convierte o n o e n u n escalón d e transición h a c i a u n a n u e v a e r a , e s sólo u n a cuestión d e semántica. P a r a n u e s t r o s propósitos, r e s e r v a r e m o s términos c o m o etapa, era, transición y cannbio abrupto p a r a aquellos acontecimientos e nlos que l a materia o las fuerzas, que gobieman s ucomportamiento aparezcan d e una forma f u n d a m e n t a l m e n t e n u e v a . P o r l o t a n t o , l a formación d e átom o s marca e lc o m i e n z o d eu n a n u e v a era para nosotros, pero l a formación d e g a l a x i a s , n o .

Segiín e s t o s términos, l a próxima transición v e r d a d e r a o c u rrirá a n t e s d e 0 , 0 0 1 s e g u n d o s , ó 1 m i l i s e g u n d o , después d e l Big Bang. Sin embargo, e l tiempo entre 0,001 segundos y 3 m i n u t o s está l e j o s d e s e r p o b r e e n a c o n t e c i m i e n t o s . R e p r e s e n t a e l período e n q u e e l U n i v e r s o está d o m i n a d o p o r l a s i n t e r 29

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

a c c i o n e s d e l a s partículas e l e m e n t a l e s * . A l g u n o s d e l o s p r o c e s o s q u e h a c e n s u aparición d u r a n t e e s t a e r a s o n e j e m p l o s i m portantes d e l oq u e i r e m o s v i e n d o a m e d i d a q u e nos acerquem o s a l c o m i e n z o , p o r l o q u e d a r e m o s aquí u n b r e v e r e s u m e n de ellos.

E n e l último análisis, t o d o s l o s a c o n t e c i m i e n t o s i m p o r t a n t e s a c a e c i d o s d u r a n t e l a e r a d e l a s partículas d e p e n d e n d e l a p o s i b i l i d a d d e i n t e r c a m b i o d e l a m a s a y l a energía, implícita e n l a f a m o s a fórmula d e E i n s t e i n E = me?. E s t a fórmula i n d i c a q u e s i t e n e m o s energía s u f i c i e n t e , p o d e m o s c r e a r m a t e r i a a partir d e ella y , a l a i n v e r s a , q u e si t e n e m o s m a t e r i a , e s p o s i b l e c o n v e r t i r l a e n energía. A m b o s a s p e c t o s d e e s t a ecuación s e c o m p r u e b a n a d i a r i o e n i n s t a l a c i o n e s d e a l t a tecnología, c o n l a conversión d e energía e n partículas m a t e r i a l e s e n l o s a c e l e r a d o r e s y c o n l a conversión d e m a s a e n energía e n l o s r e a c tores. E n realidad, es m u y posible que l a electricidad usada para generar l aluz q u e e l lector e m p l e a para leer este libro se h a y a o r i g i n a d o e n l a conversión d e m a t e r i a e n energía e n u n reactor nuclear cercano.

Desintegración del neutrón U n neutrón a i s l a d o e n e l e s p a c i o , s i n n i n g u n a i n t e r f e r e n c i a e x t e r i o r , s e desintegrará. E n l u g a r d e l neutrón o r i g i n a l v e r e m o s u n protón, u n electrón y u n a partícula s i n m a s a , eléctricament e n e u t r a , l l a m a d a n e u t r i n o . D e c i m o s q u e e l neutrón s e " d e s i n t e g r a " e n e s t a s o t r a s partículas, y e s c r i b i m o s l a reacción simbólicamente como: . • :•• : p + e + V

>

d o n d e l a letra griega v (nu) representa e l neutrino.

* En el libro L o s t r e s p r i m e r o s m i n u t o s d e l U n i v e r s o de Steven Weinberg se presenta con mucho detalle una excelente discusión sobre este período del Big Bang.

30

LAS EDADES DEL UNIVERSO

L o q u e h a c e p o s i b l e e s t a desintegración e s e l h e c h o d e q u e l a m a s a d e l neutrón e s l i g e r a m e n t e s u p e r i o r a l a s m a s a s c o m b i n a d a s d e l protón y d e l electrón. E l e x c e s o d e m a s a s e c o n v i e r t e e n energía, energía q u e está a s o c i a d a a l m o v i m i e n t o d e l o s t r e s p r o d u c t o s finales d e l a desintegración. P u e s t o q u e e l término a n t i g u o u s a d o p a r a l o s e l e c t r o n e s p r o d u c i d o s e n r e a c c i o n e s d e partículas y n u c l e a r e s e s rayo beta, e s t e p r o c e s o s e l l a m a a v e c e s desintegración b e t a d e l neutrón. E s t a r e a c ción también p u e d e fijncionar a la inversa: u n neutrino energético p u e d e g o l p e a r u n protón y p r o d u c i r u n neutrón y u n a partícula d e c a r g a p o s i t i v a , o p u e d e g o l p e a r u n neutrón y p r o d u c i r u n protón y u n electrón. T o d o l o q u e s e r e q u i e r e e s q u e e l n e u t r i n o t e n g a s u f i c i e n t e energía p a r a p r o d u c i r l a s m a s a s a d i c i o n a l e s d e l a s partículas finales*.

E n l a s p r i m e r a s e t a p a s d e l a e r a d e l a s partículas, a n t e s d e l final del primer segundo, la temperatura e r a suficientemente e l e v a d a y l a s c o l i s i o n e s s u f i c i e n t e m e n t e energéticas p a r a q u e los neutidnos convirtieran protones e n neuti-ones y neutrones e n p r o t o n e s c o nigual facilidad. S i n e m b a r g o , a lbajar l a t e m p e r a t i j r a , dejó d e e s t a r d i s p o n i b l e l a energía n e c e s a r i a p a r a convertir p r o t o n e s e n n e u t r o n e s , p o r l oq u e l o sp r i m e r o s e m p e z a r o n a s e r más a b u n d a n t e s . A m e d i d a q u e avanzó l a e r a , l o s n e u t i ' o n e s e m p e z a r o n a d e s i n t e g r a r s e , l o q u e r e d u j o aún más s u a b u n d a n c i a r e s p e c t o a l o s p r o t o n e s e s t a b l e s . A l o s 3 m i n u t o s , había sólo u n a s e x t a p a r t e d e n e u t r o n e s r e s p e c t o a l o s p r o t o n e s y a l a m e d i a h o r a , t o d o s l o s n e u f i - o n e s s e habían d e s i n t e g r a d o o f o r m a b a n p a r t e d e núcleos.

Aniquilación de partículas E n l a s i g u i e n t e sección v e r e m o s q u e p a r a c a d a partícula d e l U n i v e r s o e s p o s i b l e p r o d u c i r u n a antipartícula. L a partícula y l a antipartícula tienen l a m i s m a m a s a , p e r o t o d a s s u s demás • Los expertos notarán que estoy usando el término n e u t r i n o de una forma amplia para referirme tanto a los neutrinos como a los antineutñnos. L a distinción no es importante para esta discusión.

31

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

características s o n o p u e s t a s . L a antipartícula d e l electrón s e l l a m a positrón. T i e n e l a m i s m a m a s a q u e e l electrón p e r o u n a c a r g a eléctrica p o s i t i v a . S i u n electrón y u n positrón s e e n c u e n t r a n , e x p e r i m e n t a n u n p r o c e s o l l a m a d o aniquilación. L a s partículas d e s a p a r e c e n e n u n a explosión d e energía q u e , e n e l c a s o d e l electrón «y e l positrón, t o m a l a f o r m a d e u n a radiación intensa.

Resultará útil i m a g i n a r l a radiación e n l a e r a d e l a s partículas (p. ej., r a y o s X o r a y o s g a m m a ) c o m o s i e s t u v i e r a c o m p u e s t a p o r u n o s o b j e t o s s e m e j a n t e s a partículas l l a m a d a s f o t o n e s . U n a d e l a s características d e l a física m o d e r n a e s e l h e c h o d e q u e y a n o es necesario pensar q u e h a y u n a distinción lógica p r o f u n d a e n t r e partículas c o m o e l electrón y l a s ' o n d a s q u e f o r m a n l a radiación. T a n t o l a s partículas c o m o l a radiación m u e s t r a n t e n e r p r o p i e d a d e s p a r e c i d a s a n i v e l s u b atómico, y l a cuestión d e s i d e b e m o s r e p r e s e n t a r l a s c o m o a g r e g a d o s d e m a t e r i a o c o m o o n d a s e s m a y o r m e n t e u n a cuestión d e c o n v e n i e n c i a . S i c o n s i d e r a m o s l a radiación c o m p u e s t a d e partículas, l a aniquilación electrón-positrón s e p u e d e r e p r e s e n t a r c o m o e n l a f i g u r a 4 , e n l a q u e d e s a p a r e c e n l a s partículas y d o s f o t o n e s t o m a n s u l u g a r . L a m a s a d e l a s partículas s e h a c o n v e r t i d o e n l a energía d e l o s f o t o n e s . E l p r o c e s o i n v e r s o , e n e l q u e u n fotón g o l p e a algún t i p o d e b l a n c o y p r o d u c e u n p a r electrón-positrón ( f i g . 5 ) , e s también p o s i b l e s i e l fotón t i e n e s u f i c i e n t e energía. P o r t a n t o , p o d e m o s c o n s i d e r a r q u e l o s p r o c e s o s r e p r e s e n t a d o s e n las f i g u r a s 4 y 5 p r o d u c e n u n a e s p e c i e d e e q u i l i b r i o dinámico e n e l U n i v e r s o . C a d a v e z q u e d e s a p a r e c e u n p a r a través d e l p r o c e s o d e aniquilación, s e c r e a o t r o

Fig.

32

4

FIg.

5

LAS EDADES DEL UNIVERSO

p a r e n algún o t r o s i t i o m e d i a n t e u n fotón energético. Después de l a marca d e los 1 0 segundos, sin embargo, deja d e haber s u f i c i e n t e energía p a r a r e e m p l a z a r l o s p a r e s q u e s e a n i q u i l a n , y los electrones y positrones e m p i e z a n a desaparecer a pares.

L a energía p r o d u c i d a p o r e s t a aniquilación p r o d u c e u n a a b e rración momentánea e n e l B i g B a n g : p r o v o c a u n l i g e r o a u m e n t o d e l a t e m p e r a t u r a i n c l u s o d u r a n t e l a expansión. L a a n i quilación p r o s i g u e h a s t a q u e d e s a p a r e c e t o d a l a a n t i m a t e r i a y e l U n i v e r s o a c t u a l , d o n d e sólo e x i s t e n e l e c t r o n e s e n a b u n d a n c i a , e m e r g e . L a cuestión d e p o r qué habría más m a t e r i a q u e a n t i m a t e r i a e s m u y difícil y l a a b o r d a r e m o s e n e l capítulo s i guiente.

Creación de partículas

^

' ; ;Í

H a s t a a h o r a sólo h e m o s h a b l a d o d e partículas q u e s o n más o m e n o s f a m i l i a r e s : p r o t o n e s , n e u t r o n e s y e l e c t r o n e s . S i n embargo, si empezamos a explorar e ltiempo anterior a 0,01 s e g u n d o s , e n c o n t r a r e m o s u n m u n d o m u y extraño. E n e s e p e ríodo, l a energía d e l o s f o t o n e s e s s u f i c i e n t e p a r a q u e l o s p r o c e s o s d e creación d e partículas d e l t i p o d i s c u t i d o p a r a l o s e l e c t r o n e s y p o s i t r o n e s p u e d a n p r o d u c i r también m u c h o s o t r o s t i p o s d e partículas. P a r a p o n e r u n e j e m p l o f a m i l i a r , habrá r e a c c i o n e s e n l a s q u e s e producirán p r o t o n e s y a n t i p r o t o n e s e n l a s i n t e r a c c i o n e s q u e c o m p r e n d a n f o t o n e s . S e crearán t o d o s l o s c e n t e n a r e s d e partículas e l e m e n t a l e s q u e h a n s i d o d e s c u b i e r t a s e n l a s últimas décadas. T o d a s e s t a s partículas s o n i n e s t a b l e s , y t o d a s s e d e s i n t e g r a n c o n m u c h a más r a p i d e z q u e e l neutrón. E n c o n s e c u e n c i a , p a r a c a d a e s p e c i e s e alcanzará u n e q u i l i b r i o e n t r e e l ritmo d e producción m e d i a n t e c o l i s i o n e s y e l ritmo d e desintegración. L o s teóricos d e l a s a l t a s energías q u e t i e n e n inclinación a h a c e r l o p u e d e n d i v e r t i r s e ( y l o h a c e n ) e n c a l c u l a r l a demografía d e t a l l a d a d e l U n i v e r s o d u r a n t e e s t a f a s e d e expansión. P a r a n u e s t r o s propósitos, d i r e m o s s i m p l e m e n t e q u e , a u n q u e e n e s t e período a p a r e c e n m u c h o s t i p o s n u e v o s d e partículas, n i n g u n a e s d i s t i n t a d e m a n e r a f u n d a 33

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

m e n t a l d e l a s partículas más c o r r i e n t e s q u e h e m o s e n c o n t r a d o .

P o r t a n t o , s u aparición n o c o n s t i t u y e u n a n u e v a e r a e n e l s e n t i d o e n q u e e s t a m o s u s a n d o e l término, s i n o s i m p l e m e n t e u n a proliferación d e l o s t i p o s y a e x i s t e n t e s . E n c u a l q u i e r c a s o , d e s pués d e 0 , 0 1 s e g u n d o s , t o d a s e s t a s partículas s e d e s i n t e g r a n rápidamente e n d i v e r s a s c o m b i n a c i o n e s d e p r o t o n e s , n e u t r o nes, electrones, positrones, fotones y neutrinos.

LAS

REGLAS DEL JUEGO

A f i n a l e s d e l o s años 7 0 , l a e r a d e l a s partículas constituía e l límite d e n u e s t r a visión r e t r o s p e c t i v a . L a razón d e q u e f u e r a así n o e s difícil d e d e s c u b r i r . P o s e e m o s l a c a p a c i d a d tecnológ i c a p a r a p r o d u c i r e n n u e s t r o s l a b o r a t o r i o s t o d o s l o s fenómenos que h e m o s encontrado hasta ahora. Los electrones son a r r a n c a d o s d e l o s átomos e n l a s c h i s p a s eléctricas n o r m a l e s y , e n los laboratorios dedicados a l desarrollo d e reactores d ef u sión, s e e s t u d i a n d e f o r m a r u t i n a r i a p l a s m a s a g r a n e s c a l a .

D e s d e e l s i g l o XIX h e m o s o b s e r v a d o l a desintegración d e núc l e o s e n l a n a t u r a l e z a y d e s d e l o s años 3 0 h e m o s t e n i d o l a c a p a c i d a d d e r o m p e r y v o l v e r a u n i r núcleos. E l rápido d e s a r r o l l o d e l o s a c e l e r a d o r e s d e partículas a p a r t i r d e l o s años c i n c u e n t a n o s h a p e r m i t i d o p r o d u c i r partículas e l e m e n t a l e s y estudiarías a p l a c e r . E s t e e s t u d i o h a s i d o u n a d e l a s áreas príncipales d e t r a b a j o d e l a física m o d e r n a .

G r a c i a s a e s t e t i p o d e tecnología, n o t e n e m o s q u e a d i v i n a r l o q u e sucederá c u a n d o u n protón, q u e s e m u e v e a u n a v e l o c i d a d d e t e r m i n a d a , c h o q u e c o n u n deuterón d u r a n t e e l b r e v e período d e nucleosíntesis e n e l m i n u t o 3 . P o d e m o s p r o d u c i r u n protón c o n e s a v e l o c i d a d y d e j a r q u e c h o q u e c o n u n deuterón e n n u e s t r o l a b o r a t o r i o y v e r l o q u e s u c e d e . L a m i s m a observación e s válida e n l o q u e r e s p e c t a a l c o m p o r t a m i e n t o d e l a s partículas e l e m e n t a l e s . T o d a s l a s p r o p i e d a d e s d e l a matería y d e l a radiación e n e l U n i v e r s o d e s d e l a m a r c a d e 0 , 0 0 1 s e g u n d o s h a s t a e l m o m e n t o a c t u a l p u e d e n descubrírse (por l om e n o s e n principio) e n e l laboratorio.

34

LAS EDADES DEL UNIVERSO

S i n e m b a r g o , desde los 0,001 segundos hasta e l m o m e n t o d e l a creación y a n o t e n e m o s e s t a v e n t a j a . L a s t e m p e r a t u r a s i m p l i c a d a s s o n t a n a l t a s y l a energía d e l a s partículas e s t a n g r a n d e q u e n o p o d e m o s reproducirías e n e l l a b o r a t o r i o , y e s b a s t a n t e p r o b a b l e q u e n o p o d a m o s hacerío d u r a n t e l a v i d a d e n i n g u n o d e los lectores d e este libro. P o r l otanto, los 0 , 0 0 1 segundos marcan u npunto d e cambio m u y importante e n n u e s t r o análisis d e l o s p r o c e s o s q u e s i g u i e r o n a l B i g B a n g . A p a r t i r d e a h o r a , e x p l o r a r e m o s u n m u n d o t a n extraño y p o c o f a m i l i a r q u e n u e s t r a única guía serán n u e s t r a s i d e a s teórícas s o b r e e l c o m p o r t a m i e n t o d e l a m a t e r i a y l a energía.

Esto n osignifica q u e t e n g a m o s que a b a n d o n a r l a idea d e q u e l a teoría d e b e s u p e r a r c o m p r o b a c i o n e s e x p e r i m e n t a l e s a n t e s d e s e r a c e p t a d a . Después d e t o d o , éste e s u n o d e l o s d o g m a s centrales d e l a ciencia m o d e r n a . L oque encontrarem o s e s q u e l a s teorías q u e d e s a r r o l l e m o s n o s darán u n a i d e a m u y definida sobre e l comportamiento d el a materia y l a energía a a l t a s energías, y n o s permitirán e x t r a p o l a r y h a c e r p r e d i c c i o n e s a c e r c a d e c ó m o será l a m a t e r i a a energías a c c e s i b l e s p a r a n o s o t r o s . D e e s t a f o r m a , p o d e m o s c o m p r o b a r l a s teorías sin tener q u e reproducir lascondiciones reales del U n i v e r s o primitivo e n nuestros laboratorios.

A pesar del hecho d eque tenemos que avanzar por region e s d e energía y t e m p e r a t u r a q u e n o h e m o s e x p l o r a d o d e m a nera experimental y que probablemente n o podremos hacerlo n u n c a , aún p o d e m o s realizarío d e u n a m a n e r a q u e está e n a r monía c o n l a f o r m a tiradicional d e l tirabajo científico y q u e n o i n t i ^ o d u c e s i m p l e m e n t e hipótesis ad hoc p a r a e x p l i c a r l o q u e e n c o n t r a m o s . E s t e a s p e c t o d e l a cosmología m o d e r n a e s t a n i m p o r t a n t e e n e s t a época d e " c i e n c i a " c r e a t i v a q u e l o v a m o s a e s t a b l e c e r c o m o r e g l a básica ( R e g l a I ) .

Regla

I : L a s leyes d e la naturaleza q u eh a n regido e n c u a l q u i e r m o m e n t o d e s d e e l B i g B a n g rigen t o davía h o y y p u e d e n c o m p r e n d e r s e m e d i a n t e t e o rías c o m p r o b a b l e s e x p e r i m e n t a l m e n t e .

35

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

E l l e c t o r c o n i n c l i n a c i o n e s filosóficas reconocerá e n e s t a regla u n principio d e l a doctrina del uniformitarismo, q u e surgió d u r a n t e l o s d e b a t e s s o b r e l a evolución geológica e n e l s i glo XIX. N o e s u n p r i n c i p i o q u e p u e d a ser p r o b a d o d e l a m i s m a f o r m a e n q u e s e d e m u e s t r a u n t e o r e m a d e geometría, p e r o r e f l e j a u n m a r c o e l e m e n t a l i m p o r t a n t e e n l o s científicos.

S i e m p r e es posible "explicar" cualquier hecho conocido m e d i a n t e l a confección d e u n a teoría a s u m e d i d a . T a l e s e x p l i c a c i o n e s a b u n d a n e n t r e l o s c r e y e n t e s e n O V N I S y o t r o s fenómen o s p a r a n o r m a l e s , y t i e n e n l a m i s m a v a l i d e z e n física q u e l a s Just So Stories d e K i p l i n g e n biología. S i l a s teorías c o n v e n c i o n a l e s n o p u e d e n e x p l i c a r u n fenómeno d a d o , e n t o n c e s , p o r supuesto, p u e d e n resultar necesarias ideas p o c o c o n v e n c i o n a les. H a s t a e s e m o m e n t o , s e g u i r e m o s fieles a l a R e g l a I .

D e l m i s m o m o d o q u e n o v e m o s razón a l g u n a p a r a s u p o ner que e ne lUniverso primitivo se desarrollaran procesos n o h a b i t u a l e s , n o h a y razón p a r a p o s t u l a r u n a s c o n d i c i o n e s i n i c i a les especiales p a r a e l B i g B a n g . P o r e j e m p l o , v i m o s q u e d u r a n t e l a e r a d e l a s partículas l o s e l e c t r o n e s y l o s p o s i t r o n e s s e a n i q u i l a r o n m u t u a m e n t e h a s t a q u e sólo q u e d a r o n e l e c t r o n e s .

U n a f o r m a d e e x p l i c a d o sería s u p o n e r q u e había más e l e c t r o n e s q u e p o s i t r o n e s e n e l m o m e n t o d e l a creación. P e r o e s t o n o e s n i n g u n a explicación e n a b s o l u t o : s i m p l e m e n t e s u p o n e lo que se quiere probar. P o r l otanto, e n lugar d e establecer a l g u n a hipótesis a r b i t r a r i a , s u p o n d r e m o s q u e e n l a creación había i g u a l número d e p o s i t r o n e s y d e e l e c t r o n e s , y b u s c a r e m o s e n l a s l e y e s d e l a física l a explicación d e p o r qué llegó a h a b e r después más c a n t i d a d d e u n o s q u e d e o t r o s .

D e e s e m o d o llegamos a nuestra segunda regla.

•

R e g l a I I : N o s e p u e d e p o s t u l a r ningún t i p o d e c o n d i c i o n e s e s p e c i a l e s p a r a l a creación.

E s t a r e g l a desempeñará u n p a p e l i m p o r t a n t e e n n u e s t r a discusión s o b r e l o s p r o b l e m a s d e l a teoría d e l B i g B a n g e n e l capítulo s i g u i e n t e .

36

LAS EDADES DEL UNIVERSO

E l r e s t o d e l l i b r o estará d e d i c a d o a m o s t r a r c ó m o p o d e m o s u t i l i z a r l a s teorías d e s a r r o l l a d a s r e c i e n t e m e n t e s o b r e l a s partículas elementales para reconstruir e l B i g B a n g hasta u n tiemp o d e 1 0 ^ ^ s e g u n d o s después d e l a creación. E s t e d e s a r r o l l o tendrá l u g a r p o r e n t e r o d e n t r o d e l c o n t e x t o d e n u e s t r a s d o s reglas.

AVANCE D E LO Q U E VEREMOS P o d e m o s h a c e m o s u n a idea d e l oq u ee n c o n t r a r e m o s a l i r más allá d e l a e r a d e l a s partículas s i r e f l e x i o n a m o s s o b r e l o q u e h e m o s d e s c u b i e r t o h a s t a a h o r a . E n c a d a transición, t u v i m o s q u e c o m p r e n d e r d o s cosas, l a estructura d e las f o r m a s dominantes d e l a materia y lasfuerzas q u elas m a n t i e n e n c o h e s i o n a d a s . Sería i m p o s i b l e c o m p r e n d e r l a transición d e l o s 5 0 0 . 0 0 0 años, p o r e j e m p l o , s i n o supiéramos q u e l o s átomos están c o n s t i t u i d o s p o r e l e c t r o n e s y núcleos. D e f o r m a s i m i l a r , a m e n o s q u e c o m p r e n d a m o s l a f u e r z a eléctrica q u e m a n t i e n e l o s e l e c t r o n e s e n s u órbita, n o p o d e m o s s a b e r cuánto t i e n e que subir l atemperatura antes d eq u elascolisiones arranquen l o s e l e c t r o n e s d e l o s átomos. P o r l o t a n t o , u n a comprensión c o m p l e t a d e c u a l q u i e r o t r a transición e n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o r e q u i e r e q u e e s t u d i e m o s l a e s t r u c t u r a d e l a s partículas e l e m e n tales y las fuerzas f u n d a m e n t a l e s d el anaturaleza. E lobjeto d e l a s e g u n d a sección d e e s t e l i b r o será p r e c i s a m e n t e l a d e s c r i p ción d e l a s n u e v a s teorías s o b r e e s t o s t e m a s .

Mientras tanto, para excitar l a curiosidad d e l lector y darie ánimos p a r a c r u z a r l a f r o n t e r a d e l a física d e l a s partículas, l a t a b l a d e l a página s i g u i e n t e e s u n r e s u m e n d e l o q u e h e m o s a b a r c a d o h a s t a a h o r a y u n a o j e a d a a l o q u e vendrá. A l g u n o s d e l o s términos p u e d e n p a r e c e r d e m o m e n t o extraños o p o c o f a m i l i a r e s , p e r o a l a c a b a r e l l i b r o , l a t a b l a resultará c l a r a y comprensible.

Habría q u e a c l a r a r u n p u n t o s o b r e l a terminología e m p l e a d a e n l a t a b l a a n t e s d e c o n t i n u a r . H e e s t a d o u s a n d o e l término milisegundo d e u n a forma algo imprecisa para referirme a l 37

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Edad del Universo

Transición

500.000 años 3 minutos 0,001 segundos (1 milisegundo) 1 0 - ' ° segundos

Plasma a átomos Formación de nijcleos Formación de partículas a partir de quarks Unificación de las fuerzas débil y electromagnética Unificación de las fuerzas electrodébil y fuerte Unificación de todas las fuerzas Quarks y bosones se vuelven intercambiables Vacío a materia (?)

10"^

segundos

10"*^

segundos

7 0

Nombre de la era que sigue a la transición Actual (átomos) Plasma y núcleos Partículas Quarks Electrodébil GUT Simplicidad última. supersimetría Big Bang

m o m e n t o e n q u e e m p i e z a l a e r a d e l a s partículas. E n r e a l i d a d , el t i e m p o exacto e n q u eesto ocurre es objeto d e debate, c o m o v e r e m o s e n e l capítulo 9 . S a b e m o s q u e l a e r a d e l a s partículas n o había e m p e z a d o c u a n d o e l U n i v e r s o tenía u n a e d a d d e u n m i c r o s e g u n d o (10~* segundos) y estaba b i e n establecida a laedad d eu n m i l i s e g u n d o . Las mejores estimaciones a c t u a l e s sitúan s u p r i n c i p i o e n algún p u n t o e n t r e 0 , 0 1 y 0 , 0 0 1 m i l i s e g u n d o s (esdecir, entre 10"^ y 10~^ segundos). E n lugar de citar este r a n g o d e v a l o r e s cada vez q u e q u i e r a hablar d e l p r i n c i p i o d e l a e r a d e l a s partículas, usaré l o s términos milisegundos o primer milisegundo d e f o r m a a m p l i a p a r a r e f e r i r m e a l i n s t a n t e a l g o m a l d e f i n i d o e n q u e ocurrió e s t e p r o c e s o e n e l Universo primitivo.

3

Los problemas de la teoría del Big Bang Las rosas tier\en espinas y las fuentes de plata, y la úlcera nauseabunda crece dulcemente.

WILLIAM

lodo...

SHAKESPEARE

"Soneto

XXXV"

N i n g u n a teoría científica e s períecta. E n t o d a s h a y u n a p e queña área d e i n c e r t i d u m b r e , algún p r o b l e m a q u e n o h a s i d o r e s u e l t o . S i n o f u e r a así, c a s i n o valdría l a p e n a h a c e r c i e n c i a .

L o s p r o b l e m a s n o r e s u e l t o s s o n l o s f o c o s d e investigación y a m e n u d o a d q u i e r e n , p a r a e l científico, u n a i m p o r t a n c i a q u e v a m u c h o más allá d e l interés intrínseco q u e p u e d a n t e n e r . L a teoría d e l B i g B a n g n o e s n i n g u n a excepción a e s t a r e g l a . S e h a visto e n dificultades para explicar algunos aspectos d e l e s t a d o a c t u a l d e l U n i v e r s o e n términos d e l a s r e g l a s básicas e s t a b l e c i d a s e n e l capítulo 2 . C u a t r o d e e s t o s p r o b l e m a s p u e d e n considerarse fundamentales, e n e l sentido q u eimplican cuest i o n e s a c e r c a d e l o s p r o c e s o s básicos q u e t i e n e n l u g a r e n l a evolución d e l U n i v e r s o .

EL P R O B L E M A D E L A ANTIMATERIA E n 1932, Cari Anderson, que, e naquel tiempo, erau n jov e n m i e m b r o d eu n a facultad d e lC a l i f o m i a Institute o f Techn o l o g y , descubrió u n n u e v o t i p o d e partícula e n u n a p a r a t o q u e u t i l i z a b a p a r a e s t u d i a r l o s r a y o s cósmicos. E s t a partícula, b a u t i z a d a c o n e l n o m b r e d e positrón, t i e n e l a m i s m a m a s a q u e 39

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e l electrón, p e r o e n l u g a r d e c a r g a eléctrica n e g a t i v a , l a t i e n e positiva. Fue e l primer ejemplo d e antimateria que se v i o e n el laboratorio. P o r s u d e s c u b r i m i e n t o , A n d e r s o n fue galardon a d o c o n e l p r e m i o N o b e l d e física d e 1 9 3 6 , y pasó a s e r e l único h o m b r e q u e h a r e c i b i d o e l p r e m i o N o b e l a n t e s d e s e r profesor permanente d e s uUniversidad.

Y a h e m o s m e n c i o n a d o a l g u n a s d e l a s p r o p i e d a d e s más importantes d e la antimateria. Sabemos q u e se produce s u aniquilación c u a n d o e n t r a e n c o n t a c t o c o n m a t e r i a o r d i n a r i a , y q u e p u e d e c r e a r s e e n i n t e r a c c i o n e s energéticas e n t r e partícul a s e l e m e n t a l e s . S i t e n e m o s u n c o n j u n t o d e partículas y a n t i partículas a u n a t e m p e r a t u r a m u y a l t a , cabría e s p e r a r q u e s e estableciera u nequilibrio entre estos dos procesos: cada vez q u e u n p a r s e a n i q u i l a r a e n u n p u n t o , s e crearía o t r o p a r e n u n a colisión d i s t i n t a e n c u a l q u i e r o t r o p u n t o . S i n e m b a r g o , a l disminuir la temperatura, tiene que llegar a u n p u n t o e n e l que y a n o p u e d e p r o s e g u i r e l p r o c e s o d e creación, p u e s t o q u e n o h a y s u f i c i e n t e energía p a r a p r o d u c i r l a m a s a d e l p a r d e p a r tículas. E n e s t e p u n t o , d e s a p a r e c e e l e q u i l i b r i o , y sólo p r o s i g u e e l p r o c e s o d e aniquilación. C a d a v e z q u e u n a partícula s e e n c u e n t r a c o n u n a antipartícula, e l p a r d e s a p a r e c e y n o e s r e e m p l a z a d o . E s t o s i g u e así h a s t a q u e d e j a d e h a b e r p o s i b i l i d a d e s d e aniquilación p o r q u e s e h a n c o n s u m i d o t o d a s l a s p a r tículas ( o t o d a s l a s antipartículas).

T o m e m o s c o m o ejemplo u n a mezcla d e electrones y p o sitrones. S u p o n g a m o s que cuando l a temperatura desciende p o r d e b a j o d e l p u n t o d o n d e e s p o s i b l e l a creación, h a y 1 . 0 0 0 e l e c t r o n e s y 5 0 0 p o s i t r o n e s . C o m o e s n a t u r a l , tendrán l u g a r encuentros a l azar entre electrones y positrones, y cada enc u e n t r o provocará l a desaparición d e u n p a r d e l s i s t e m a . A l f i nal, t o d o s los 5 0 0positrones, c o n sus correspondientes elect r o n e s , s e habrán c o n v e r t i d o e n f o t o n e s y e l s i s t e m a sólo c o n tendrá l o s 5 0 0 e l e c t r o n e s r e s t a n t e s y radiación. E n e s t e p u n t o , y a n o será p o s i b l e n i n g u n a aniquilación más, p o r l a s i m p l e r a zón d e q u e y a n o q u e d a n más p o s i t r o n e s p a r a s e r a n i q u i l a d o s .

P o r l o t a n t o , l a composición final d e l s i s t e m a dependerá d e l número n e t o d e partículas ( e l número d e partículas m e n o s e l 40

LOS P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

número d e antipartículas) e n e l m o m e n t o e n q u e c e s e l a c r e a ción d e p a r e s .

D a d o q u e p a r a c a d a partícula e x i s t e l a c o r r e s p o n d i e n t e a n tipartícula, l o s p r o c e s o s d e creación y aniquilación q u e h e m o s d e s c r i t o p a r a e l p a r electrón-positrón p u e d e n o c u r r i r también e n e l c a s o d e o b - o s tipos d e partículas. P o r e j e m p l o , e x i s t e u n antiprotón, q u e tiene l a m i s m a m a s a q u e e l protón p e r o u n a c a r g a eléctrica n e g a t i v a ( e n l u g a r d e p o s i t i v a ) . L o s p a r e s p r o tón-antiprotón p u e d e n s e r c r e a d o s p o r f o t o n e s d e a l t a energía, y c u a n d o u n protón e n t i b a e n c o n t a c t o c o n u n antíprotón, e l p a r s e a n i q u i l a . S i n e m b a r g o , d a d o q u e l a m a s a d e l protón e s L 8 3 6 v e c e s l a d e l electrón, l a t e m p e r a t u r a d e l U n i v e r s o tiene q u e s e r muchísimo más a l t a p a r a p e r m i t i r l a creación d e p a r e s protón-antiprotón q u e p a r a e l m i s m o p r o c e s o c o n l o s p a r e s electrón-positrón. P o r l o t a n t o , a l e n f r i a r s e e l U n i v e r s o , l a t e m p e r a t u r a descenderá p o r d e b a j o d e l p u n t o e n q u e p u e d e n c r e a r s e p a r e s protón-antiprotón m u c h o a n t e s d e q u e a l c a n c e el p u n t o correspondiente para los electrones. P o r l o tanto, habrá u n a s e c u e n c i a d e a n i q u i l a c i o n e s d e s e q u i l i b r a d a s , c o r r e s p o n d i e n t e s a c a d a u n o d e l o s tipos d e p a r e s partícula-antipartícula q u e p u e d e n p r o d u c i r s e . L a última g r a n aniquilación, l a c o r r e s p o n d i e n t e a los electi-ones y posih'ones, t u v o lugar u n o s 1 3 m i n u t o s ( d e tiempo r e a l ) después d e l B i g B a n g .

S i n e m b a r g o , estos detalles del c o m p o r t a m i e n t o d e l a m a teria y l a antimateria e n e l U n i v e r s o primitivo n o s o n n i c o n m u c h o t a n i m p o r t a n t e s c o m o l o e s u n h e c h o c r u c i a l : después d e l c o m i e n z o d e l a e r a d e l a s partículas, n o e x i s t e ningún p r o c e s o c o n o c i d o q u e p u e d a c a m b i a r e l número n e t o d e partícul a s d e l m u n d o . T a n t o l a aniquilación c o m o l a creación a f e c t a n a p a r e s d e partículas y , p o r c a d a partícula q u e s e c r e a o d e s ti-uye, también tiene l u g a r e l p r o c e s o c o r r e s p o n d i e n t e p a r a u n a antipartícula. Así, c u a n d o e l U n i v e r s o tiene u n a e d a d d e u n milisegundo, queda fijado para siempre e l equilibrio entre m a t e r i a y a n t i m a t e r i a . T o d o l o q u e p u e d e s u c e d e r después d e e s t e i n s t a n t e e s q u e e l d r a m a d e l a aniquilación s i g a s u c u r s o tal c o m o h e m o s descrito.

U n o d e los h e c h o s sorprendentes del e n t o r n o terresh'e e s 41

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

l a n o t a b l e e s c a s e z d e l a a n t i m a t e r i a . P u e d e c r e a r s e pequeñas cantidades d e ella e n laboratorios especializados, p e r o toda l a a n t i m a t e r i a c r e a d a e n l a h i s t o r i a d e l a c i e n c i a n o llenaría u n d e d a l . N u e s t r o s satélites y s o n d a s i n t e r p l a n e t a r i a s h a n a t e r r i z a d o o h a n p a s a d o c e r c a d e l o s c u e r p o s más i m p o r t a n t e s d e n u e s t r o s i s t e m a s o l a r y h a n traído e l m i s m o v e r e d i c t o : n o h a y a n t i m a t e r i a . E l h e c h o d e q u e l o s módulos d e a t e r r i z a j e d e l V i king n o explotaran cuando tocaron l a superficie d e Marte es u n a p r u e b a p o s i t i v a d e q u e M a r t e está h e c h o d e m a t e r i a .

A u n q u e todavía n o p o d e m o s m a n d a r s o n d a s a g r a n d i s t a n cia f u e r a d e l S i s t e m a Solar, p o d e m o s , s i ne m b a r g o , t o m a r muestras del material d e nuestra galaxia mediante e l e x a m e n d e l o s r a y o s cósmicos. E s t o s r a y o s s o n partículas g e n e r a d a s e n e s t r e l l a s l e j a n a s , a c e l e r a d a s y l a n z a d a s a través d e l e s p a c i o , y que p o d e m o s identificar cuando p o r casualidad entran e n e l c o n t a d o r d e algún l a b o r a t o r i o t e r r e s t r e . L a m a y o r p a r t e d e l o s r a y o s cósmicos s o n p r o t o n e s o núcleos d e átomos l i g e r o s . L o s que se m u e v e n m e n o s deprisa se originan e n e l Sol, pero l a v a r i e d a d más energética p r o c e d e d e o t r a s p a r t e s d e l a g a l a x i a .

U n a pequeña fracción d e l o s r a y o s cósmicos s e m u e v e a u n a v e l o c i d a d t a n a l t a q u e podrían e s c a p a r s e d e n u e s t r a p r o p i a g a l a x i a , y s u p o n e m o s q u e p o r l o m e n o s a l g u n a s d e e s t a s partícul a s e x t r e m a d a m e n t e energéticas p u e d e n h a b e r e s c a p a d o d e galaxias lejanas y viajado hasta l a nuestra. P o r l otanto, a u n que estemos temporalmente encerrados e n l a vecindad d e nuestro espacio, recibimos constantemente visitantes del exterior. M e d i a n t e e l e s t u d i o d e e s t o s v i s i t a n t e s , p o d e m o s a p r e n d e r a l g o d e l a región d e d o n d e p r o c e d e n . E n l o q u e r e s p e c t a a l a cuestión d e l a m a t e r i a y l a a n t i m a t e r i a , e s t o s e s t u d i o s d a n u n r e s u l t a d o s i n n i n g u n a ambigüedad: n u e s t r a g a l a x i a y , m u y p r o b a b l e m e n t e , t o d a s l a s g a l a x i a s d e n u e s t r a región, están compuestas d e materia. Por l otanto, laTierra es u n ejemplo b a s t a n t e típico d e l o s g r a n d e s c u e r p o s d e l e s p a c i o . S ó l o e x i s t e m a t e r i a e n e l l a , c o n u n a ínfima c a n t i d a d d e a n t i m a t e r i a c r e a d a e n p r o c e s o s d e colisión n a t u r a l e s o a r t i f i c i a l e s . L a cuestión d e cómo e x p l i c a r e s t a a p a r e n t e f a l t a d e e q u i l i b r i o e n l a n a t u r a l e z a se c o n o c e c o m o p r o b l e m a d e l a a n t i m a t e r i a .

42

LOS P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

E l p r o b l e m a d e l a a n t i m a t e r i a sólo p u e d e r e s o l v e r s e d e d o s f o r m a s : o había u n a p r e p o n d e r a n c i a d e l a m a t e r i a s o b r e l a a n t i m a t e r i a c u a n d o e l B i g B a n g entró e n l a e r a d e l a s partículas, o bien l aantimateria d e l a galaxia se h asegregado d e alguna m a n e r a d e l a m a t e r i a y a l g u n a s d e l a s g a l a x i a s más l e j a n a s s o n , d e h e c h o , a n t i g a l a x i a s . S i r e a l m e n t e había u n d e s e q u i l i b r i o e ne lp u n t o d e 1 m i l i s e g u n d o , h a y dos f o r m a s e n q u e esto podía h a b e r s u c e d i d o : o e l U n i v e r s o empezó c o n más m a t e r i a q u e a n t i m a t e r i a , o h a y algún p r o c e s o e n e l período anteríor a l príncipio d e l a e r a d e l a s partículas q u e p r o d u j o más m a t e r i a q u e antimateria. V a m o s a e x a m i n a r estas posibilidades.

•' •," ' • ' L a antimateria ha quedado segregada Esta idea, propuesta por vez p r i m e r a p o r e lp r e m i o N o b e l s u e c o H a n n e s Alfvén, f u e m u y p o p u l a r d u r a n t e l o s años s e s e n t a y p r i n c i p i o s d e l o s s e t e n t a . S u versión más p o p u l a r e r a así: A l p r i n c i p i o d e l a e r a d e l a s partículas, e l U n i v e r s o e s t a b a realmente c o m p u e s t o p o r partes iguales d e materia y antimat e r i a , p e r o l a m e z c l a n o e r a u n i f o r m e . E r a más p a r e c i d a a u n a ensalada revuelta que a u n batido d eleche, c o n algunas partes q u e contenían más m a t e r i a q u e a n t i m a t e r i a y o t r a s q u e c o n t e nían j u s t o l o c o n t r a r i o . E n c a d a región p o r s e p a r a d o , e l p r o c e s o d e aniquilación eliminó l a s partículas m i n o r i t a r i a s y p r o d u j o u n a región d o n d e t o d o e r a m a t e r i a o t o d o a n t i m a t e r i a . E n l o s l i n d e s e n t r e r e g i o n e s d i f e r e n t e s , t u v o l u g a r u n p r o c e s o físico b i e n c o n o c i d o . L a s partículas y l a s antipartículas q u e c h o c a b a n e n t r e sí e n l o s l i n d e s d e l a s r e g i o n e s s e a n i q u i l a b a n , y producían u n f l u j o d e r a y o s g a m m a y X . E s t a radiación barría l i t e r a l m e n t e la m a t e r i a restante y l a a l e j a b a d e las r e g i o n e s c o l i n d a n t e s , e impedía así q u e l a aniquilación f u e r a más rápida. O c u r r e u n fenómeno s i m i l a r c u a n d o s e d e j a n c a e r g o t a s d e a g u a s o b r e u n a sartén c a l i e n t e . E n e s t e c a s o , l a evaporación d e l a g u a e n la parte inferior d e l a gota crea u n a capa d e vapor, l l a m a d a c a p a d e Leidenfrost, q u e aisla e lresto d el agota d el a p l a n c h a c a l i e n t e . D e e s t a f o r m a , l a g o t a d u r a m u c h o más t i e m p o d e l o 43

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

q u e cabría e s p e r a r . S u c e d e a l g o p a r e c i d o c u a n d o u n f a q u i r i n d i o c a m i n a s o b r e c a r b o n e s e n c e n d i d o s , sólo q u e , e n e s t e c a s o , l a transpiración e s l a q u e c r e a l a c a p a d e L e i d e n f r o s t . E n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o , cabría s u p o n e r l a formación d e u n a c a p a d e L e i d e n f r o s t e n t r e las r e g i o n e s d e m a t e r i a y las d e a n timatería, q u e r e t r a s a r a l a aniquilación f i n a l d e l a s d o s r e g i o nes.

H a s t a h a c e p o c o , n o p u d o r e f u t a r s e e s t a hipótesis, d a d o q u e l o s r a y o s g a m m a e m i t i d o s e n e l p r o c e s o d e aniquilación s o n a b s o r b i d o s p o r l a atmósfera y n o podían s e r d e t e c t a d o s p o r telescopios situados e n l a superficie terrestre. S i n embarg o , c o n e l a d v e n i m i e n t o d e l a astronomía d e r a y o s X m e d i a n t e c o h e t e s y satélites, p u d o s u p e r a r s e e s t a limitación. L a s o b s e r v a c i o n e s r e a l i z a d a s p o r e n c i m a d e l a atmósfera h a n i d e n t i f i c a d o , e nefecto, m u c h a s fuentes d erayos X e n e lcielo, p e r o ning u n a d e estas fuentes corresponde a l tipo d e lindes extensos q u e cabría e s p e r a r d e u n a c a p a d e L e i d e n f r o s t . C o n e s t o s e l l e g a a l a conclusión d e q u e n u e s t r a p r o p i a g a l a x i a y n u e s t r o cúmulo d e g a l a x i a s están c o m p u e s t o s p o r e n t e r o d e m a t e r i a .

P o r supuesto, n op o d e m o s excluir l aposibilidad d e que otros cúmulos d e g a l a x i a s p u e d a n s e r d e a n t i m a t e r i a , p e r o u n a s i tuación c o m o ésta requeriría q u e e l a g r u p a m i e n t o i n i c i a l d e l a m a t e r i a y l a a n t i m a t e r i a f u e r a m u y g r a n d e ; sería c o m o r e m o ver u n a ensalada y encontrar todos los t o m a t e s d e u n lado d e la f u e n t e y l a l e c h u g a e n e l o t r o l a d o . A u n q u e n o p o d e m o s p r o b a r q u e n o h a y a r e g i o n e s d e a n t i m a t e r i a e n algún l u g a r d e l U n i v e r s o , n o e x i s t e ningún t i p o d e e v i d e n c i a q u e n o s s u g i e r a q u e las h a y a . A l a vista d e este resultado, h a d i s m i n u i d o d e m a n e r a c o n s i d e r a b l e , e n l o s últimos años, e l interés p o r e s t a solución p a r t i c u l a r d e l p r o b l e m a d e l a a n t i m a t e r i a .

E l Big Bang empezó con m á s matería que antimatería E s t a solución t a m p o c o p u e d e d e s c a r t a r s e , y a q u e e s i m p o sible retroceder e n e lt i e m p o y v e r e l B i g B a n g . T a l vez, si n o p o d e m o s e n c o n t r a r o t r a solución, t e n g a m o s q u e a d o p t a r f i n a l 44

LOS P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

m e n t e ésta, p e r o c o n s t i t u y e u n a violación d e l a R e g l a 2 . A d e más, h a y c i e r t a i n c o n v e n i e n c i a i n h e r e n t e e n e l h e c h o d e d a r p o r s e n t a d o a l g o q u e tendría q u e d e m o s t r a r s e , y a q u e n o s l l e v a s i m p l e m e n t e a l a s i g u i e n t e p r e g u n t a o b v i a : ¿Por qué e l U n i v e r s o habría e m p e z a d o d e e s t a f o r m a ? P a r a u n físico, e l único número n e t o d e partículas q u e n o n e c e s i t a e x p l i c a ción e s c e r o .

El responsable es cilgún proceso previo a la era de las partículas L o s a v a n c e s d e l a astronomía y n u e s t r o s p r o p i o s p r e j u i c i o s filosóficos n o s d e j a n e s t a p o s i b i l i d a d c o m o l a única f o r m a d e abordar e l p r o b l e m a d e l a antimateria. Esto significa q u e si q u e r e m o s solucionar esta dificultad, n o sv e m o s forzados a e x p l o r a r l a s e t a p a s p o r l a s q u e e l U n i v e r s o pasó a n t e s d e t e n e r u n milisegundo d e edad. A l hacerlo, n o sencontramos c o n u n obstáculo i m p o r t a n t e . D e s d e e l d e s c u b r i m i e n t o d e l a a n t i m a t e ria, l o s físicos h a n creído q u e l a s l e y e s d e l a n a t u r a l e z a s o n c o m p l e t a m e n t e simétricas e n l o q u e s e r e f i e r e a l a distinción e n t r e partículas y antipartículas. T e n d r e m o s q u e e x p l i c a r , p o r l o t a n t o , cómo u n c o n j u n t o d e l e y e s q u e o p e r a n e n u n u n i v e r s o c u y o número n e t o d e partículas e s c e r o p u e d e l l e g a r a p r o ducir u nuniverso e ne lq u e p r e d o m i n a lamateria, y la antimat e r i a e s prácticamente i n e x i s t e n t e .

EL PROBLEMA D E LA FORMACIÓN DE LAS GALAXIAS Y a hemos aludido alhecho d e q u ee lproceso p o r e l q u e s e f o r m a r o n l a s g a l a x i a s está c o n e c t a d o íntimamente c o n l a formación d e l o s átomos u n o s 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g Bang. A n t e s d e este t i e m p o , l amateria del U n i v e r s o se e n c o n t r a b a e n f o r m a d e p l a s m a , c o n e l e c t r o n e s l i b r e s y núcleos q u e s e movían c o n i n d e p e n d e n c i a u n o s d e o t r o s . E n t r e m e z c l a d o 45

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e n e s t e c o n j u n t o d e partículas c a r g a d a s , había u n m a r m u y c a l i e n t e d e radiación e n f o r m a d e f o t o n e s .

C u a n d o u n fotón s e e n c u e n t r a c o n u n a c a r g a eléctrica l i b r e c o m o e l electrón, t i e n e l u g a r u n a interacción v i o l e n t a . E l fotón y l a partícula r e b o t a n , p r o c e s o q u e l o s físicos l l a m a n d i s p e r sión. E s t e p r o c e s o p u e d e i m a g i n a r s e c o m o a l g o análogo a l a colisión d e d o s b o l a s d e b i l l a r a g r a n v e l o c i d a d . A m b a s r e b o t a n y s a l e n d e s p e d i d a s d e s d e e l p u n t o d e l a interacción e n d i r e c c i o n e s d i s t i n t a s d e l a s i n i c i a l e s q u e l e s l l e v a r o n h a c i a aquél.

L a s c o l i s i o n e s c o n t i n u a s e n t r e f o t o n e s y partículas e n e l p l a s m a p r i m i t i v o c r e a b a n u n a presión q u e impedía q u e l a m a t e r i a s e a g r e g a r a e n f r a g m e n t o s d e tamaño galáctico. L a m e j o r f o r m a d e i m a g i n a r s e e s t a presión e s c o n s i d e r a r u n neumático c o r r i e n t e d e automóvil. L a s moléculas d e a i r e s i t u a d a s d e n t r o d e l neumático c o l i s i o n a n c o n éste y r e b o t a n . C a d a u n a d e e s t a s c o l i s i o n e s p r o d u c e u n a pequeña f u e r z a , q u e s e e j e r c e s o b r e l ag o m a , y l a s u m a d e t o d a s las fuerzas ejercidas p o r t o d a s l a s moléculas, q u e l l a m a m o s presión d e l neumático, l o m a n t i e n e h i n c h a d o . E l p u n t o c r u c i a l e s q u e e x i s t e presión p o r q u e l a s moléculas r e b o t a n c u a n d o s e e n c u e n t r a n c o n l a s u p e r f i c i e d e l neumático. E n e l l e n g u a j e q u e e s t a m o s u s a n d o , u n neumático se m a n t i e n e h i n c h a d o p o r q u e sus p a r e d e s d e c a u c h o s o n m u y e f i c i e n t e s e n l a dispersión d e l a s moléculas d e a i r e .

E s e v i d e n t e q u e , s i reemplazáramos e l neumático d e c a u cho p o r algo que n ofuera u n dispersador tan eficiente — m u s e l i n a , p o r e j e m p l o — n o s e ejercería presión s o b r e l a p a r e d .

L a s moléculas q u e a l c a n z a r a n e l límite pasarían a tiravés d e él s i n d i s p e r s a r s e , y e l neumático s e deshincharía. A h o r a b i e n , l o s átomos e n l o s q u e e l U n i v e r s o s e congeló a l o s 5 0 0 . 0 0 0 años, s o n u n o s d i s p e r s a d o r e s b a s t a n t e i n e f i c a c e s d e l a radiación. E l lector p u e d e convencerse d e este h e c h o si considera q u e n o e s r a r o a l c a n z a r a v e r a c i e n t o s d e kilómetros e n u n día c l a r o . ( P u e d o r e c o r d a r , p o r e j e m p l o , h a b e r e s t a d o e n L o s Álamos e n u n a n o c h e típica d e N u e v o México y v e r l a s l u c e s d e A l b u q u e r q u e a u n a d i s t a n c i a d e 1 5 0 kilómetros.) E s t o s i g n i f i c a q u e l a l u z p u e d e v i a j a r a g r a n d i s t a n c i a e n t r e l o s átomos d e n u e s t i - a atmósfera s i n e x p e r i m e n t a r u n a distorsión m u y i m p o r t a n t e .

46

L O S P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

E n l o q u e concierne a l Universo primitivo, t a n pronto c o m o s e f o r m a r o n l o s átomos, l a radiación dejó d e s e r d i s p e r sada fuertemente por l amateria. Esto tuvo dos consecuencias i n m e d i a t a s : 1 ) l a radiación quedó l i b r e p a r a e x p a n d i r s e s i n i n terferencias (el f o n d o d e m i c r o o n d a s e s el r e s u l t a d o d eesta expansión) y 2 ) l a radiación dejó d e e j e r c e r presión s o b r e l a m a t e r i a . P o r l o t a n t o , a l c a b o d e 5 0 0 . 0 0 0 años, l a m a t e r i a p u d o a g l u t i n a r s e y f o r m a r las galaxias q u e h o y d o m i n a n e l U n i v e r s o .

E l p r o c e s o m e d i a n t e e l c u a l e s t o p u d o o c u r r i r e s fácil d e describir. S u p o n g a m o s q u e l a m a t e r i a del U n i v e r s o estuviera e s p a r c i d a d e m a n e r a u n i f o r m e después d e 5 0 0 . 0 0 0 años. E l m o v i m i e n t o atómico n o r m a l g a r a n t i z a q u e más t a r d e o más t e m p r a n o d o s átomos s e a c e r q u e n u n o a o t r o más d e l o n o r m a l . C u a n d o e s t o s u c e d a , a m b o s ejercerán u n a f u e r z a g r a v i t a t o r i a a l g o más f u e r t e d e l a n o r m a l s o b r e l o s átomos v e c i n o s y añadirán e s t o s n u e v o s átomos a l a colección. E l r e s u l t a d o e s q u e s e reunirán aún más átomos e n e l p u n t o i n i c i a l , c o n l o q u e s e ejercerá u n a atracción g r a v i t a t o r i a aún más f u e r t e s o b r e l o s v e c i n o s . E s e v i d e n t e q u e e l p r o c e s o seguirá a c u m u l a n d o c a d a v e z más m a t e r i a a l r e d e d o r d e l p u n t o o r i g i n a l , h a s t a a g o tar toda l a materia disponible. C a b e s u p o n e r incluso q u e u n u n i v e r s o c o m p l e t a m e n t e u n i f o r m e quedaría s e g r e g a d o p o r últ i m o e n p o r c i o n e s d i s c r e t a s d e matería, y e s t a s p o r c i o n e s s o n las q u e i d e n t i f i c a m o s c o n l a s galaxias.

E l p r o b l e m a d e e s t a i m a g e n s e n c i l l a d e l a formación d e l a s g a l a x i a s n o e s q u e n o o c u r r a e l p r o c e s o q u e h e m o s descríto, s i n o q u e u n c o n j u n t o d e u n o s p o c o s átomos t a r d a d e m a s i a d o e n r e u n i r u n a m a s a galáctica. E l p u n t o i m p o r t a n t e e s q u e e l p r o c e s o d e agregación t i e n e l u g a r e n u n u n i v e r s o q u e está e x p e r i m e n t a n d o u n a rápida expansión. S i l o s a g r e g a d o s d e m a tería n o a l c a n z a n u n tamaño crítico c o n r a p i d e z , l a expansión u n i v e r s a l s e habrá l l e v a d o e l r e s t o d e matería f u e r a d e s u a l cance antes d e que se haya a c u m u l a d o u n a masa suficiente p a r a f o r m a r u n a g a l a x i a . L o s astrónomos s a b e n q u e e l t i e m p o q u e r e q u i e r e n l o s m o v i m i e n t o s atómicos a l a z a r p a r a p r o d u c i r u n a g r e g a d o d e tamaño galáctico e s b a s t a n t e l a r g o . S i éste f u e r a e l único p r o c e s o f a c t i b l e d e ocurrír, n o habría n i n g u n a 47

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

galaxia e ne l cielo. E l p r o b l e m a esencial e s q u el aparte inicial d e l p r o c e s o — l a construcción d e u n f r a g m e n t o a p r e c i a b l e d e m a t e r i a a p a r t i r d e u n o s p o c o s átomos— e s m u y l e n t a . P a r e c e , p o r tanto, q u ee lU n i v e r s o n o p u d o haber entrado e n la e r a d e l o s átomos c o n u n a distribución u n i f o r m e d e m a t e r i a .

P e r o esto n o es demasiado sorprendente, y a q u e es norm a l e s p e r a r q u e a l g o t a n caótico c o m o e l B i g B a n g p r o d u z c a u n a n u b e d e g a s e n expansión m u y t u r b u l e n t a . E n e l p l a s m a existirían r e m o l i n o s y c o n t r a c o r r i e n t e s , q u e corresponderían a c o n c e n t r a c i o n e s d e m a s a listas p a r a e m p e z a r e l p r o c e s o d e acumulación. E s t a i d e a f u e b a s t a n t e p o p u l a r d u r a n t e u n t i e m p o , p e r o n u m e r o s o s cálculos m o s t r a r o n q u e i n c l u s o e m p e z a n d o c o n u n a t u r b u l e n c i a n o r m a l e n e l p l a s m a , l a atracción g r a v i t a t o r i a e s aún d e m a s i a d o b a j a p a r a q u e s e f o r m e n l a s g a l a x i a s . P o r c o n s i g u i e n t e , d u r a n t e c a s i u n a década, l a cuestión d e cómo s e h a l l e g a d o a f o r m a r l a e s t r u c t u r a a g r a n e s c a l a d e l a galaxia h a sido u n o d elosm a y o r e s problemas n o resueltos d e l a cosmología.

P u e s t o q u e lassoluciones sencillas parecen n o funcionar, sólo h a y d o s c a m i n o s p o s i b l e s . O b i e n e l U n i v e r s o f u e c r e a d o c o n l a materia y a agrupada e n agregados q u e llegaron a form a r l a s g a l a x i a s , o h a y algún p r o c e s o todavía d e s c o n o c i d o q u e formaría e s t o s a g r e g a d o s a n t e s d e l a formación d e l o s átom o s . L a p r i m e r a opción e s u n a violación d i r e c t a d e n u e s t r a s r e g l a s y p o r l o t a n t o s e evitará m i e n t r a s s e a p o s i b l e . L a s e g u n d a opción p a r e c e más a t r a c t i v a , p e r o s a b e m o s q u e n o h a y n i n gún p r o c e s o ( a p a r t e d e l a t u r b u l e n c i a ) q u e p u d i e r a p r o d u c i r e l a g m p a m i e n t o necesario d e l a materia durante las eras d e las partículas o d e l o s núcleos. I g u a l q u e e n e l c a s o d e l p r o b l e m a d e l a a n t i m a t e r i a , n o s v e m o s o b l i g a d o s a i n v e s t i g a r e l período anterior a 1 milisegundo para explicar l a existencia d e las galaxias. ' EL

PROBLEMA D E L HORIZONTE

L a radiación d e f o n d o d e m i c r o o n d a s j u e g a u n p a p e l i m portante e n nuestro c o n o c i m i e n t o d el a estructura primitiva del 48

LOS P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

Universo, tal c o m o y ah e m o s visto. H a y u n p l a n t e a m i e n t o d e e s t a radiación q u e , a u n q u e d e u n m o d o s u p e r f i c i a l p a r e c e m u y razonable, lleva a dificultades sise sigue. C u a n d o se real i z a n o b s e r v a c i o n e s e n l a a l t a atmósfera m e d i a n t e d e t e c t o r e s de m i c r o o n d a s e nglobos y aviones, se e n c u e n t r a q u e l a radiación e s isótropa c o n u n a precisión s u p e r i o r a l 0 , 0 1 % . E s t o significa q u e sim e d i m o s los fotones procedentes d eu n a dirección d e l c i e l o y e n t o n c e s d a m o s u n g i r o d e 180° y repetímos l a operación, e n c o n t r a r e m o s q u e l o s d o s c o n j u n t o s d e f o t o n e s s o n idénticos c o n l a precisión m e n c i o n a d a .

A p r i m e r a v i s t a , p a r e c e s e r l o q u e deberíamos e s p e r a r s i n o s b a s a m o s e n n u e s t i - a intuición. ¿Por qué u n a porción d e cielo iba a serdistinta d e otra? P e r o si t e n e m o s e n cuenta e l o r i g e n d e l a radiación d e 3 °K, r e c o r d a r e m o s q u e l o q u e o b s e r v a m o s a h o r a d e p e n d e d e l a t e m p e r a t u r a d e l a región d e l e s p a c i o d e s d e l a q u e s e emitió l a radiación 5 0 0 . 0 0 0 años d e s pués d e l B i g B a n g . E l p r o b l e m a e s q u e l a radiación q u e está llegando ahora a nuestros detectores desde exti-emos opuestos del Universo, fue emitida por secciones del plasma e n congelación q u e e s t a b a n a más d e 5 0 0 . 0 0 0 años l u z d e d i s t a n c i a . S i e s t o e s c i e r t o , ¿cómo p u d o s u c e d e r q u e a m b a s r e g i o n e s e s t u vieran exactamente a la misma temperatijra?

P a r a c o m p r e n d e r p o r qué u n a situación c o m o ésta p r o d u c e q u e b r a d e r o s d e c a b e z a a l o s físicos, v a m o s a c o n s i d e r a r u n a s e n c i l l a analogía. S u p o n g a m o s q u e t e n e m o s u n a bañera llena d e agua d e tal f o r m a que toda e l agua a l a derecha d e u n a c i e r t a línea está c a l i e n t e y t o d a e l a g u a a l a i z q u i e r d a está fi-ía. T o d o s s a b e m o s l o q u e sucederá e n e s t a situación. S i e s p e r a m o s u n t i e m p o s u f i c i e n t e , t o d a e l a g u a d e l a bañer a s e pondrá t i b i a , a l a m i s m a t e m p e r a t u r a . E n l a j e r g a d e l o s físicos, d e c i m o s q u e e l a g u a d e l a bañera " l l e g a a l e q u i l i b r i o térmico". ¿Cuánto tardará e n c o m p l e t a r s e e l p r o c e s o ? Dependerá e n cierta m e d i d a , c o m o es natural, d e lastemperaturas implicad a s , p e r o l a e x p e r i e n c i a n o s d i c e q u e , e n l a mayoría d e l o s c a s o s , será s u f i c i e n t e u n a m e d i a h o r a . P e r o , s u p o n g a m o s q u e hacemos otra pregunta. Supongamos que queremos conocer 49

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e l t i e m p o mínimo p o s i b l e , e n p r i n c i p i o , q u e e l a g u a tardará e n alcanzar e l equilibrio.

S a b e m o s q u e h a y u n a correlación e n t r e l a t e m p e r a t u r a d e l a g u a y e l m o v i m i e n t o d e l a s moléculas q u e l a c o n s t i t u y e n : c u a n t o m a y o r e s l a v e l o c i d a d m o l e c u l a r , más a l t a e s l a t e m p e r a t u r a . E n e l m o v i m i e n t o h a c i a e l e q u i l i b r i o térmico, l a s moléc u l a s rápidas d e l a g u a c a l i e n t e s e f r e n a n a l c o l i s i o n a r c o n l a s d e l a g u a fría. C o m o e s e v i d e n t e , n o s e p u e d e e s t a b l e c e r e l e q u i l i b r i o térmico e n u n t i e m p o más c o r t o q u e e l n e c e s a r i o p a r a q u e u n a molécula s e m u e v a d e l a región c a l i e n t e d e l a bañera a l a fría. E l p r o c e s o r e a l d e r e p a r t i r l a energía e n t r e l a s moléculas d e a g u a p u e d e t a r d a r e n r e a l i d a d muchísimo más q u e esto, p e r o sin d u d a n op u e d e tardar m e n o s . P a r a utilizar o t r a m u e s t r a d e j e r g a física, d e c i m o s q u e e l p r o c e s o d e a l c a n z a r e l e q u i l i b r i o térmico, n o p u e d e t e n e r l u g a r a m e n o s q u e l a s dos regiones cuyas temperaturas se trata d e equilibrar p u e d a n " c o m u n i c a r s e " e n t r e sí. E n términos antropomórficos, p u e d e i m a g i n a r s e q u e e l e q u i l i b r i o térmico d e p e n d e d e q u e u n m e n s a j e r o v a y a d e u n a región a l a o t r a y d i g a : «Ésta e s l a t e m p e r a t u r a q u e h a y allí.»

E n u n a bañera l a comunicación e n t r e l a s r e g i o n e s d i f e r e n t e s s e r e a l i z a a través d e l m o v i m i e n t o d e l a s moléculas. E n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o tenía l u g a r a través d e l a l u z y l a s partículas.

S a b e m o s p o r l a teoría d e l a r e l a t i v i d a d q u e n o s e p u e d e t r a n s m i t i r información d e u n a región a o t r a a u n a v e l o c i d a d m a y o r q u e l a d e l a l u z . P o r l o t a n t o , c u a n d o o b s e r v a m o s l a isotropía d e l a radiación d e m i c r o o n d a s y c o n c l u i m o s q u e f u e e m i t i d a d e s d e r e g i o n e s c o n u n a t e m p e r a t u r a común, d e c i m o s , d e h e c h o , q u e e l U n i v e r s o e s t a b a e n e q u i l i b r i o térmico 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g . E s t o i m p l i c a q u e t o d a s l a s p a r t e s d e l U n i v e r s o t i e n e n q u e h a b e r e s t a d o e n comunicación e n t r e sí antes d e este instante.

Y esto nos acarrea u n problema. S i regresamos a nuestra analogía d e l U n i v e r s o y d e l g l o b o , e n l a s q u e representábamos las galaxias c o m o p u n t o s e n la s u p e r f i c i e d e l g l o b o , l a luz e m i t i d a p o r u n a g a l a x i a d a d a podría r e p r e s e n t a r s e m e d i a n t e u n g r u p o d e h o r m i g a s q u e s e m o v i e r a n e n u n círculo q u e s e e n 50

LOS

P R O B L E M A S D E LA T E O R I A D E L BIG B A N G

s a n c h a r a sin cesar, c e n t r a d o e n esa galaxia. T o d a s las galaxias d e n t r o d e e s t e círculo habrían r e c i b i d o l u z d e l a g a l a x i a c e n t r a l y , a l a i n v e r s a , podrían s e r v i s t a s p o r u n o b s e r v a d o r s i t u a d o e n e l l a . U n a g a l a x i a q u e e n c u a l q u i e r m o m e n t o s e e n c o n t r a r a aún f u e r a d e l círculo d e h o r m i g a s , n o sería v i s i b l e p a r a e l o b s e r v a d o r , p o r q u e l a l u z n o habría t e n i d o todavía t i e m p o d e l l e g a r h a s t a él d e s d e e s t a f u e n t e p a r t i c u l a r . E l círculo d e h o r m i g a s e n m o v i m i e n t o h a c i a f u e r a r e p r e s e n t a e l horízonte d e l o b s e r v a d o r : éste p u e d e v e r c u a l q u i e r c o s a d e n t r o d e l horízonte, p e r o n a d a f u e r a d e él. E l m o m e n t o j u s t o e n q u e u n p u n t o p a r t i c u l a r entra d e n t r o d en u e s t r o h o r i z o n t e d e p e n d e d ela v e l o c i d a d del m o v i m i e n t o d e l a s h o r m i g a s y d e l a v e l o c i d a d d e expansión del globo.

S i c o n s i d e r a m o s a h o r a l a emisión d e l a radiación d e m i c r o o n d a s a l o s 5 0 0 . 0 0 0 años, r e s u l t a q u e l a radiación e m i t i d a desde puntos opuestos del cielo procede d e regiones que, e n aquel m o m e n t o , estaban fuera del respectivo horizonte unas d e o t r a s . E n o t r a s p a l a b r a s , n o había f o r m a d e q u e e s t a s r e g i o n e s s e h u b i e r a n c o m u n i c a d o e n t r e sí y h u b i e r a n e s t a b l e c i d o e l e q u i l i b r i o térmico. E n t o n c e s , ¿ c ó m o p u e d e n h a b e r a l c a n z a d o l a m i s m a t e m p e r a t u r a c o n u n a precisión d e 0 , 0 1 % ? E s t o s e conoce c o m o el problema del horizonte. ¿Cuáles s o n l a s p o s i b l e s s o l u c i o n e s ? I g u a l q u e p a r a l o s otros problemas que h e m o s discutido, u n a vez se h a entrado e n l a e r a d e l a s partículas, n o c o n o c e m o s n i n g u n a m a n e r a d e e n c o n t r a r u n a solución. S i e l U n i v e r s o n o está e n e q u i l i b r i o térmico e n e s e m o m e n t o , y a n o l o estará n u n c a . Además, l a expansión d e l U n i v e r s o d u r a n t e e l p r i m e r m i l i s e g u n d o e r a t a n rápida q u e p u e d e a r g u m e n t a r s e q u e n u n c a existió u n m o m e n t o e n e l q u e p u d i e r a h a b e r s e e s t a b l e c i d o u n a comunicación entre todo e l Universo.

P o r lo tanto, nos quedan dos posibilidades. O bien e l Univ e r s o s e creó e n e q u i l i b r i o térmico, o b i e n algún p r o c e s o a n t e s d e l a e r a d e l a s partículas n o s i m p i d e h a c e r e l t i p o d e i n g e n u a extrapolación q u e c o n d u c e a l a p a r a d o j a . L a p r i m e r a p o s i b i l i d a d e s e q u i v a l e n t e a s u p o n e r q u e t o d a e l a g u a d e l a bañera e s t a b a t i b i a a l e m p e z a r , suposición q u e v i o l a n u e s t r a s r e g l a s .

51

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

L a a l t e r n a t i v a , u n a v e z más, n o s e x i g e i n v e s t i g a r más d e c e r c a l o q u e precedió a l a e r a d e l a s partículas y e s p e r a r q u e a l g u nos descubrimientos nuevos resuelvan el problema.

EL PROBLEMA D E L UNIVERSO PLANO U n a vez tenemos e nmente l aimagen del Universo e n expansión, p o d e m o s h a c e r u n a s e n c i l l a p r e g u n t a : ¿Continuará p a r a s i e m p r e l a expansión o s e invertirá algún día y s e p r o d u cirá u n período d e contracción u n i v e r s a l ? L a r e s p u e s t a a e s t a pregunta depende d el acantidad d emasa del Universo. S i hay s u f i c i e n t e m a s a , l a fijerza d e g r a v e d a d , q u e e j e r c e e l U n i v e r s o será s u f i c i e n t e p a r a ft-enar y , p o r último, d e t e n e r l a s g a l a x i a s e n recesión. S i n o h a y s u f i c i e n t e m a s a , e s t o n o sucederá n u n c a . S e p r o d u c e u n a situación e x a c t a m e n t e análoga c u a n d o l a n z a m o s u n a p e l o t a hacia arriba d e s d e l a superficie terresh-e.

P u e s t o q u e l a T i e r r a e s m u y m a s i v a y e j e r c e u n a f u e r t e ah-acción g r a v i t a t o r i a , l a p e l o t a disminuirá l a v e l o c i d a d , s e parará, invertirá s u m o v i m i e n t o y caerá d e n u e v o a l s u e l o . L a m i s m a p e l o t a , l a n z a d a d e s d e l a s u p e r f i c i e d e u n a s t e r o i d e , navegaría p o r e l e s p a c i o y a q u e l a m a s a d e l a s t e r o i d e sería i n s u f i c i e n t e para detenerla.

L a cuestión d e s i e l U n i v e r s o continuará s u expansión o s e contraerá algún día — l a cuestión d e s i e s " a b i e r t o " o " c e r r a d o " , p a r a u s a r términos cosmológicos— p a r e c e s e n c i l l a . T o d o l o que tenemos q u ehacer es sumar toda la masa del Universo, c a l c u l a r l a atracción g r a v i t a t o r i a s o b r e l a s g a l a x i a s e n recesión y v e r s i e s s u f i c i e n t e p a r a d e t e n e r e s t a recesión. E s t a r e c e t a , s e n c i l l a e n p r i n c i p i o , e s difícil d e l l e v a r a c a b o p o r q u e t o d a l a materia del Universo n oes necesariamente visible para nosoh - o s . D i s c u t i r e m o s e s t e h e c h o c o n d e t a l l e e n e l capítulo 1 4 , c u a n d o c o n s i d e r e m o s e l d e s t i n o final d e l U n i v e r s o . P o r e l m o m e n t o , s i n e m b a r g o , señalemos q u e l a s o b s e r v a c i o n e s i n d i c a n que la cantidad d e materia d e lUniverso es sinduda m a y o r q u e u n a décima p a r t e y m e n o r q u e d i e z v e c e s l a c a n t i d a d crít i c a r e q u e r i d a p a r a d e t e n e r l a expansión.

52

LOS P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

E n Otras p a l a b r a s , e l U n i v e r s o e s a p e n a s a b i e r t o o a p e n a s c e r r a d o . E n e l l e n g u a j e d e l a cosmología, d e c i m o s q u e e l U n i v e r s o e s "casi p l a n o " ; u n u n i v e r s o p l a n o e s a q u e l e n q u e h a y l a m a s a j u s t a p a r a d e t e n e r l a expansión. E l p r o b l e m a e s q u e d a d a s l a s i n f i n i t a s m a s a s p o s i b l e s q u e podría t e n e r e l U n i v e r s o , ¿por qué t i e n e u n a m a s a t a n c e r c a n a a e s t e v a l o r crítico? ¿Por qué e l U n i v e r s o e s c a s i p l a n o ?

E l l e c t o r y a s e habrá d a d o c u e n t a d e q u e l a R e g l a 2 j u e g a u n papel importante e n nuestros razonamientos sobre e l Univ e r s o p r i m i t i v o . E l d i s g u s t o q u e s i e n t e n l o s científicos c u a n d o s e v e n f o r z a d o s a s u p o n e r a q u e l l o q u e está p o r p r o b a r e s u n a i m p o r t a n t e fijerza m o t i v a d o r a d e l a investigación. P e r o h a y u n a s p e c t o d e l a r e g l a , u n a hipótesis o c u l t a , q u e d e b e s e r e x p l o rada.

C u a n d o d e c i m o s q u e a l g o "debería" s e r p r o b a d o o " t e n dría q u e s e r " e x p l i c a b l e s i n hipótesis i n i c i a l e s e s t a m o s , d e h e cho, haciendo u n juicio acerca del estado d e los c o n o c i m i e n t o s científicos e n e l m o m e n t o e n q u e s e p r o n u n c i a r o n e s t a s palabras. N o s molesta v e m o s obligados a hacer suposiciones e s p e c i a l e s a c e r c a d e l a creación d e l U n i v e r s o sólo s i t e n e m o s l a sensación d e c o n o c e r l o s u f i c i e n t e d e l o s p r o c e s o s q u e i n t e r v i e n e n p a r a e x p l i c a r l o s h e c h o s s i n n i n g u n a suposición. P o r e j e m p l o , h e m o s estudiado l aa n t i m a t e r i a e nnuesti-os laboratorios d u r a n t e más d e m e d i o s i g l o y t e n e m o s l a i d e a d e q u e s a b e m o s l o que h a y q u e saber d e ella. L aexistencia del prob l e m a d e l a antimateria conti-adice esta creencia; p o r l o t a n t o d e s e a m o s dedicar u n g r a n esfuerzo p a r a resolverlo. L o s tres p r o blemas d e q u e h e m o s h a b l a d o hasta a h o r a s o n d e este tipo.

P a r a m a y o r c l a r i d a d , a l o s p r o b l e m a s q u e n o están r e s u e l t o s e n l a a c t i j a l i d a d p e r o q u e tendrían q u e s e r r e s o l u b l e s c o n nuestros conocimientos actuales los l l a m a r e m o s p r o b l e m a s d e la p r i m e r a clase.

H a y o t i - a s c l a s e s d e p r o b l e m a s e n cosmología q u e n o s e a j u s t a n a e s t a definición. P o r e j e m p l o , s i preguntáramos p o r qué l a c a r g a d e l electrón tiene e l v a l o r q u e tiene y n o algún o t i - o v a l o r , n a d i e podría d a r u n a r e s p u e s t a s a t i s f a c t o r i a . Éste e s u n p r o b l e m a g e n u i n a m e n t e n o r e s u e l t o , p e r o l o s científicos n o 53

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

culparían a u n a teoría p o r n o s e r c a p a z d e s o l u c i o n a r l o . T o d o e l m u n d o r e c o n o c e q u e u n a cuestión c o m o ésta r e q u i e r e u n c o n o c i m i e n t o m u c h o más p r o f u n d o d e l a física d e l q u e t e n e m o s e n l a a c t u a l i d a d y e s i m p r o b a b l e q u e n i n g u n a teoría e n u n futuro i n m e d i a t o tenga algo q u e decir sobre l a carga del electrón. P o r e s o , m i e n t r a s c o n s i d e r a m o s l a i n c a p a c i d a d d e r e s o l v e r l o s . p r o b l e m a s d e l a a n t i m a t e r i a , d e l a formación d e l a s galaxias y del ho ri zon t e c o m o u n fallo grave d e cualquier teoría cosmológica, n o p o n e m o s e l p r o b l e m a d e l a c a r g a d e l electrón e n l a m i s m a categoría. L o s p r o b l e m a s d e e s t e t i p o , q u e s e c o n s i d e r a e n g e n e r a l q u e r e q u i e r e n u n a comprensión m u c h o más p r o f u n d a d e l m u n d o d e l a q u e a h o r a p o s e e m o s , los l l a m a r e m o s p r o b l e m a s d e l a s e g u n d a clase.

El l l a m a d o p r o b l e m a del U n i v e r s o p l a n o e s e nrealidad u n p r o b l e m a d e l a s e g u n d a clase q u e t r a d i c i o n a l m e n t e s e mezcla c o n p r o b l e m a s d e l a p r i m e r a clase e n las discusiones s o b r e e l Big Bang. S i n embargo, debe recordarse que es cualitativam e n t e d i s t i n t o d e l a s o t r a s c u e s t i o n e s s u s c i t a d a s e n e s t e capít u l o . P u e d o i m a g i n a r m e q u e u n científico d e j e d e c r e e r e n l a teoría d e l B i g B a n g s i e l p r o b l e m a d e l a antímateria c o n t i n u a r a s i n solución. N o p u e d o i m a g i n a r q u e h a g a l o m i s m o a c a u s a del problema del Universo plano.

Parece, p o r tanto, que l amasa total del U n i v e r s o es u n a d e e s a s c a n t i d a d e s , c o m o e l v a l o r p r e c i s o d e l a c a r g a eléctrica, c u y a explicación d e b e e s p e r a r l a aparición d e u n a teoría más fijndamental q u e l a s q u e a h o r a están d i s p o n i b l e s . S i n e m b a r g o , s i d e l a exploración d e l p r i m e r m i l i s e g u n d o d e v i d a d e l U n i v e r s o s e o b t u v i e r a u n a solución a e s t e p r o b l e m a , tendríam o s e l d e r e c h o d e c o n s i d e r a r e s t a solución c o m o u n p r e m i o i n e s p e r a d o y d e utilizar s u existencia c o m o u n fuerte a r g u m e n t o e n f a v o r d e n u e s t r o análisis.

SUMARIO H a y cuah-o p r o b l e m a s fundamentales asociados c o n nuesti-o m o d e l o d e l B i g B a n g . T r e s d e e l l o s s o n p r o b l e m a s d e l a 54

LOS P R O B L E M A S DE LA T E O R Í A DEL BIG BANG

p r i m e r a c l a s e y debería c o n s i d e r a r s e l a i m p o s i b i l i d a d d e r e s o l verios c o m o evidencia d e u n fallo importante e nnuestra c o m prensión d e l p r o c e s o . E s t o s p r o b l e m a s s o n ; 1 ) p o r qué h a y t a n p o c a a n t i m a t e r i a e n e l U n i v e r s o ; 2 ) cómo p u e d e n h a b e r s e f o r m a d o l a s galaxias e n e l t i e m p o asignado a este proceso, y 3 ) p o r qué e l U n i v e r s o e s isótropo. Además, h a y u n p r o b l e m a de l as e g u n d a clase q u e s e asocia t r a d i c i o n a l m e n t e c o n los tres p r o b l e m a s d e l a p r i m e r a c l a s e : p o r qué l a m a s a d e l U n i v e r s o está t a n c e r c a d e l v a l o r crítico n e c e s a r i o p a r a c e r r a r l o .

H e m o s v i s t o q u e s i q u e r e m o s e v i t a r l a elaboración d e s u p o s i c i o n e s e s p e c i a l e s a c e r c a d e l m o m e n t o d e l a creación p a r a r e s o l v e r e s t o s p r o b l e m a s , t e n e m o s q u e e x p l o r a r e l período d e t i e m p o a n t e s d e l p r i n c i p i o d e l a e r a d e l a s partículas, e l p r i m e r m i l i s e g u n d o d e existencia. E n l a segunda parte d e este libro p r e s e n t a m o s u n a discusión d e l a s teorías q u e n o s permitirán hacerio.

SEGUNDA PARTE L a investigación d e l p r i m e r m i l i s e g u n d o d e e x i s t e n c i a r e q u i e r e u n a c i e r t a comprensión d e l o s p r o c e s o s q u e d o m i n a n e l c o m p o r t a m i e n t o d e l a m a t e r i a a energías m u y a l t a s . L o s capítulos 4 a l 8 describen nuestro c o n o c i m i e n t o actual e n este c a m p o , i n c o r p o r a d o e n l a s l l a m a d a s teorías u n i f i c a d a s . T e n i e n d o e n cuenta l a posibilidad d e q u e n otodos l o s lectores d e s e e n s e g u i r c o n d e t a l l e l o s a r g u m e n t o s q u e están i m p l i c a d o s e n e l e s t a b l e c i m i e n t o d e e s t a s teorías, h e m o s p r o p o r c i o n a d o u n a "vía rápida" p a r a e s t a p a r t e d e l l i b r o . A l final d e c a d a c a pítulo, e n u n t i p o d e l e t r a d i s t i n t o , h a y u n s u m a r i o d e l o s r e s u l t a d o s p r i n c i p a l e s . E l l e c t o r q u e esté i n t e r e s a d o e n p a s a r a l a descripción d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o , p u e d e l e e r e s t o s resúmen e s e i r d i r e c t a m e n t e a l capítulo 9 , m i e n t r a s q u e e l l e c t o r q u e d e s e e a d q u i r i r u n a comprensión más p r o f i j n d a d e c ó m o s u r g i e r o n l a s i d e a s d e l o s s u m a r i o s , p u e d e s e g u i r l o s capítulos 4 a l 8 c o n más d e t a l l e .

57

4.

Partículas elementales y quarks Rammente W.

las cosas son lo que

parecen.

S . GiLBERT Y A R T H U R

SULLIVAN

HMS

EL

Pinafore

C O N C E P T O D E PARTÍCULA E L E M E N T A L

H a y u n a l a r g a tradición e n e l p e n s a m i e n t o o c c i d e n t a l e n e l sentido d econsiderar que para comprender algo por completo h a y q u e d e s m o n t a d o y v e r c ó m o está h e c h o . L a f r a s e uer qué lo hace funcionar, c o n s u s i m p l i c a c i o n e s d e r e a l i z a r u n a operación d e e s t e t i p o y e n c o n t r a r l o s e n g r a n a j e s y l a s r u e d a s i n t e m a s q u e h a c e n q u e a l g o f u n c i o n e , e s u n a manifestación f a m i l i a r e n e s t a línea d e p e n s a m i e n t o . A l o l a r g o d e c a s i d o s s i g l o s , l o s científicos q u e h a n t r a t a d o d e d e s c u b r i r l a n a t u r a l e z a de l a materia h a nrevelado capas sucesivas d e "realidad", e n u n i n t e n t o d e e n c o n t r a r u n a partícula v e r d a d e r a m e n t e e l e m e n t a l , u n a porción d e m a t e r i a q u e e x p l i q u e cómo f u n c i o n a e l m u n d o . E l propósito d e e s t e empeño e s e x p l i c a r t o d o e l m u n d o material a partir d e distintas disposiciones d e unas p o c a s e n t i d a d e s básicas. D e l a m i s m a m a n e r a , s e podría t r a t a r d e explicar l a arquitectura mediante e l descubrimiento d e unos p o c o s e l e m e n t o s básicos ( l a d r i l l o s y v i g a s , p . e j . ) y q u e t o d o s los edificios, p o r complejos que sean, s o n e l resultado d e c o m b i n a c i o n e s d i s t i n t a s d e e s t a s p a r t e s básicas.

A p r i n c i p i o s d e l s i g l o X I X , e l químico británico J o h n D a l t o n p r o p u s o q u ee lbloque elemental constitutivo d ela materia e r a 59

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e l átomo ( l i t e r a l m e n t e , " a q u e l l o q u e n o s e p u e d e d i v i d i r " ) . L a i n f i n i d a d d e s u s t a n c i a s químicas q u e s e i b a n c o n o c i e n d o p o r entonces eran simplemente disposiciones diferentes d e unos p o c o s t i p o s d i s t i n t o s d e átomos. A p r i n c i p i o s d e l s i g l o XX n u e s t r o c o n o c i m i e n t o penetró o t r o n i v e l más p r o f u n d o , c u a n d o E r n e s t R u t h e r f o r d descubrió q u e e l átomo, l e j o s d e s e r i n d i v i s i b l e , tenía u n a e s t r u c t u r a m u y d e f i n i d a , e n l a q u e u n o s e l e c t r o n e s d e c a r g a n e g a t i v a r o d e a b a n u n núcleo d e c a r g a p o s i t i v a , de m a n e r a parecida a c o m o los planetas r o d e a n e lS o l . P o r u n m o m e n t o , pareció q u e s e v i s l u m b r a b a l a solución final, u n m u n d o e n e l q u e t o d a s l a s c o s a s e r a n a l g u n a combinación d e protones, neutrones y electrones. L o s protones, c o n u n a carga p o s i t i v a , y l o s n e u t r o n e s , eléctricamente n e u t r o s , s e u n e n e n c a n t i d a d e s m u y p a r e c i d a s p a r a f o r m a r l o s núcleos q u e , j u n t o c o n l o s e l e c t r o n e s e n s u s órbitas, f o r m a n l o s átomos.

P o r d e s g r a c i a , e s t e d u l c e sueño d e s i m p l i c i d a d n o llegó a r e a l i z a r s e . L o s científicos e m p e z a r o n a i n v e s t i g a r e l núcleo h a c i e n d o q u e h a c e s d e p r o t o n e s m u y rápidos c h o c a r a n c o n él.

E s t o s h a c e s rápidos l o s p r o p o r c i o n a b a l a n a t u r a l e z a e n f o r m a d e r a y o s cósmicos, o l o s c r e a b a n l o s científicos p o r m e d i o d e p o t e n t e s a c e l e r a d o r e s d e partículas, q u e s e d e s a r r o l l a b a n e n tonces. E n los restos d e estas colisiones, d eh e c h o n u e v a s partículas, n o s e veían n i p r o t o n e s , n i n e u t r o n e s n i e l e c t r o n e s . A l a u m e n t a r n u e s t r a c a p a c i d a d d e i m p a r t i r a l t a s energías a l o s p r o y e c t i l e s e n e s t o s e x p e r i m e n t o s , s e hiz<^ p o s i b l e c r e a r c a d a v e z más c l a s e s d i f e r e n t e s d e partículas e n n u e s t r o s l a b o r a t o r i o s m e d i a n t e l a aceleración d e p r o t o n e s a v e l o c i d a d e s s i e m p r e más e l e v a d a s y h a c i e n d o q u e e s t a s partículas rápidas c h o c a r a n c o n u n b l a n c o e s t a c i o n a r i o . E n e l p r o c e s o d e l a colisión, p a r t e d e l a energía d e l m o v i m i e n t o d e l protón s e convertía e n l a m a s a d e n u e v a s e s p e c i e s d e partículas. A m e d i a d o s d e l o s años s e t e n t a , s e publicó u n a edición e s p e c i a l d e 2 4 6 páginas d e l a r e v i s t a p r o f e s i o n a l Reuiews of Modem Ph\;sics c o n u n s u m a r i o r e l a t i v a m e n t e c o m p a c t o d etodos los datos recogidos sob r e l a s partículas e l e m e n t a l e s d e s c u b i e r t a s h a s t a e l m o m e n t o .

L a h i s t o r i a d e c ó m o s e d e s c u b r i e r o n e s t a s partículas y qué significan estos descubrimientos es demasiado larga para ser 60

PARTÍCULAS ELEMENTALES Y QUARKS

e x p l i c a d a aquí*. P a r a n u e s t r a exploración d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o , sólo n e c e s i t a r e m o s t e n e r a n u e s t r a disposición a l g u n a s d e l a s p r o p i e d a d e s q u e t i e n e n e n común e s t a s partículas y u n c o n o c i m i e n t o r u d i m e n t a r i o d e l o s e s q u e m a s d e clasificación q u e se h a n d e s a r r o l l a d o p a r a s ut r a t a m i e n t o .

P R O P I E D A D E S D E L A S PARTÍCULAS Masa T o d a partícula t i e n e u n a m a s a d e f i n i d a , a u n q u e a v e c e s e s t a m a s a p u e d e s e r c e r o . S a b e m o s q u e l a m a s a y l a energía s o n i n t e r c a m b i a b l e s según l a razón d a d a p o r l a fórmula d e E i n s t e i n £ = mc^. P o r l o t a n t o , s i l a s c o l i s i o n e s e n t r e l a s p a r tículas s o n l o s u f i c i e n t e m e n t e f u e r t e s , p u e d e h a b e r , e n p r i n c i p i o , s u f i c i e n t e energía p a r a c r e a r u n a partícula d e c u a l q u i e r m a s a q u e s e d e s e e . E s t a creación d e m a s a d e partículas a p a r t i r d e energía e s d i f e r e n t e d e l tipo d e producción d e partículas e n c o n h r a d o e n a l g u n a s c o l i s i o n e s d e átomos y núcleos, e n l a s q u e l a energía d e l p r o y e c t i l a r r a n c a s i m p l e m e n t e d e l b l a n c o l o s c o n s t i t u y e n t e s , y a e x i s t e n t e s . E n l o s p r o c e s o s d e creación, s e g e n e r a u n a partícula d o n d e a n t e s n o había n i n g u n a .

I n c l u s o l a u n i d a d q u e u t i l i z a n l o s físicos d e a l t a s energías p a r a m e d i r l a m a s a d e l a s partículas d e p e n d e d e e s t a e q u i v a l e n c i a e n t i - e m a s a y energía. L a s m a s a s s e m i d e n n o r m a l m e n t e e n g i g a e l e c t i - o n v o l t i o s ( G e V ) . U n electi-onvoltío ( e V ) e s l a e n e r gía n e c e s a r i a p a r a d e s p l a z a r u n único electrón a h-avés d e u n p o t e n c i a l elécbico d e 1 v o l t i o . U n electi-ón q u e s e m u e v e d e u n p o l o a l o t i r o d e u n a batería c o r r i e n t e d e automóvil a d q u i e r e , p o r l o t a n t o , u n a energía d e 1 2 e V . M o v e r d i e z e l e c t r o n e s requeriría 1 2 0 e V , e t c . E l p r e f i j o giga r e p r e s e n t a m i l m i l l o n e s , ó 1 0 ' . U ngigaelecti-onvoltio, por l otanto, representa l a energía r e q u e r i d a p a r a m o v e r u n único electrón a través d e u n a * El lector interesado en el tema puede encontrarla en mi libro D e los átomos a los q u a r k s . Este libro es el número 8 de la colección Biblioteca Científica Salvat. (Scribners, 1980.)

61

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

batería d e 1 0 ' v o l t i o s , o m i l m i l l o n e s d e e l e c t r o n e s a través d e u n a batería d e 1 v o l t i o . E s u n a u n i d a d d e energía, p e r o c o m o s a b e m o s q u e h a y u n a e q u i v a l e n c i a e n t r e m a s a y energía, p u e d e s e r v i r también c o m o u n i d a d d e m a s a . C o m o r e f e r e n c i a , l a energía e q u i v a l e n t e d e l a m a s a d e l protón e s u n p o c o m e n o r d e 1 G e V y l a s n i a s a s típicas d e l a s partículas q u e s e v e n e n l o s a c e l e r a d o r e s v a n d e s d e 0 , 0 0 5 G e V ( e l electrón) h a s t a u n o s 1 0 0 G e V ( e l bosón v e c t o r i a l , u n a partícula q u e n o s e n c o n t r a r e m o s más t a r d e ) . H a y a l g u n a s partículas i m p o r t a n t e s c u y a masa es cero.

Spin P u e d e n v i s u a l i z a r s e a l g u n a s d e las p r o p i e d a d e s d e las p a r tículas e l e m e n t a l e s s i l a s i m a g i n a m o s c o m o d i m i n u t a s b o l a s d e billar. U n a d e las cosas q u e p u e d e h a c e r u n a b o l a d e billar e s g i r a r a l r e d e d o r d e s u p r o p i o e j e , i g u a l q u e h a c e l a T i e r r a . Ésta e s l a p r o p i e d a d d e l a s partículas q u e l l a m a m o s s p i n .

Estamos acostumbrados a creer que los cuerpos grandes c o m o la T i e r r a p u e d e n girar a u n a v e l o c i d a d cualquiera y q u e e l período d e rotación d e v e i n t i c u a t r o h o r a s e s e l r e s u l t a d o d e u n a c c i d e n t e histórico. E n p r i n c i p i o , l a T i e r r a podía h a b e r a c a b a d o g i r a n d o c a d a veintitrés h o r a s o i n c l u s o c a d a año.

C u a n d o t r a t a m o s c o n partículas a u n n i v e l cuántico, s i n e m b a r g o , deja d eexistir este t i p o d elibertad e n e l giro. E n c o n t r a m o s q u e u n a partícula e l e m e n t a l sólo p u e d e g i r a r a c i e r t a s v e l o c i d a d e s b i e n d e f i n i d a s . P a r a c o m p r e n d e r l o q u e l a mecán i c a cuántica n o s d i c e a c e r c a d e l s p i n d e l a s partículas, p o d e m o s i n t r o d u c i r e l c o n c e p t o d e v e l o c i d a d d e rotación básica. E s u n a u n i d a d f u n d a m e n t a l , e n términos d e l a c u a l s e m i d e e l s p i n r e a l d e l a partícula. L a jnecánica cuántica n o s i n d i c a l a m a n e r a d e c a l c u l a r e s t a v e l o c i d a d p a r a c u a l q u i e r partícula*. E l * Técnicamente, la velocidad de rotación básica se calcula estableciendo el momento angular de la partícula en rotación igual a la constante de Planck. Para una esfera de masa M y radio R que da una vuelta cada T segundos, esto corresponde al requerimiento de que 4:iMR75T = h. El valor de T obtenido en esta ecuación es lo que estamos llamando velocidad de rotación básica.

62

PARTICULAS ELEMENTALES Y QUARKS

protón, p o r e j e m p l o , t i e n e u n a v e l o c i d a d d e rotación básica d e ICF^ r e v o l u c i o n e s c o m p l e t a s p o r s e g u n d o .

E l s i g n i f i c a d o d e l a v e l o c i d a d d e rotación básica e s e l s i g u i e n t e : l a s partículas sólo p u e d e n g i r a r a v e l o c i d a d e s q u e s o n c i e r t o s múltiplos b i e n d e f i n i d o s d e s u v e l o c i d a d d e rotación básica. P o r e j e m p l o , p u e d e n g i r a r e l d o b l e o l a m i t a d d e rápid o , p e r o n op u e d e n girar a tres cuartos o dos tercios d e esta v e l o c i d a d . E n e l l e n g u a j e d e l a mecánica cuántica, d e c i m o s q u e e l s p i n d e l a s partículas está c u a n t i f i c a d o . E n c i e r t o m o d o , d e f i n i r l a v e l o c i d a d d e rotación básica p a r a u n a partícula e s c o m o d e f i n i r l a u n i d a d m o n e t a r i a básica. U n a v e z h e m o s d e finido e l dólar, p o d e m o s d e c i r q u e l a s d e n o m i n a c i o n e s d e l a s m o n e d a s están cuantíficadas. P o r e j e m p l o , h a y m o n e d a s d e d i e z c e n t a v o s y d e c u a r t o d e dólar, p e r o n o h a y n i n g u n a c u y o valor sead e treinta y u n centavos.

U n o b j e t o i n d i v i d u a l , c o m o l a T i e r r a o e l protón, g i r a a u n a v e l o c i d a d d e f i n i d a , q u e e s u n múltiplo d e s u v e l o c i d a d d e r o tación básica. L a m a n e r a s e n c i l l a d e d e s i g n a r e s t a v e l o c i d a d e s d a r e l número d e s p i n . P a r a l a T i e r r a , e s t e múltiplo e s u n núm e r o i n m e n s o ( d e l o r d e n d e 1 0 ^ ' ) . P a r a e l protón e s t e número es 1/2. E n o t r a s p a l a b r a s , e n c o n t r a m o s d e m a n e r a e x p e r i m e n t a l q u e e l protón g i r a p r e c i s a m e n t e a l a m i t a d d e l a v e l o c i d a d d e rotación básica q u e l a mecánica cuántica l e a s i g n a . E n l a j e r g a d e l a física d e l a s a l t a s energías, d e c i m o s , q u e e l protón tiene u n spin 1/2, o q u e e s u n a partícuh de spin 1/2. L a s p a r tículas q u e g i r a n e x a c t a m e n t e a l a v e l o c i d a d d e rotación básica d e c i m o s q u e tienen s p i n 1 , l a s que n o g i r a n tienen s p i n O, e t c .

C u a l q u i e r partícula d e l a s q u e h a b l a m o s tiene u n a d e t e r m i n a d a v e l o c i d a d d e rotación, y e s t a v e l o c i d a d d e rotación e s c o n s tante e n e l tiempo.

Estabilidad C o n u n a s p o c a s e x c e p c i o n e s q u e señalaremos d e m a n e r a explícita, t o d a s l a s partículas e l e m e n t a l e s s o n i n e s t a b l e s . C o n e s t o q u e r e m o s d e c i r q u e , s i o b s e r v a m o s l a partícula, v e r e m o s 63

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

q u e a l final s e d e s i n t e g r a y e n s u l u g a r a d v e r t i r e m o s o t r a s p a r tículas más l i g e r a s . A e s t e p r o c e s o l o l l a m a m o s desintegración d e l a partícula o r i g i n a l y a l a s partículas q u e a p a r e c e n , p r o d u c t o s d e l a desintegración. P o r e j e m p l o , u n neutrón l i b r e d e s a parecerá t a r d e o t e m p r a n o , y e n s u l u g a r habrá u n protón, u n electrón y u n a partícula s i n m a s a l l a m a d a n e u t r i n o . E s t a s d e sintegraciones p u e d e n s e r relativamente lentas, c o m o e n e l c a s o d e l neutrón ( q u e t a r d a más d e 1 0 m i n u t o s e n d e s i n t e g r a r s e ) , o p u e d e n s e r r e a l m e n t e m u y rápidas ( a l g u n a s partículas e x p e r i m e n t a n l a desintegración e n u n tiempo t a n c o r t o c o m o 1 0 ~ ^ s e g u n d o s ) . S i n e m b a r g o , l a desintegración d e l a s partíc u l a s d e g r a n m a s a e s u n a s p e c t o c r u c i a l d e l m u n d o subatóm i c o , y n o s p r o p o r c i o n a u n método d e clasificación d e l s o r prendente surtido d e objetos elementales q u eh a n enconto-ado los experimentadores.

E S Q U E M A S D E CLASIFICACIÓN D E L A S PARTÍCULAS E L E M E N T A L E S D a d o q u e s e h a n d e s c u b i e r t o c i e n t o s d e partículas y q u e c a s i t o d a s e l l a s s o n i n e s t a b l e s , n o t i e n e s e n t i d o tiratar d e d e s i g n a r a l g u n a s c o m o e l e m e n t a l e s y ofi-as c o m o n o e l e m e n t a l e s .

I n c l u s o e l protón, l a más " e l e m e n t a l " d e l a s partículas, p u e d e llegar a desintegrarse si esperamos l o suficiente (posibilidad que discutiremos c o n detalle e n e l cap. 8 ) .O bien todas las partículas s o n e l e m e n t a l e s e n e l s e n t i d o e n q u e e s t a m o s u s a n d o e l término o b i e n n i n g u n a l o e s . L o m e j o r q u e p o d e m o s hacer, p o r l otanto, es encontrar alguna forma d e organizar y c l a s i f i c a r l a s partículas, c o n l a e s p e r a n z a d e q u e h a c e d o n o s permitirá o r d e n a r n u e s t r a s i d e a s s o b r e e l l a s . P a r a l l e v a r a c a b o e s t a clasificación, u t i l i z a r e m o s a l g u n a s d e l a s p r o p i e d a d e s d e l a s partículas q u e a c a b a m o s d e d e s c r i b i r . D e b e t e n e r s e e n c u e n t a , d u r a n t e e s t e e j e r c i c i o , q u e c u a l q u i e r clasificación d e l a s partículas q u e h a g a m o s tiene u n a e s p e c i e d e i m a g e n e s p e c u l a r e n l a clasificación d e l a s antipartículas, i m a g e n q u e n o vamos a elaborar para n oextendemos demasiado.

64

PARTÍCULAS ELEMENTALES Y QUARKS

Clasificación por el spin L a s partículas q u e t i e n e n u n s p i n s e m i e n t e r o — 1 / 2 , 3 / 2 , 5 / 2 , e t c . , según l a terminología i n t r o d u c i d a e n l a sección a n t e r i o r — s e llamarí f e r m i o n e s , e n h o n o r a l físico E n r i c o F e r m i , q u e f u e e l p r i m e r o e n e s t u d i a r s u s p r o p i e d a d e s . E s t a categoría i n c l u y e e l protón, e l electrón, e l neutrón y u n b u e n número d e o t r a s partículas m a s i v a s . También i n c l u y e l o s n e u t r i n o s , q u e s o n l a s partículas s i n m a s a q u e a p a r e c e n e n t r e l o s p r o d u c t o s d e l a desintegración d e l neutrón, así c o m o e n o t r a s i n t e r a c c i o n e s .

L a s partículas q u e t i e n e n u n s p i n e n t e r o — O , 1 , 2 , e t c . — s e l l a m a n b o s o n e s , e n h o n o r a l físico i n d i o S . N . B o s e . E l únic o bosón q u e h e m o s e n c o n t r a d o h a s t a a h o r a e s e l fotón, l a partícula a s o c i a d a c o n l a radiación electromagnética.

L o s f e r m i o n e s y los b o s o n e s s o n dos clases r e a l m e n t e dist i n t a s d e partículas e n e l s e n t i d o d e q u e n u n c a s e h a o b s e r v a d o n i n g u n a interacción q u e c o n v i e r t a l a u n a e n l a o t r a . E s t a distinción, t a l c o m o v e r e m o s , p e r s i s t e h a s t a l a s p r i m e r a s e t a p a s del Big Bang.

Clasiflcación por los productos de desintegración C u a n d o s e d e s i n t e g r a u n a partícula e l e m e n t a l , l o s p r o d u c t o s d e desintegración p u e d e n c o m p r e n d e r partículas q u e s o n e s t a b l e s n o m i n a l m e n t e , c o m o e l electrón, e l protón, e l fotón o e l n e u t r i n o , o p u e d e n c o m p r e n d e r partículas q u e a s u v e z s e desintegran. Sin embargo, es evidente que, si esperamos u n t i e m p o suficiente y dejamos que los productos d e desintegración y l o s p r o d u c i r o s d e l o s p r o d u c t o s d e desintegración s e d e s i n t e g r e n , l l e g a r e m o s p o r último a u n c o n j u n t o d e partículas r e l a t i v a m e n t e estables. A h o r a bien, c a b e n dos posibilidades. O este c o n j u n t o tiene u n exceso d e protones respecto a los antiprotones ( o viceversa) o bien n o l o tiene. S i n ol o tiene, la partícula o r i g i n a l s e l l a m a mesón ( l i t e r a l m e n t e , " l a i n t e r m e d i a " ) ; e n c a s o c o n t r a r i o , s e l l a m a barión ( l i t e r a l m e n t e " l a p e s a d a " ) .

E l término mesón

f u e acuñado e n l o s años t r e i n t a a c a u s a 65

5

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d e q u e l a s únicas partículas q u e s e conocían e n a q u e l t i e m p o y q u e s e a j u s t a b a n a n u e s t r a definición tenían u n a m a s a i n t e r m e d i a e n t r e l a d e l electrón y l a d e l protón. V e a m o s d o s e j e m p l o s i m p o r t a n t e s d e l mesón. E l p r i m e r o q u e s e descubrió s e designó c o n l a l e t r a g r i e g a m u ( f i ) y s e llamó mesón m u o m u o n . T i e n e u n a masa d e 0,105 G e V , unas doscientas veces l a m a s a d e l electrón y u n a n o v e n a p a r t e d e l a d e l protón. T i e n e s p i n 1/2 y s e d e s i n t e g r a e n a l r e d e d o r d e u n m i c r o s e g u n d o e n u n electrón, u n n e u t r i n o y u n a n t i n e u t r i n o . T o d o s e s t o s p r o d u c t o s d e desintegración s o n e s t a b l e s , y e l c o n j u n t o n o c o n t i e n e ningún protón, p o r l o q u e l a partícula e s c l a r a m e n t e u n mesón.

D e f o r m a s i m i l a r , a f i n a l e s d e l o s años c u a r e n t a s e d e s c u brió u n t i p o d e mesón q u e s e d e s i g n a c o n l a l e t r a g r i e g a p i ( j t ) y q u e s e d e n o m i n a mesón p i o pión. L o s t r e s m i e m b r o s d e l a f a m i l i a d e l mesón p i t i e n e n c a r g a s eléctricas p o s i t i v a , n e g a t i v a y neutra, respectivamente, y masas alrededor de los 0,14 G e V .

L o s dos m i e m b r o s con carga d e l a familia se desintegran e n 10~* segundos e n u nm u o n y u nneutrino, mientras que e l m i e m b r o neutro se desintegra e n 10~'* segundos e nu n par de f o t o n e s . L o s m u o n e s c r e a d o s p o r l a desintegración d e l o s p i o nes que tienen carga se desintegran a s u vez, por supuesto, p o r l o q u e e l c o n j u n t o d e p r o d u c t o s d e desintegración d e u n pión d e c a r g a n e g a t i v a , p o r e j e m p l o , c o n s i s t e e n u n electrón y u n c o n j u n t o d e tres neutrinos. Este c o n j u n t o n o contiene ningún protón, p o r l o q u e e l pión s a t i s f a c e d e m a n e r a c l a r a n u e s t r a definición d e mesón.

E n a m b o s e j e m p l o s , l a m a s a d e l mesón e s m e n o r q u e l a d e l protón. P a r a e s t a s partículas n o h a y s u f i c i e n t e energía e n l a m a s a d e l mesón p a r a p r o d u c i r u n protón e n t r e l o s p r o d u c t o s d e desintegración: s o n m e s o n e s p o r d e f e c t o . S e c o n o c e n , sin embargo, m u c h o s mesones cuya masa excede 1 G e V y p a r a e s t a s partículas podría h a b e r , e n p r i n c i p i o , u n protón e n t r e l o s p r o d u c t o s d e desintegración. P o r l o t a n t o , e l h e c h o d e q u e n oh a y a n i n g u n o nos dice algo f u n d a m e n t a l acerca d e l a n a t u r a l e z a d e l a partícula.

E l término barión s e a p l i c a a u n a partícula c u y a d e s i n t e g r a se

P A R T Í C U L A S ELEMENTALES Y Q U A R K S

ción t i e n e c o m o r e s u l t a d o f i n a l u n protón más o t r a s partículas estables. E s o b v i o q u e t o d o s los bariones d e b e n tener c o m o mínimo l a m a s a d e l protón. A u n q u e e n l a s l i s t a s d e partículas h a y c a s i t a n t o s b a r i o n e s c o m o m e s o n e s , aquí sólo d e s c r i b i r e m o s u n o d e e l l o s . Éste c o n s t i t u y e u n a f a m i l i a d e partículas q u e se d es i g na c o n l a letra delta ( A ) . Esta f a m i l i a t i e n e c u a t r o m i e m b r o s , c u y a s c a r g a s eléctricas v a n d e s d e d o s u n i d a d e s p o sitivas hasta u n a u n i d a d n e g a t i v a y q u e t i e n e n u n a m a s a cerc a n a a 1 , 2 G e V . E l d e l t a s e d e s i n t e g r a e n u n o s 10~^^ s e g u n d o s e n u n protón o u n neutrón y u n pión. P o r l o t a n t o , s u s p r o d u c t o s f i n a l e s d e desintegración serán u n protón y u n a c o l e c ción d e e l e c t r o n e s , p o s i t r o n e s y n e u t r i n o s . L a p r e s e n c i a d e u n protón, p o r s u p u e s t o , e s l o q u e sitúa e s t a partícula e n l a c a t e goría d e l o s baríones.

Clasifícación por la interacción L a m a y o r p a r t e d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , i n c l u s o l a s q u e t i e n e n v i d a s m u y c o r t a s , p u e d e n e x i s t i r d e n f r o d e l o s núc l e o s d e l o s átomos. E l d e l t a , p o r e j e m p l o , t i e n e u n a v i d a d e 10~^ segundos pero, sise m u e v e a una velocidad cercana a la d e l aluz ( 3 x 1 0 cm/seg), p u e d e recorrer 10~'^ c m antes d e d e s i n t e g r a r s e . E s t e v a l o r e s típico d e l a s d i s t a n c i a s e n t r e p a r tículas e n u n núcleo, p o r l o q u e e s p o s i b l e q u e e l d e l t a s i r v a d e m e d i o d e comunicación e n t r e l a s d i s t i n t a s p a r t e s d e l núcleo durante s u corta vida. Decimos que e l delta "participa" e n las i n t e r a c c i o n e s q u e m a n t i e n e n u n i d o a l núcleo. T o d a s l a s partíc u l a s q u e c o m p a r t e n e s t a característica s e l l a m a n h a d r o n e s ( " l a s q u e i n t e r a c c i o n a n c o n f u e r z a " ) . E s t e término p r o c e d e d e l h e c h o d e q u e l o s físicos l l a m a n interacción f u e r t e a l a f u e r z a q u e m a n t i e n e u n i d o e l núcleo.

C a s i t o d a s l a s partículas c o n o c i d a s s o n h a d r o n e s y e l e s t u d i o d e l a matería hadrónica h a s i d o u n t e m a m u y i m p o r t a n t e d e l a física d e s d e príncipios d e l o s años s e s e n t a . S i n e m b a r g o , u n a s p o c a s partículas n o e n t r a n e n e s t a categoría. E l fotón, p o r e j e m p l o , n o e s u n hadrón. C o n s t i t u y e , e n r e a l i d a d , u n a 67

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c l a s e p o r sí m i s m o ( e x t r e m o q u e más a d e l a n t e resultará m u y importante).

L a s demás partículas n o hadrónicas s o n l a s q u e i n t e r v i e n e n e n e l p r o c e s o d e l a desintegración r a d i a c t i v a . E s t a s partículas s e d e n o m i n a n l e p t o n e s ( " l a s q u e i n t e r a c c i o n a n débilmente").

E l leptón más f a m i l i a r e s e l electrón. N o e x i s t e e n e l núcleo d e l o s átomos, s i n q q u e órbita a l r e d e d o r s u y o . E s u n o d e l o s p r o d u c t o s f i n a l e s d e l a desintegración r e l a t i v a m e n t e l e n t a d e p a r tículas c o m o e l neutrón y e l m u o n . R e s u l t a q u e h a y o t r a s d o s partículas p a r e c i d a s a l electrón. Y a n o s h e m o s e n c o n t r a d o c o n u n a , e l mesón m u . T a m p o c o e x i s t e e n e l núcleo, p e r o e l p u n t o c l a v e e s q u e s i s e exceptúa s u m a s a m a y o r , e l m u o n e s e x a c t a m e n t e i g u a l a l electrón. T i e n e s p i n 1 / 2 y p a r t i c i p a e n l o s p r o c e s o s d e desintegración r a d i a c t i v a . E n r e a l i d a d , e s t o h a p r e o c u p a d o a l o s físicos d u r a n t e m u c h o t i e m p o . ¿Por qué l a n a t u r a l e z a h a h e c h o e l electrón y l u e g o h a r e p e t i d o e l m i s m o t r a b a j o d e n u e v o p e r o d o s c i e n t a s v e c e s más p e s a d o ?

E n 1 9 7 5 desapareció b u e n a p a r t e d e l a u r g e n c i a d e e s t a cuestión c u a n d o i n v e s t i g a d o r e s d e l a S t a n f o r d U n i v e r s i t y d e s c u b r i e r o n u n t e r c e r leptón, d e s i g n a d o c o n l a l e t r a g r i e g a tau (x). S u m a s a ( 1 , 8 G e V ) e r a tres m i l seiscientas v e c e s l a d e l electrón y d i e c i s i e t e v e c e s l a d e l m u o n , p e r o ésta e r a l a única d i f e r e n c i a e n t r e e s t a s partículas y e l t a u . P a r e c e c o m o s i l a n a t u r a l e z a , p o r a l g u n a razón, h u b i e r a h e c h o m u c h o s l e p t o n e s masivos.

L a s o t r a s partículas i n c l u i d a s e n l a categoría d e l o s l e p t o n e s s o n l o s n e u t r i n o s . S a b e m o s q u e s e p r o d u c e l a emisión d e u n n e u t r i n o e n conjunción c o n m e s o n e s m u a l d e s i n t e g r a r s e e l pión y también e n l a desintegración d e l neutrón. S i n e m b a r g o , resulta que los neutrinos emitidos e n a m b o s procesos n o son idénticos. S i t o m a m o s u n n e u t r i n o d e l a desintegración d e l pión y l o h a c e m o s i n c i d i r s o b r e u n b l a n c o , producirá m e s o n e s m u , p e r o n o e l e c t r o n e s . A lar i n v e r s a , l o s e l e c t r o n e s d e p r o c e s o s c o m o l a desintegración d e l neutrón n o p u e d e n p r o d u c i r mesones m u . E s probable que los neutrinos emitidos e n conjunción c o n e l t a u s e c o m p o r t e n d e i g u a l f o r m a . E n o t r a s p a labras, parece haber u n a g r u p a m i e n t o d e los electrones y los 68

P A R T Í C U L A S ELEIVIENTALES Y Q U A R K S

n e u t r i n o s e n p a r e j a s : c a d a partícula m a s i v a s e a s o c i a c o n u n t i p o d e n e u t r i n o y sólo c o n u n o . E s t o s a g r u p a m i e n t o s s e d e n o m i n a n generaciones. E n l a t a b l a s i g u i e n t e s e m u e s t r a n t o d o s los leptones conocidos.

Generación

Particula masiva

Neutrino

Primera Segunda Tercera

Electrón Mesón mu Mesón tau

Neutrino-e Neutrino-n Neutrino-T

E s t o c o n c l u y e n u e s t r a exposición d e l a s categorías más i m p o r t a n t e s e n q u e s e p u e d e n a g r u p a r l a s partículas e l e m e n t a l e s .

S e observará q u e , a u n q u e h e m o s h a b l a d o d e p r o p i e d a d e s t a l e s c o m o e l s p i n y l a desintegración, n o h e m o s p r e s t a d o m u c h a atención a l a c a r g a eléctrica. L a razón e s s e n c i l l a : a l a s t e m p e r a t u r a s q u e r e i n a b a n h a c i a e l p r i n c i p i o d e l a e r a d e l a s partículas, l a s i n t e r a c c i o n e s e n t r e partículas e r a n t a n energéticas q u e p u e d e suponerse que todos los m i e m b r o s d eu n a familia presentaban el m i s m o c o m p o r t a m i e n t o , s i m p l e m e n t e p o r q u e las diferencias d e b i d a s a l o s e f e c t o s eléctricos s o n t a n pequeñas q u e p u e d e n d e s p r e c i a r s e . Así, p o r e j e m p l o , h a b l a r e m o s d e l pión s i n p r e o c u p a m o s e n e s p e c i f i c a r d e cuál d e l o s t r e s m e s o n e s p i ( p o s i t i v o , n e u t r o o n e g a t i v o ) s e t r a t a . E l tínico l u g a r e n q u e l a c a r g a eléctrica e s i m p o r t a n t e e s e n l a s l e y e s d e conservación, t e m a a l q u e d e d i c a r e m o s a h o r a n u e s t r a atención.

L A S L E Y E S D E CONSERVACIÓN D E L A FÍSICA D E L A S PARTÍCULAS L a s i n t e r a c c i o n e s e n t r e partículas e l e m e n t a l e s n o o c u r r e n a l a z a r , s i n o q u e están g o b e r n a d a s p o r u n c o n j u n t o d e p r i n c i p i o s g e n e r a l e s c o n o c i d o s c o m o l e y e s d e conservación. U n físico dice que u n a cantidad se"conserva" c u a n d o n o cambia d u r a n t e u n d e t e r m i n a d o p r o c e s o físico. Y a n o s h e m o s r e f e r i d o a 69

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

u n o d e e s t o s p r i n c i p i o s , l a conservación d e l a energía. L a energía d e u n s i s t e m a a i s l a d o n o p u e d e c a m b i a r , y h e m o s u t i l i z a d o e s t e h e c h o p a r a m o s t r a r q u e u n a partícula n o p u e d e o r i g i n a r p r o d u c t o s d e desintegración más p e s a d o s q u e e l l a m i s m a . S i n o f u e r a así, l a energía d e l a m a s a d e l o s p r o d u c t o s d e desintegración sería m a y o r q u e l a energía d e l a m a s a d e l a partícula o r i g i n a l , l o q u e significaría q u e l a energía t o t a l d e l s i s t e m a s e habría i n c r e m e n t a d o d u r a n t e l a desintegración. E s t o sería u n a violación d i r e c t a d e l a conservación d e l a energía y , por l otanto, n op u e d e ocurrir e n la naturaleza. Este e j e m p l o i l u s t r a e l u s o g e n e r a l d e l o s p r i n c i p i o s d e conservación. E s t o s p r i n c i p i o s n o s d i c e n qué r e a c c i o n e s p u e d e n t e n e r l u g a r e n l a n a t u r a l e z a y n o s p e r m i t e n e x p l i c a r p o r qué c i e r t a s r e a c c i o n e s (las q u e v i o l a n l a s leyes) n o s e o b s e r v a n n u n c a .

O t r a l e y d e conservación i m p o r t a n t e e n e x t r e m o g o b i e r n a l a c a r g a eléctrica. S i s e s u m a n l a s c a r g a s eléctricas d e l a s p a r tículas q u e i n t e r v i e n e n e n u n a reacción y c o m p a r a m o s e s t a s u m a c o n l a d e l a s c a r g a s d e l a s partículas p r o d u c i d a s , a m b o s números d e b e n c o i n c i d i r . P o r e j e m p l o , l a desintegración d e l neutrón p u e d e e s c r i b i r s e simbólicamente: n ^ p

-f-

e

-I- V

d o n d e l a letra griega n u (v) r e p r e s e n t a el n e u t r i n o . L a carga t o t a l a l p r i n c i p i o e s c e r o , y a q u e e l neutrón e s eléctricamente n e u t r o . L a c a r g a t o t a l a l f i n a l e s - l - l (protón) - 1 (electrón) +0 ( n e u t r i n o ) = O , t a l c o m o d e b e s e r . A u n q u e l a conservación d e l a energía permitiría q u e e l neutrón s e d e s i n t e g r a r a así: n ^ p

-I- V -I- V

l a conservación d e l a c a r g a l o p r o h i b e , y a q u e supondría q u e l a c a r g a t o t a l d e l s i s t e m a c a m b i a d e O a +1 d u r a n t e l a d e s i n tegración. U n a f o r m a d e c o n s i d e r a r e s t e r e s u l t a d o e s a d v e r t i r q u e , c u a n d o d e c i m o s q u e l a s l e y e s d e conservación d e l a c a r g a p r o h i b e n l a desintegración d e l neutrón m o s t r a d a más a r r i 70

PARTÍCULAS ELEMENTALES Y QUARKS

ba, estamos diciendo q u e el t i e m p o necesario para q u e se p r o d u z c a e s t a desintegración e s i n f i n i t o .

L a c a r g a e s u n e j e m p l o d e a l g o q u e l o s físicos l l a m a n u n a simetría i n t e r n a d e l s i s t e m a . L a c a r g a eléctrica d e u n a partícula n o t i e n e n a d a q u e v e r c o n l o d e p r i s a q u e s e está m o v i e n d o o s i está g i r a n d o a l r e d e d o r d e s u e j e . E s u n a c a n t i d a d t o t a l m e n t e particular q u e o b e d e c e s u p r o p i o c o n j u n t o d e reglas. P o r l o q u e s a b e m o s , l a conservación d e l a c a r g a e s u n a l e y e x a c t a y universal y n o se c o n o c e n violaciones d e ella e nl a naturaleza.

S i n e m b a r g o , h a y o t r a s simetrías i n t e r n a s q u e n o s o n t a n u n i v e r s a l e s . E n l u g a r d e p r o h i b i r d e m a n e r a categórica u n a d e t e r m i n a d a reacción, sólo i m p o n e n q u e l a reacción s e p r o d u z c a m u c h o más d e s p a c i o d e l o q u e podría e s p e r a r s e .

L a p r i m e r a d e e s t a s simetrías q u e s e encontró s e p u s o d e m a n i f i e s t o e n a l g u n a s r e a c c i o n e s i n i c i a d a s p o r r a y o s cósmicos e n 1 9 4 7 . S e observó q u e u n a partícula c r e a d a e n l a colisión d e u n protón c o n u n núcleo vivía d u r a n t e u n t i e m p o m u y l a r g o a n t e s d e d e s i n t e g r a r s e , u n o s 1 0 ' ° s e g u n d o s . E s t a partícula, q u e s e designó c o n l a l e t r a g r i e g a lambda ( A ) , e r a más p e s a d a q u e e l protón y l o s físicos e s t a b a n s o r p r e n d i d o s p o r e l h e c h o d e q u e n o s e d e s i n t e g r a r a m u c h o más rápidamente d e l o q u e hacía. A p r i m e r a v i s t a , podía e s p e r a r s e q u e u n a partícula c o m o ésta s e d e s i n t e g r a r a e n u n t i e m p o característico d e l a s c o m u n i c a c i o n e s n u c l e a r e s — u n o s 1 0 " ^ s e g u n d o s más o m e n o s — p e r o ésta tenía u n a v i d a u n billón d e v e c e s más l a r g a .

A l d e s c u b r i r s e n u e v a s e s p e c i e s d e e s t a s partículas, s e l e s d i o e l n o m b r e d e partículas extrañas y a l f i n a l l o s físicos e m p e z a r o n a c o n s i d e r a r l a "extrañeza" c a s i d e l a m i s m a m a n e r a q u e c o n s i d e r a b a n l a c a r g a eléctrica. L a extrañeza ( o l a f a l t a d e e l l a ) s e convirtió e n u n a t r i b u t o intrínseco d e l a s partículas, i g u a l q u e l a c a r g a eléctrica, c o n l a excepción d e q u e l a extrañeza n o s e c o n s e r v a b a e s t r i c t a m e n t e e n l a s i n t e r a c c i o n e s d e l a s partículas.

A d i f e r e n c i a d e l a conservación d e l a c a r g a , l a l e y d e l a c o n servación d e l a extrañeza parecía d e c r e t a r q u e c u a n d o s e v i o l a b a l a conservación d e l a extrañeza ( e s d e c i r , c u a n d o l a e x t r a ñeza e r a d i f e r e n t e después d e u n a interacción d e l o q u e había s i d o a n t e s ) , e l t i e m p o d e l a interacción a u m e n t a b a m u c h o .

71

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

pero n ohasta hacerse infinito. P o r ejemplo, e n l a desintegración d e l l a m b d a , A

p -f

Ji'

s e c o n s e r v a l a c a r g a eléctrica, p e r o n o l a c a r g a d e extrañeza.

L a extrañeza d e l a s partículas d e l a d e r e c h a e s O , m i e n t r a s q u e l a d e l l a m b d a e s , p o r convención, - 1 . P o r l o t a n t o , l a l e y d e l a conservación d e l a extrañeza n o s i n d i c a q u e e s t a r e a c ción d e b e p r o d u c i r s e c o n b a s t a n t e l e n t i t u d , t a l c o m o r e a l m e n te sucede.

E n 1 9 7 4 d o s e q u i p o s i n d e p e n d i e n t e s d e físicos d e s c u b r i e r o n u n a n u e v a partícula q u e m o s t r a b a o t r o t i p o d e simetría i n t e r n a . E s t a c a n t i d a d s e llamó e n c a n t o ( l o s físicos d e partículas han adquirido lainquietante costumbre d e encontrar nombres "ingeniosos" para lascantidades que introducen). E l encanto p u e d e c o n s i d e r a r s e también análogo a l a c a r g a eléctrica y , a l i g u a l q u e s e d e s c u b r i e r o n f a m i l i a s e n t e r a s d e partículas c o n extrañeza, también s e h a n o b s e r v a d o e n e l l a b o r a t o r i o m u c h a s partículas c o n e n c a n t o .

S e s u p o n e q u e e x i s t e n d o s a t r i b u t o s más c o m o e l e n c a n t o y l a extrañeza. S e l e s d e s i g n a c o n l a s l e t r a s b y t y p u e d e n e s c o g e r s e n o m b r e s c o m o fondo ("bottom") y cima ("top") o belleza ( " b e a u t y " ) y verdad ( " t r u t h " ) . S e h a n d e s c u b i e r t o partícul a s q u e t i e n e n c a r g a b , a u n q u e n o e n g r a n número. Aún n o s e h a n o b s e r v a d o partículas t ; s e s u p o n e q u e t i e n e n u n a m a s a d e u n a s d i e z v e c e s l a d e l protón y p o r l o t a n t o u n p o c o p o r e n c i m a d e l a c a p a c i d a d d e producción d e l o s a c e l e r a d o r e s a c tuales.

P o r l o t a n t o , p o d e m o s d e f i n i r u n a partícula d e a c u e r d o c o n l a s d i s t i n t a s " c a r g a s " q u e l l e v a . P o r e j e m p l o , e l protón t i e n e u n a c a r g a eléctrica - 1 - 1 , extrañeza, e n c a n t o , b y t i g u a l a 0 .

E s t a ristra d e números, j u n t o c o n e l q u e d e s i g n a e l s p i n , s e l l a m a números cuánticos d e l a partícula q u e s e d e s c r i b e . L o s números cuánticos d e l a s antipartículas s o n , s i m p l e m e n t e , l o s n e g a t i v o s d e l o s a s o c i a d o s c o n l a partícula.

72

PARTÍCULAS ELEMENTALES Y QUARKS

QUARKS S i v o l v e m o s a l a i d e a c o n q u e e m p e z a m o s e s t a discusión s o b r e partículas e l e m e n t a l e s — q u e l o s b l o q u e s elementales c o n s t i t u t i v o s d e l a m a t e r i a deberían s e r s i m p l e s y p o c o s e n núm e r o — e s e v i d e n t e q u e l a proliferación d e partículas e l e m e n t a l e s q u e s e p r o d u j o entre 1 9 5 0 y 1 9 7 0 n o e s satisfactoría.

Antes, siempre que se encontraba e n l a naturaleza u n a situación c o m p l e j a c o m o ésta, s e descubría q u e d e s c e n d i e n d o a u n n i v e l más p r o f u n d o d e l a r e a l i d a d , l a c o m p l e j i d a d q u e d a b a r e e m p l a z a d a p o r u n a n u e v a s i m p l i c i d a d . L a i d e a d e l o s átom o s , así c o m o l a i m a g e n d e l a m a t e r i a a b a s e d e p r o t o n e s , n e u t r o n e s y electrones, representan este tipo d e procesos. N o sorprenderá, p o r l o . t a n t o , s a b e r q u e y a a p a r t i r d e 1 9 6 4 l o s fís i c o s p o s t u l a b a n q u e l a m u l t i t u d d e partículas e l e m e n t a l e s e s t a b a n e n r e a l i d a d c o m p u e s t a s p o r partículas aún más básicas l l a m a d a s quarks. E l n o m b r e e s u n a alusión a u n a línea d e l a o b r a Finnegan's Wake d e J a m e s J o y c e : «Tres q u a r k s p a r a M u s t e r Mark.» L a alusión tenía s e n t i d o c u a n d o s e i n t r o d u j o l a teoría p o r q u e s e creía a l príncipio q u e había t r e s t i p o s d i f e r e n tes d e quarks. E ln o m b r e se h a m a n t e n i d o a pesar d e q u e e l número d e q u a r k s h a a u m e n t a d o d e s d e e n t o n c e s .

L a idea es que los protones, los neutrones, los piones y t o d o s l o s demás h a d r o n e s s o n s i m p l e m e n t e d i s p o s i c i o n e s d i s t i n t a s d e l o s q u a r k s , l o s b l o q u e s c o n s t i t u t i v o s básicos. L o s b a ríones están c o m p u e s t o s p o r t r e s q u a r k s , m i e n t r a s q u e l o s m e s o n e s están f o r m a d o s p o r u n q u a r k y u n a n t i q u a r k . L a p r o p i e d a d más s o r p r e n d e n t e d e l o s q u a r k s e s q u e t i e n e n u n a c a r g a eléctrica f r a c c i o n a r i a . L o s números cuánticos d e l o s t r e s q u a r k s originales se d a n e n l a tabla siguiente:

Tipo de quarlí

Spin

Carga eléctrica

Extrañeza

u

1/2 1/2 1/2

2/3 -1/3 -1/3

0 0 -1

d s

73

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

L o s t r e s a n t i q u a r k s , p o r s u p u e s t o , t i e n e n c a r g a s eléctricas y d e extrañeza o p u e s t a s a l a s d e l a t a b l a . E s c o s t u m b r e i n d i c a r l o s antiquarks escribiendo u n a barra e n c i m a d e l aletra. P o r e j e m p l o , e l q u a r k a n t i - u s e e s c r i b e ü.

J u n t a r e s t o s q u a r k s p a r a c a r a c t e r i z a r l a s partículas e l e m e n tales es u n ejercicio simple, algo parecido a construir u n a e s t r u c t u r a c o n l o s b l o q u e s d e constmcción d e l o s niños. E l p r o tón, p o r e j e m p l o , t i e n e q u e t e n e r l a e s t m c t u r a q u e s e m u e s t r a e n l a f i g u r a 6 . Está c o m p u e s t o p o r d o s q u a r k s u y u n q u a r k d , dos d e los cuales giran e n sentido o p u e s t o a l tercero. E l spin t o t a l d e e s t e o b j e t o ( l a s u m a d e l o s s p i n s d e l o s q u a r k s ) sería 1 / 2 -I- 1 / 2 - 1 / 2 1 / 2 , m i e n t r a s q u e l a c a r g a t o t a l sería 2 / 3 + + 2 / 3 - 1 / 3 = 1 . Éstos s o n , p o r s u p u e s t o , l o s números cuánt i c o s d e l protón.

Protón Fig.

6

Pión Fig. 7

P o r o t r a p a r t e , u n pión tendría l a e s t r u c t u r a q u e s e m u e s t r a en l a figura 7: u n quark u y u n quark anti-d que giran e ndir e c c i o n e s o p u e s t a s . E l s p i n ( 1 / 2 - 1 / 2 = 0 ) y l a c a r g a eléctríca ( 2 / 3 - I - 1 / 3 = 1 ) d e e s t a combinación s o n p r e c i s a m e n t e l o s v a lores que requiere e l m i e m b r o d e carga positiva d e l a familia d e l mesón p i .

D e h e c h o , t o d a s l a s partículas c o n c a r g a d e extrañeza c e r o p u e d e n f o r m a r s e m e d i a n t e l a combinación d e l o s q u a r k s u. ú. dy d. S i n e m b a r g o , p a r a p r o d u c i r u n a partícula c o n extrañeza, es n e c e s a r i o i n c l u i r e l q u a r k s e n l a e s t r u c t u r a . P o r e j e m p l o , s i 74

P A R T Í C U L A S ELEIVIENTALES Y Q U A R K S

Fig.

8

reemplazáramos u n o d e l o s q u a r k s u d e l protón p o r u n q u a r k s , tendríamos u n a partícula c o n s p i n 1 / 2 , c a r g a eléctrica 2 / 3 - 1 / 3 - 1 / 3 = O y u n a c a r g a d e extrañeza 0 + 0 - 1 - 1 . Éstos s o n p r e c i s a m e n t e l o s números cuánticos d e l a partícula l a m b d a . L a desintegración d e l l a m b d a e n u n protón y u n pión s u p o n e dos procesos a nivel d e los quarks: e l q u a r k s debe convertirse e n u o d y debe crearse u n par quark-antiquark.

Este proceso se describe e n l a figura 8 . P o r l o tanto, l a desintegración l e n t a a s o c i a d a c o n e l c a m b i o d e extrañeza s e i n t e r pretan, a nivel d e los quarks, c o m o que se d e b e n a l a neces i d a d d e q u e u n o d e l o s q u a r k s d e l a partícula o r i g i n a l s e c o n vierta e n u n tipo diferente d e quark.

E s t a interpretación d e l a extrañeza i n d i c a p o r qué, c u a n d o s e descubrió u n a n u e v a partícula d e v i d a l a r g a d e m a n e r a s i multánea e n l o s B r o o k h a v e n L a b o r a t o r i e s d e N u e v a Y o r k y e n el S t a n f o r d Linear Accelerator Center d e Califomia, l a desintegración l e n t a s e tomó c o m o e v i d e n c i a d e u n c u a r t o q u a r k que llevaba u n tipo d ecarga a l aque se dio e ln o m b r e d e encanto. E nl a tabla siguiente se indican los quarks que se h a n añadido a l a l i s t a d e s d e e n t o n c e s .

Quark

Carga

Extrañeza

Encanto

b

t

c

2/3 -1/3 2/3

0 0 0

1 0 0

0 1 0

0 0 1

b

t

75

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

T o d o s e s t o s q u a r k s t i e n e n s p i n 1/2 y p a r a c a d a u n o d e e l l o s h a y t o d a u n a f a m i l i a d e partículas f o r m a d a s m e d i a n t e l a s u s titución d e l o s q u a r k s u y d d e l a s partículas c o r r i e n t e s p o r q u a r k s c, b o t . L a e s t r u c t u r a d e l l a m b d a , f o r m a d o a l s u s t i t u i r u n q u a r k u d e l protón p o r u n q u a r k s , e s u n e j e m p l o d e e s t e proceso.

E s i n t e r e s a n t e señalar q u e , d e l a m i s m a m a n e r a q u e h a y s e i s l e p t o n e s d i s p u e s t o s e n t r e s g e n e r a c i o n e s , también h a y s e i s q u a r k s . L o s q u a r k s también s e p u e d e n d i s p o n e r e n g e n e r a c i o nes d e l a f o r m a siguiente: Generación

Quarks

Primera Segunda Tercera

u, d s, c

L a analogía e n t r e q u a r k s y l e p t o n e s será i m p o r t a n t e más a d e lante.

P o r último, h a y o t r o s d o s términos q u e s e u t i l i z a n a l h a b l a r de los quarks. H e m o s hablado del tipo d e quark cuando quer e m o s d i s t i n g u i r , p o r e j e m p l o , e n t r e l o s q u a r k s s y u . L o s físic o s , s i g u i e n d o l a tradición " i n g e n i o s a " , h a b l a n d e l s a b o r d e l q u a r k c u a n d o h a c e n e s t a distinción. Así, l o s q u a r k s u y d s o n d e l a m i s m a generación, p e r o d e s a b o r e s d i f e r e n t e s .

P o r r a z o n e s técnicas, n o n e c e s i t a m o s p r o f u n d i z a r más aquí, a u n q u e l o s físicos c r e e n q u e d e b e h a b e r aún o t r a s i m e tría i n t e m a a s o c i a d a c o n l o s q u a r k s , u n t i p o d e a t r i b u t o d e n o m i n a d o color. A d i f e r e n c i a d e l e n c a n t o y l a extrañeza, e s t e a t r i buto particular n o tiene ninguna consecuencia experimental inmediata que pueda particularizarse con facilidad. P o r lo tant o , d e m o m e n t o sólo señalaremos q u e e n l a s g r a n d e s teorías u n i f i c a d a s , c a d a u n o d e l o s tipos d e q u a r k s d e l a s t a b l a s ( u , d, s, c, b y t) e s e n r e a l i d a d u n a f a m i l i a d e t r e s q u a r k s , c a d a u n o de ellos c o n u n a "carga" d e color distinta. E s similar a l o que o c u r r e c o n e l pión, d o n d e e l Jt e s e n r e a l i d a d u n a f a m i l i a d e t r e s partículas q u e s e d i s t i n g u e n p o r t e n e r u n a c a r g a eléctríca 76

P A R T Í C U L A S ELEMENTALES Y Q U A R K S

distinta. L o s quarks p u e d e n imaginarse c o m o si f u e r a n d e c o lor rojo, blanco y azul (mis colores favoritos) o rojo, verde y azul (los colores p r i m a r i o s ) , y a q u e p o r e l m o m e n t o n o h a y u n a terminología cromática a c e p t a d a e n g e n e r a l . L o más i m p o r t a n t e q u e h a y ' q u e t e n e r e n c u e n t a e s q u e e s t a terminología n o d e b e s u g e r i r q u e l o s q u a r k s están r e c u b i e r t o s c o n a l g u n a especie d e pintura. E lcolor, aplicado a los quarks, se refiere s i m p l e m e n t e a u n a p r o p i e d a d intrínseca d e l a s partículas, c o m o l o e s l a c a r g a eléctríca y l a extrañeza.

SUMARIO L a s p r o p i e d a d e s d e l a s partículas e l e m e n t a l e s q u e p u e d e n u s a r s e p a r a s u clasificación s o n l a m a s a , e l s p i n y l a d e s i n t e g r a ción. L a m a s a d e l a s partículas e l e m e n t a l e s s e m i d e e n u n i d a d e s l l a m a d a s G e V (gigaelectronvoltío); 1 G e V e s l i g e r a m e n t e s u p e r i o r a l a m a s a d e l protón. C a b e i m a g i n a r l a s partículas c o m o pequeñas e s f e r a s q u e g i r a n a l r e d e d o r d e s u e j e . L a s l e y e s d e l a mecánica cuántica e x i g e n q u e l a v e l o c i d a d d e r o t a ción d e u n a partícula d a d a t e n g a u n o s v a l o r e s c o n c r e t o s . E s c o s t u m b r e d e s c r i b i r l a rotación d e u n a partícula m e d i a n t e e l número p o r e l q u e h a y q u e m u l t i p l i c a r l a v e l o c i d a d d e r o t a ción básica p a r a o b t e n e r l a v e l o c i d a d r e a l d e l a partícula. D e e s t e m o d o , u n a partícula q u e g i r a a 1 / 2 d e s u v e l o c i d a d d e r o tación básica s e d i c e q u e tiene s p i n 1 / 2 , y así s u c e s i v a m e n t e .

C a s i t o d a s l a s partículas e l e m e n t a l e s s o n i n e s t a b l e s e n e l s e n t i d o d e q u e s i s e las deja solas u n t i e m p o suficiente s e d e s i n t e g r a n y p r o d u c e n u n n u e v o c o n j u n t o d e partículas l l a m a d a s p r o d u c t o s d e desintegración. E l tiempo d e v i d a d e u n a partícula e s e l tiempo m e d i o q u e p u e d e v i v i r a n t e s d e d e s i n t e g r a r s e ; p u e d e s e r t a n c o r t o c o m o 1 0 ~ ^ s e g u n d o s (partícula d e l t a ) o t a n l a r g o c o m o m i l e s d e m i l l o n e s d e años (núcleo d e uranio).

Basándose e n e s t a s y o t r a s p r o p i e d a d e s , l a s partículas p u e d e n c l a s i f i c a r s e d e m u c h a s m a n e r a s , / ^ g u n a s categorías q u e serán i m p o r t a n t e s s o n l a s s i g u i e n t e s : 77

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Fermiones: Bosones: Bariones: Mesones: Hadrones: Leptones:

partículas d e s p i n 1 / 2 , 3 / 2 , 5 / 2 . . . partículas d e s p i n O , 1 , 2 , 3 . . . partículas c u y o s p r o d u c t o s d e desintegración finales i n c l u y e n u n protón. partículas c u y o s p r o d u c t o s d e desintegración finales n o i n c l u y e n u n protón. partículas q u e i n t e r v i e n e n e n l a interacción q u e m a n t i e n e u n i d o e l núcleo. partículas q u e n o i n t e r v i e n e n e n l a interacción q u e m a n t i e n e u n i d o e l núcleo.

D e t o d a s e s t a s categorías, l o s l e p t o n e s s o n l o s más s e n c i l l o s d e d e s c r i b i r , d a d o q u e sólo h a y s e i s d e e l l o s . T o d o s s o n f e r m i o n e s d e s p i n 1 / 2 , y e l electrón e s e l más f a m i l i a r . C o n c a d a leptón m a s i v o , c o m o e l electrón, está a s o c i a d a u n a p a r tícula s i n m a s a l l a m a d a n e u t r i n o . H a b l a m o s d e a g r u p a r l o s l e p t o n e s e n g e n e r a c i o n e s . Así, l a p r i m e r a generación d e l e p t o n e s está c o n s t i t u i d a p o r e l electrón y s u n e u t r i n o a s o c i a d o , l a s e g u n d a p o r e l mesón m u c o n s u n e u t r i n o y l a t e r c e r a p o r e l mesón t a u c o n o t r o n e u t r i n o . L o s m e s o n e s m u y t a u s o n p a r e c i d o s e n t o d o s l o s a s p e c t o s a l electrón, e x c e p t o e n e l h e c h o d e q u e s o n más p e s a d o s .

E l c o m p o r t a m i e n t o d e l a s partículas e l e m e n t a l e s está g o b e r n a d o p o r u n c o n j u n t o d e l e y e s d e conservación. E s t a s l e y e s e s t a b l e c e n q u e e n c u a l q u i e r interacción d e t e r m i n a d a s c a n t i d a d e s n o s e m o d i f i c a n ( s e c o n s e r v a n ) . L a c a r g a eléctrica e s u n e j e m p l o d e e l l o , p u e s t o q u e n o c o n o c e m o s ningún c a s o e n q u e c a m b i e l a c a r g a t o t a l d e u n s i s t e m a a i s l a d o . E s t a l e y está a s o c i a d a a l a e x i s t e n c i a d e l a c a r g a elécbica c o m o u n a p r o p i e d a d d e l a s partículas e l e m e n t a l e s . Además d e l a c a r g a eléctrica f a m i l i a r , h a y o t r o s a t r i b u t o s d e l m i s m o t i p o a s o c i a d o s a las p a r tículas e l e m e n t a l e s . E s t o s o t r o s a t r i b u t o s ( o simeti-ías i n t e m a s , p a r a u s a r e l término técnico) s o n l a extrañeza (s), e l e n c a n t o (c), l a b e l l e z a (b) y l a v e r d a d (t). A d i f e r e n c i a d e l a c a r g a eléctrica, estas otras "cargas" n os e c o n s e r v a n estrictamente, p e r o l a s r e a c c i o n e s e n l a s q u e c a m b i a n tienen l u g a r c o n m u c h a más l e n t i t u d q u e las reacciones e n q u e n o c a m b i a n .

78

PARTICULAS E L E M E N T A L E S Y Q U A R K S

S e c r e e q u e l o s c e n t e n a r e s d e partículas e l e m e n t a l e s c o n o c i d a s están c o n s t i t u i d a s p o r b l o q u e s c o n s t i t u t i v o s aún más e l e m e n t a l e s , l l a m a d o s q u a r k s . L o s b a r i o n e s están c o m p u e s t o s p o r tres quarks y los m e s o n e s p o r u n q u a r k y u n antiquark.

H a y s e i s t i p o s d e q u a r k s , t o d o s e l l o s c o n u n a c a r g a eléctrica f r a c c i o n a r i a . Además, l o s q u a r k s s, c, by t t i e n e n c a d a u n o d e e l l o s u n a u n i d a d d e c a r g a d e extrañeza, d e e n c a n t o , d e b e l l e z a o d e v e r d a d , r e s p e c t i v a m e n t e . P o r último, s e c r e e a h o r a q u e e x i s t e todavía o t r a simetría i n t e m a l l a m a d a c o l o r y q u e c a d a t i p o d e q u a r k r e p r e s e n t a e n r e a l i d a d u n a f a m i l i a d e t r e s partíc u l a s , q u e s o n idénticas e n t o d o s l o s a s p e c t o s e x c e p t o e n q u e tienen distinto color. P o rl o tanto, se requieren dieciocho q u a r k s (seis t i p o s d e tres c o l o r e s c a d a u n o ) y d i e c i o c h o a n tiquarks para hacer e l m u n d o .

5.

Las fuerzas fundamentales Todos los cuerpos permar\ecen en estado de o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sean obligados a cambiar su por fuerzas aplicadas sobre ellos.

ISAAC

Principia

LA

reposo, estado

N E W T O N

Mathematica

GRAVEDAD

T o d o s t e n e m o s u n c o n t a c t o c o n s t a n t e c o n u n a d e las f u e r zas f u n d a m e n t a l e s d el an a t u r a l e z a , l af u e r z a d e l a g r a v e d a d .

A pesar d e sernos tan familiar esta fuerza e nnuestra existencia c o t i d i a n a , n o s e comprendió u n h e c h o m u y i m p o r t a n t e d e l a g r a v e d a d h a s t a q u e I s a a c N e w t o n formuló s u l e y d e l a g r a v i tación u n i v e r s a l , e n 1 6 6 6 . H a s t a l a época d e N e w t o n , s e creía d e m o d o g e n e r a l q u e n o había u n a , s i n o d o s f u e r z a s d e g r a v e d a d e n acción e n e l U n i v e r s o . U n a d e e l l a s , l a q u e s e o b s e r v a b a e n l a T i e r r a , e s l a f u e r z a f a m i l i a r q u e c a u s a l a caída d e l o s c u e r p o s c u a n d o están s i n a p o y o ; l a o t r a f u e r z a , q u e n o s e conocía c o n e l n o m b r e d e g r a v e d a d , o p e r a b a e n l o s c i e l o s , i m p u l s a b a los p l a n e t a s y las estrellas e n sus e s f e r a s d e cristal.

E n e l p e n s a m i e n t o p r e n e w t o n i a n o , l o s d o s fenómenos e r a n t a n c l a r a m e n t e d i f e r e n t e s q u e r e s u l t a b a o b v i o q u e las d o s f u e r z a s q u e intervenían e r a n t o t a l m e n t e d i s t i n t a s y n o g u a r d a b a n n i n g u n a relación e n t r e sí.

E l g r a n l o g r o d e N e w t o n f u e d e m o s t r a r q u e había u n a s o l a fuerza gravitatoria e n e lU n i v e r s o y que e l m o v i m i e n t o d e los p l a n e t a s y l a caída d e u n a m a n z a n a e r a n a m b o s s i m p l e s m a 81 6

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

n i f e s t a c i o n e s d e u n único e f e c t o u n i v e r s a l . E n l e n g u a j e m o d e r n o , d e c i m o s q u e N e w t o n "unificó" l a s d o s f u e r z a s d e g r a v e d a d y q u e l a teoría n e w t o n i a n a d e l a gravitación e s u n a "teoría u n i ficada". D a d o que, a ltratar d e este tema, h a b l a m o s a m e n u d o d e c a m p o s g r a v i t a t o r i o s , s e podría a p l i c a r también e l término d e teoría del campo unificado.

L a f o r m a e n q u e N e w t o n llegó a s u l e y d e l a gravitación u n i v e r s a l r e s u l t a i n t e r e s a n t e . Empezó p o r r e f l e x i o n a r a c e r c a d e u n s i m p l e proyectil l a n z a d o desde la superficie terrestre. E l o b j e t o r e c o r r e cierta d i s t a n c i a ( u n o s m e t r o s , p . ej.) a n t e s d e q u e l a f u e r z a d e l a g r a v e d a d t e r r e s t r e tíre d e él h a s t a e l s u e l o . S i s e l a n z a r a e l p r o y e c t i l c o n más f u e r z a , iría más l e j o s a n t e s d e t o c a r e l s u e l o ; a s i m i s m o , c u a n t o más rápido s e m o v i e r a , más l e j o s llegaría. N e w t o n llevó e s t e p r o c e s o h a s t a e l c a s o e x t r e m o e imaginó q u e s i s e l a n z a b a u n o b j e t o c o n l a s u ficiente v e l o c i d a d , éste podría d a r l a v u e l t a e n t e r a a l a T i e r r a y v o l v e r a l p u n t o d e s d e d o n d e había s i d o l a n z a d o . C o n l a v e l o c i d a d a d e c u a d a , regresaría a e s t e p u n t o moviéndose e x a c t a m e n t e a l a m i s m a v e l o c i d a d c o n l a q u e había s a l i d o d e él, e n c u y o c a s o volvería a d a r más v u e l t a s . L a s e m e j a n z a e n t r e e l p r o y e c t i l q u e d a b a v u e l t a s a l a T i e r r a y l a L u n a e n s u órbita f u e t o d o l o q u e N e w t o n necesitó p a r a c i a r s e c u e n t a d e q u e n o había n i n g u n a razón p a r a l a e x i s t e n c i a d e d o s f u e r z a s g r a v i t a t o n a s distintas e ne lU n i v e r s o . L a m i s m a fuerza, l aq u e h o y llam a m o s g r a v e d a d , podía e x p l i c a r t a n t o e l m o v i m i e n t o d e l o s objetos cerca d e l a superficie d ela T i e r r a c o m o e ld e los cuerp o s e n órbita e n e l S i s t e m a S o l a r . D e s d e a q u e l m o m e n t o , d e sapareció l a distinción a r t i f i c i a l e n t r e l o s fenómenos c e l e s t e s y los terrestres y s e s u p u s o q u e lasm i s m a s leyes o p e r a b a n e n todas partes.

P a r a n u e s t r a discusión, l a s d o s características más i m p o r tantes d e l agravedad son su alcance y su intensidad. E l alcance d e u n a f u e r z a e s l a distancia a l a q u e l l e g a n s u s efectos.

P a r a l a g r a v e d a d , e l a l c a n c e e s i n f i n i t o . L a s g a l a x i a s más r e m o t a s están e j e r c i e n d o u n a f u e r z a s o b r e e l l e c t o r d e e s t e l i b r o , a u n q u e e s t a n pequeña q u e jamás podría m e d i r s e . C o n f o r m e a l oexpresado p o r N e w t o n , t o d o cuerpo del Universo ejerce 82

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

u n a f u e r z a s o b r e l o s demás c u e r p o s , s i n i m p o r t a r l o g r a n d e q u e s e a s u separación.

L a intensidad d e u n a fuerza es algo q u ep o r regla general s e e x p r e s a e n relación c o n o t r a s f u e r z a s y n o e n términos a b s o l u t o s . A u n q u e p u e d e s e r difícil d e c r e e r después d e h a b e r a y u d a d o a u n a m i g o a s u b i r u n sofá h a s t a u n t e r c e r p i s o , l a g r a v e d a d e s c o n m u c h o l a más débil d e l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s . L a razón d e q u e e j e r z a u n a i n f l u e n c i a d o m i n a n t e e n nuestras vidas se debe a q u e vivimos e n l asuperficie d e u n a masa inmensa (la Tierra), q u e funciona c o m o u n gigantesco generador d e fuerza gravitatoria. S i n embargo, e l hecho d e q u e s e p u e d a l e v a n t a r u n c l a v o c o n u n imán m u e s f r a q u e n i siquiera laTierra entera tirando d eu n lado puede contrarrestar l a f u e r z a magnética e j e r c i d a p o r a l g o q u e s e p u e d e s o s t e n e r en una mano.

EL

ELECTROMAGNETISMO

L o s g r i e g o s sabían m u y b i e n q u e s i s e f r o t a b a n d e t e r m i n a d o s o b j e t o s c o m u n e s , c o m o u n p e d a z o d e ámbar, s e l e s a d herían pequeños f r a g m e n t o s d e m a t e r i a . H o y diríamos q u e l o s g r i e g o s conocían l a e l e c t r i c i d a d estática. ( P o r c i e r t o , l a p a l a b r a electrón s i g n i f i c a ámbar e n g r i e g o . ) L o s g r i e g o s también e s t a b a n f a m i l i a r i z a d o s c o n l a f u e r z a magnética. S i n e m b a r g o , h a s t a f i n a l e s d e l s i g l o X V I I I , n o s e estudió d e m a n e r a sistemática n i n g u n a d e e s t a s d o s f u e r z a s , a u n q u e e l m a g n e t i s m o s e había u s a d o e x t e n s i v a m e n t e e n l a s brújulas d e navegación. S a b e m o s q u e h a y d o s c l a s e s d e c a r g a eléctrica, q u e l l a m a m o s p o s i t i v a y negativa, y q u e lascargas iguales se repelen, mientras q u e l a s d i f e r e n t e s s e a t r a e n . También s a b e m o s q u e s i a c e r c a m o s dos imanes, sus polos norte se repelen, pero e l polo norte y el sur se atraen m u t u a m e n t e . C o m o e ne lcaso d el a gravedad t e r r e s t r e y c e l e s t e , n o p a r e c e h a b e r m u c h a conexión e n t r e e l imán q u e s u j e t a u n a n o t a e n l a p u e r t a d e l r e f r i g e r a d o r y l a e l e c t r i c i d a d estática q u e h a c e s a l t a r u n a c h i s p a d e s d e l a m a n o después d e h a b e r a n d a d o s o b r e u n a a l f o m b r a e n u n día s e c o .

83

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

U n o d e l o s g r a n d e s l o g r o s d e l a física d e l s i g l o X I X f u e d e m o s t r a r q u e e s t a s d o s f u e r z a s , a p a r e n t e m e n t e t a n d i f e r e n t e s , sólo s o n , d e h e c h o , a s p e c t o s d i s t i n t o s d e u n a única f u e r z a : e l e l e c tromagnetismo.

E l p r i m e r p a s o e n e s t e p r o c e s o d e comprensión l o d i o e l físico danés H a n s C h r i s t i a n O e r s t e d , e n 1 8 1 9 . C a s i p o r a c c i d e n t e , observó q u e c u a n d o c o n e c t a b a u n h i l o e n t r e l o s p o l o s d e u n a batería, d e f o r m a q u e c i r c u l a r a u n a c o r r i e n t e eléctrica, s e d e s v i a b a l a a g u j a d e u n a brújula s i t u a d a c e r c a . L a i n v e s t i gación p o s t e r i o r reveló q u e s i e m p r e q u e s e movía u n a c a r g a eléctrica, ésta e r a c a p a z d e p r o d u c i r u n a f u e r z a magnética. Y e s t o e r a c i e r t o t a n t o s i l a c a r g a e n cuestión e r a u n a única p a r tícula q u e s e movía l i b r e m e n t e p o r e l e s p a c i o , c o m o s i e r a l a m u l t i t u d d e partículas q u e c o n s t i t u y e n u n a c o r r i e n t e eléctrica e n u n a l a m b r e . N o s e tardó m u c h o e n e s t a b l e c e r l a relación i n v e r s a . S e demostró q u e u n imán e n m o v i m i e n t o e r a c a p a z d e e j e r c e r u n a f u e r z a eléctrica ( e s d e c i r , d e h a c e r q u e s e m o v i e r a u n a c a r g a eléctrica). S e estableció así u n a conexión e n t r e d o s fenómenos a p a r e n t e m e n t e d i s p a r e s . E s t a conexión r e p r e s e n t a u n t i p o d e unificación a l g o más a b s t r a c t o q u e l a e s t a b l e c i d a p o r N e w t o n p a r a l a g r a v e d a d . L o s fenómenos eléctricos y magnéticos s e s i g u e n p e r c i b i e n d o c o m o s i f u e r a n d i f e r e n t e s , p e r o estos e x p e r i m e n t o s p o n e n d e m a n i f i e s t o q u e las d i f e r e n c i a s n o s o n e n r e a l i d a d f u n d a m e n t a l e s . P o r l o t a n t o , l o s físicos se v i e r o n l l e v a d o s a c o n s i d e r a r q u e l aelectricidad y e l m a g n e tismo eran d o s manifestaciones distintas del m i s m o proceso subyacente.

E l t o q u e final e n e s t e p r o c e s o d e unificación e s t u v o a c a r g o d e l físico escocés J a m e s C l e r k M a x w e l l , q u e publicó l o q u e a h o r a s e c o n s i d e r a l a teoría d e f i n i t i v a d e l e l e c t r o m a g n e t i s m o e n f o r m a d e cuatiro e c u a c i o n e s (conocidas, m u y a p r o p i a d a m e n t e , c o m o las e c u a c i o n e s d e M a x w e l l ) . E n estas e c u a c i o n e s i n t e r v i e n e n p o r igual l aelectiricidad y e lm a g n e t i s m o enb-elazad o s d e u n m o d o inextricable. E n efecto, las e c u a c i o n e s m u e s tran que e ne lespacio libre, lejos d e cualquier material, es p o s i b l e i n t e r c a m b i a r c a m p o s elécbicos y magnéticos s i n p r o d u c i r n i n g u n a variación e n l a s e c u a c i o n e s básicas.

84

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

Igual q u ee ne lcaso d el agravedad, e lalcance d ela fuerza electromagnética e s i n f i n i t o . U n a partícula c a r g a d a e n u n l a d o de l aGalaxia es,e nprincipio, capaz d e ejercer u n a fuerza sob r e o t r a partícula c a r g a d a e n e l l a d o o p u e s t o d e l a G a l a x i a , a u n q u e l a f u e r z a sería e x t r e m a d a m e n t e pequeña a c a u s a d e l a distancia entre ellas. A u n q u e e l e l e c t r o m a g n e t i s m o , t a l c o m o h e m o s d i c h o , e s u n a f u e r z a más i n t e n s a q u e l a g r a v e d a d , d e n t r o d e l a jerarquía d e l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s s u i n t e n s i d a d e s i n t e r m e d i a , n i l a más f u e r t e n i l a más débil.

E l p a p e l más i m p o r t a n t e d e l e l e c t r o m a g n e t i s m o e n l a n a turaleza es servir d e fuerza q u em a n t i e n e l o s electrones e n sus órbitas u n i d o s a l o s núcleos d e l o s átomos. También e s l a f u e r z a q u e m a n t i e n e u n i d o s l o s d i s t i n t o s átomos q u e f o r m a n l a s moléculas y l a q u e m a n t i e n e u n i d a s a éstas e n l o s sólidos. P o r l o t a n t o , e n u n s e n t i d o m u y l i t e r a l , l a f u e r z a electromagnética e s l a r e s p o n s a b l e d e l a mayoría d e l a s c o s a s q u e v e m o s e n e l m u n d o q u e n o s rodea.

F U E R T E Y DÉBIL: L A S F U E R Z A S

SUBATÓMICAS

E l d e s a r r o l l o d e l a física n u c l e a r a f i n a l e s d e l s i g l o X I X y a principios del XX condujo a ldescubrimiento d e lasd o s restantes fuerzas f u n d a m e n t a l e s : las fuerzas ( ointeracciones) fuerte y débil. E s t a s f u e r z a s s o n m e n o s f a m i l i a r e s y a q u e n o s e m a n i fiestan d em a n e r a directa e n procesos corrientes. S i n e m b a r g o , son reales y p u e d e n s e r estudiadas.

L a e x i s t e n c i a d e l a f u e r z a f u e r t e está, e n r e a l i d a d , implícita e n e l m o d e l o d e l átomo, e n e l q u e t o d a l a c a r g a p o s i t i v a está c o n c e n t r a d a e n e l v o l u m e n d i m i n u t o d e l núcleo. S a b e m o s que, del m i s m o m o d o q u elascargas iguales se repelen, si d o s p r o t o n e s d e u n núcleo están r e a l m e n t e a u n a d i s t a n c i a d e sólo 1 0 ~ " cm, deben empujarse u n o a otro con una fuerza tremend a . S i , p o r e j e m p l o , l o s p r o t o n e s t u v i e r a n e l tamaño d e p e l o t a s d e b a l o n c e s t o , l a f u e r z a d e repulsión e n t r e e l l o s sería t a n g r a n d e q u e l o s dispararía e n d i r e c c i o n e s o p u e s t a s a u n q u e s e e n c e r r a r a n e n u n b l o q u e sólido d e a c e r o . L a p r e g u n t a lógica 85

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

e s , p o r c o n s i g u i e n t e , c ó m o e l núcleo p u e d e m a n t e n e r s e u n i d o f r e n t e a e s t a repulsión eléctrica d i s m p t i v a . S i n d u d a , d e b e d e e x i s t i r a l g u n a o t r a f u e r z a c a p a z d e s u p e r a r l a repulsión y m a n t e n e r u n i d o e l núcleo. E x i s t e , e n e f e c t o : e s l a f u e r z a f u e r t e , c u y o e s t u d i o h a c o n s t i t u i d o u n o d e l o s t e m a s más i m p o r t a n t e s de l a ciencia d e lsiglo X X .

C o m o s u n o m b r e i m p l i c a , l a f u e r z a f u e r t e e s l a más p o t e n te d e todas lasinteracciones conocidas. S u alcance, sin e m b a r g o , e s b a s t a n t e l i m i t a d o . D e h e c h o , d o s partículas sólo s o n c a p a c e s d e e j e r c e r u n a s o b r e o t r a e s t a f u e r z a s i están d e n t r o d e l m i s m o núcleo. S i están a u n a d i s t a n c i a s u p e r i o r a u n o s 1 0 ~ ' ^ c m , la f u e r z a f u e r t e deja d e o p e r a r . P o r c o n s i g u i e n t e , l o s p r o t o n e s d e l o s núcleos d e d o s átomos d i f e r e n t e s n o p u e d e n e j e r c e r n i n g u n a acción e n t r e sí p o r vía d e l a f u e r z a f u e r t e .

L a f u e r z a débil e s c o n o c i d a p o r s u p a p e l e n l a d e s i n t e g r a ción r a d i a c t i v a . L a r a d i a c t i v i d a d n a t u r a l f u e d e s c u b i e r t a y e s t u diada p o r Antoine Henri Becquerel, Pierre y Marie Curie y o t r o s a f i n a l e s d e l s i g l o X I X . E n l a década d e 1 9 3 0 , l o s científ i c o s a p r e n d i e r o n a c r e a r n u e v a s e s p e c i e s d e núcleos i n e s t a bles, y l a radiactividad artificial s e h a c o n v e r t i d o , p a r a b i e n o p a r a m a l , e n parte i n t e g r a n t e d e nuesti-as vidas. S i consideram o s e l núcleo d e u n átomo d e u r a n i o , n i n g u n a d e l a s o t r a s t r e s f u e r z a s p u e d e e x p l i c a r p o r qué p u e d e e m i t i r d o s p r o t o n e s y d o s n e u t r o n e s y s e t r a n s f o r m a , e n e l p r o c e s o , e n u n núcleo d e t o r i o . E s t e tipo d e desintegración l e n t a tiene q u e e s t a r g o b e r n a d o p o r u n a f u e r z a aún n o d e f i n i d a , l a f u e r z a débil. A l i g u a l q u e l a f u e r z a f u e r t e , l a interacción débil n o e s n a d a c o n lo q u e t e n g a m o s u n aa m p l i a experiencia cotidiana. T i e n e u n a l c a n c e m u y c o r t o —sólo u n o s 1 0 ~ ' ^ c m ( a p r o x i m a d a m e n t e 1 % d e l tamaño d e u n p r o t ó n ) — y e n l a e s c a l a d e i n t e n s i d a des es intermedia entre e l electromagnetismo y l a gravedad.

LAS CUATRO FUERZAS: UN REPASO L a situación e n e l m o m e n t o a c t u a l e s q u e p a r e c e q u e p o d e m o s explicar t o d o l o q u e observamos e n l a natijraleza e n términos d e c u a t r o f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s : g r a v i t a t o r i a , e l e c t r o 86

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

magnética, f u e r t e y débil. L a s d o s p r i m e r a s r e p r e s e n t a n e n realidad unificaciones d e otras fuerzas que con anterioridad se creía q u e e r a n d i s t i n t a s y f u n d a m e n t a l e s p o r d e r e c h o p r o p i o .

L a tabla siguiente e s u n r e s u m e n d e sus p r o p i e d a d e s .

Propiedades de las fuerzas fundamentales Fuerza

Intensidad (relativa a la fuerte)

Alcance (cm)

Fuerte Electromagnética Débil Gravitatoria

1 1/137 10"' 6 X 10-^'

10-" Infinito 10-'' Infinito

L o p r i m e r o que nos sorprende a l examinar l a tabla esl a e n o r m e disparidad d e lasintensidades d e lasfuerzas, puesto q u e s e e x t i e n d e n a l o l a r g o d e t r e i n t a y n u e v e órdenes d e m a g n i t u d , u n número t a n g r a n d e q u e r e s u l t a c a s i i n c o m p r e n s i b l e . L o s a l c a n c e s d e l a s f u e r z a s v a n d e s d e a l g o más pequeño q u e u n protón h a s t a a l g o s u f i c i e n t e m e n t e g r a n d e p a r a a b a r c a r t o d o e l U n i v e r s o . A n t e e s t o s h e c h o s , parecería r a z o n a b l e s u p o n e r q u e l a unificación q u e r e a l i z a m o s c o n éxito a n t e s d e b e d e t e n e r s e e n e s t e p u n t o . ¿ C ó m o podría s e r q u e f u e r z a s t a n d i ferentes tuvieran e n realidad u n a identidad subyacente? ¿Pero s o n e n r e a l i d a d t a n g r a n d e s c o m o p a r e c e n e s t a s d i f e r e n c i a s ? ¿Son, p o r e j e m p l o , m a y o r e s q u e l a s q u e s e suponía q u e existían e n t r e l a f u e r z a q u e h a c e c a e r u n o b j e t o a l s u e l o y l a q u e m a n t i e n e u n p l a n e t a e n s u órbita? Y o diría q u e l a s u n i f i c a c i o n e s c o n s e g u i d a s a n t e s d e l s i g l o X X e r a n c o m o mínim o t a n difíciles c o m o l a t a r e a d e u n i f i c a r l a s f u e r z a s d e l a t a b l a . E s t o e s c i e r t o e n p a r t i c u l a r e n e l c a s o d e l a teoría n e w t o n i a n a d e l a gravitación, u n c a s o e n e l q u e n o había v i r t u a l m e n t e ningún p r e c e d e n t e teórico d e síntesis.

Además, h a y a l g o p o c o e l e g a n t e e n e s e n c i a e n e l h e c h o de tener que disponer d e cuatro fuerzas diferentes (ye n cons e c u e n c i a , d e c u a t r o teorías d i f e r e n t e s ) p a r a e x p l i c a r c u a t r o t i p o s d i f e r e n t e s d e fenómenos n a t u r a l e s . E s e v i d e n t e q u e t i e n e 87

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

que haber por l om e n o s u n a fuerza e n lanaturaleza y aque, d e o t r o m o d o , n o podría h a b e r n i n g u n a interacción. ¿Pero qué t i e n e d e e s p e c i a l e l número 4 ? S i a c e p t a m o s q u e l a s c u a t r o fuerzas s o nrealmente fundamentales e independientes, tenem o s q u ee n f r e n t a m o s d e i n m e d i a t o c o ne lp r o b l e m a d e explic a r p o r qué h a y c u a t r o f u e r z a s y n o tres, o c i n c o , o c u a l q u i e r o t r o número. E s t a f a l t a a p a r e n t e d e e l e g a n c i a p r e o c u p a m u c h o a l o s físicos, a l o s q u e l e s g u s t a c r e e r q u e l a n a t u r a l e z a t i e n e q u e serf u n d a m e n t a l m e n t e simple y bella.

El hecho d e q u ee n e lpasado se hayan conseguido unificaciones n osignifica, p o r supuesto, q u e l a d e lascuatro fuerzas t e n g a q u es e r sencilla. H o m b r e s d e l a talla d e A l b e r t Einstein dedicaron b u e n a parte d e s u svidas a tratar d e desarrollar l a teoría u n i f i c a d a f i n a l y f r a c a s a r o n . E i n s t e i n empezó c o n l a g r a v e d a d y trató d e u n i f i c a r l a s demás f u e r z a s c o n e l l a . R e s u l t a q u e ésta e s l a f o r m a más difícil d e t r a t a r e l p r o b l e m a , h e c h o que, e n retrospectiva, a y u d a a explicar e l fracaso d e Einstein.

V e r e m o s q u e h a y q u e e m p e z a r p o r l a s f u e r z a s q u e actúan e n t r e partículas e l e m e n t a l e s — l a s f u e r z a s débil, electromagnética y f u e r t e — s i q u e r e m o s l l e g a r a u n a teoría u n i f i c a d a . E s t o s i g n i f i c a a s u v e z q u e d e b e m o s t e n e r c i e r t a comprensión d e l a m a n e r a q u e l a física m o d e r n a c o n s i d e r a e s t a s f u e r z a s , t e m a a l q u e v a m o s a d e d i c a r a h o r a n u e s t r a atención.

LAS

FUERZAS C O M O INTERCAMBIO

C u a n d o N e w t o n d i o s u p r i m e r a definición d e f u e r z a , s u propósito p r i n c i p a l e r a m o s t r a r l a f o r m a d e r e c o n o c e r cuándo actúa u n a f u e r z a . L o q u e l a g e n t e tenía e n m e n t e c u a n d o p e n s a b a e n f u e r z a s e r a n l a s n o c i o n e s d e s e n t i d o común d e tírar y empujar. Esto c o n d u j o a algunos debates interesantes, a u n q u e s i n s e n t i d o , s o b r e l a cuestión d e l a "acción a d i s t a n c i a " . ¿ C ó m o podía a f e c t a r e l S o l e l m o v i m i e n t o d e l a T i e r r a s i n o estaban e n contacto e l u n o c o n la otra?

L a r e s p u e s t a a e s t a v i e j a cuestión y a m u c h a s o t i - a s p u e d e encontrarse e n u n an u e v a m a n e r a d e considerar las fuerzas.

88

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

Fig.

9

s u r g i d a d e l e s t u d i o d e l a s partículas e l e m e n t a l e s . E n l a a c t u a lidad, se considera q u e lascuatro fuerzas f u n d a m e n t a l e s s o n r e s u l t a d o d e l i n t e r c a m b i o d e partículas e l e m e n t a l e s . U n a a n a logía s e n c i l l a p u e d e a y u d a r a c o m p r e n d e r e s t e c o n c e p t o . S u p o n g a m o s q u e d o s p a t i n a d o r e s s o b r e h i e l o s e están m o v i e n d o el u n o hacia e l o t r o e n trayectorias paralelas, tal c o m o s e i n d i c a e n ¡a figura 9 . E n u n p u n t o d e t e r m i n a d o u n p a t i n a d o r l a n za u n a b o l a d e n i e v e a loti-o, y al h a c e r i o reb-ocedc l i g e r a m e n t e . U n o s i n s t a n t e s más t a r d e l a b o l a d e n i e v e a l c a n z a a l s e g u n d o p a t i n a d o r y l o h a c e r e t r o c e d e r e n l a dirección o p u e s t a . E l e f e c t o n e t o , p o r l o t a n t o , e s q u e las trayectorias d e a m b o s p a tinadores s e desvían a l a c e r c a r s e e l u n o a l o t i - o . A p l i c a n d o l a definición d e N e w t o n , diríamos q u e h a a c t u a d o u n a f u e r z a s o bre los patinadores, y a que h a n dejado d e m o v e r s e e n l a dirección i n i c i a l . D e h e c h o , d a d o q u e l o s p a t i n a d o r e s s e h a n d e s v i a d o separándose e l u n o d e l o t i - o , diríamos q u e h a a c t u a d o u n a f u e r z a d e repulsión. R e s u l t a a l g o más difícil e n c o n t i - a r u n a analogía s e n c i l l a q u e a s o c i e u n a f u e r z a a t r a c t i v a c o n u n i n t e r c a m b i o , p e r o p u e d e l o g r a r s e c i e r t a i d e a d e cómo e s e s t a situación s i i m a g i n a m o s q u e e l p r i m e r p a t i n a d o r l a n z a e l e x t i - e m o d e u n a c u e r d a m u y ligera a l otiro. S i a m b o s m a n t i e n e n l a c u e r d a tirante, s u s tirayectorias serán d e l a f o r m a q u e s e m u e s 89

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

z

FIg.

10

t r a e n l a figura 1 0 . E n e s t e c a s o , hablaríamos d e u n a f u e r z a d e atracción q u e actúa e n t r e l o s p a t i n a d o r e s . V e r e m o s q u e , a n i v e l d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , l o s i n t e r c a m b i o s g e n e r a n t a n to fuerzas atractivas c o m o repulsivas.

E l i n d i c i o d e q u e u n a situación así p u d i e r a o c u r r i r e n l a i n teracción f u e r t e s u r g e a c a u s a d e u n a característica i m p o r t a n t e d e l m u n d o subatómico: e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e d e H e i s e m b e r g . L a versión d e e s t e p r i n c i p i o q u e n o s i n t e r e s a c o n s i d e r a r aquí s e r e f i e r e a l a l e y d e conservación d e l a energía.

P u e s t o q u e s a b e m o s q u e s e n e c e s i t a energía p a r a p r o d u c i r u n a partícula m a s i v a , e r a d e e s p e r a r q u e u n a interpretación e s t r i c t a d e e s t a l e y p r o h i b i e r a q u e u n protón a i s l a d o e n e l v a cío e m i t i e r a u n a partícula c o m o e l pión. P a r a e m i t i r l a sería p r e c i s o q u e l a energía d e l a m a s a d e l pión s u r g i e r a d e l a n a d a .

E s t a interpretación, s i n e m b a r g o , i g n o r a u n h e c h o m u y i m p o r t a n t e a c e r c a d e l a conservación d e l a energía ( o d e c u a l q u i e r a d e l o s demás g r a n d e s p r i n c i p i o s d e l a física): l a v a l i d e z d e c u a l q u i e r l e y n a t u r a l s e e s t a b l e c e m e d i a n t e l a exjierimentación, y u n a l e y e s sólo t a n b u e n a c o m o l o s o n l o s e x p e r i m e n t o s u t i l i z a d o s p a r a c o n f i r m a r l a . I m a g i n e m o s q u e e l protón, m e d i a n t e algún p r o c e s o , p u d i e r a c r e a r u n pión, p e r o q u e l o r e a b s o r b i e r a e n u n tiempo t a n c o r t o q u e n o pudiéramos d e t e c t a r e l c a m 90

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

b i o d e energía a s o c i a d o c o n s u creación. S i e s t o s u c e d i e r a , n o podríamos d e c i r q u e s e h a v i o l a d o l a l e y d e conservación d e l a energía, y a q u e n o podríamos d e t e c t a r n i n g u n a e v i d e n c i a d e e s t a violación. Sería c o m o s i a l g u i e n e n t r a r a e n l a o f i c i n a y t o m a r a prestado u n libro, pero l o devolviera antes d e que n a d i e l o e c h a r a e n f a l t a . N a d i e podría a f i r m a r q u e e l l i b r o h u biera desaparecido.

D e s d e e l p u n t o d e v i s t a d e l a física t r a d i c i o n a l , n o s e t o m a n e n consideración p r o c e s o s c o m o l a creación d e l pión p o r q u e d e c i m o s q u e , e n p r i n c i p i o , podríamos o b s e r v a r e l p r o tón c o n u n a e s c a l a d e t i e m p o t a n pequeña c o m o quisiéramos, p o r l o q u e s i e m p r e podríamos h a c e r e l t i e m p o d e observación más c o r t o q u e e l n e c e s a r i o p a r a r e a b s o r b e r e l pión. S i n e m b a r g o , e n mecánica cuántica n o e s p o s i b l e e s t a v i g i l a n c i a constante. El principio d eincertidumbre tiene e ncuenta e l hec h o d e q u e c u a l q u i e r medición q u e s e r e a l i c e e n u n a partícula l a a f e c t a , d e m o d o q u e h a y u n límite e n l a precisión c o n q u e p o d e m o s c o n o c e r d o s m a g n i t u d e s d i s t i n t a s , c o m o l a energía d e l a partícula y e l i n s t a n t e e n q u e p o s e e e s t a energía. E n esencia, l aincertidumbre surge p o r q u e con cuanta m a y o r precisión m i d a m o s u n a m a g n i t u d , más p e r t u r b a m o s e l s i s t e m a y m e n o s información p o d e m o s o b t e n e r c o n n u e s t r a s e g u n d a medida.

S i l l a m a m o s A£ l a i n c e r t i d u m b r e e n n u e s t r o c o n o c i m i e n t o ' d e l a energía d e u n s i s t e m a y A t l a i n c e r t i d u m b r e e n n u e s t r o conocimiento del t i e m p o e n que e l sistema tiene dicha energía, l a expresión matemática d e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e e s A£

X

A i >

/i

d o n d e > e s e l símbolo matemático q u e s i g n i f i c a " m a y o r q u e " y h e s u n número c o n o c i d o c o m o c o n s t a n t e d e P l a n c k ( e n h o n o r a l físico alemán M a x P l a n c k , u n o d e l o s f u n d a d o r e s d e l a física m o d e r n a ) . E s t a expresión e s t a b l e c e q u e s i m e d i m o s l a energía d e u n s i s t e m a c o n m u c h a precisión, d e f o r m a q u e A £ s e a m u y pequeño, e n t o n c e s A i t i e n e q u e s e r m u y g r a n d e . E s t e hecho puede imaginarse d e l a f o r m a siguiente: para determi91

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

n a r £ c o n precisión, h a y q u e o b s e r v a r e l s i s t e m a d u r a n t e m u c h o t i e m p o ; e l r e s u l t a d o d e u n a m e d i d a d e l a r g a duración será u n a determinación p r e c i s a d e l a energía m e d i a d e l s i s t e m a d u r a n t e e s e período, p e r o será i m p o s i b l e d e c i r exactamente cuándo e l s i s t e m a tenía e n r e a l i d a d e s e v a l o r d e l a energía, l o que significa que A i tiene q u e s e rm u y grande.

T e n i e n d o e n c u e n t a e s t o , v o l v a m o s h a c i a atrás y r e f l e x i o n e m o s s o b r e e l protón y e l pión. H e m o s d i c h o q u e e l pión n o p u e d e a p a r e c e r d e l a n a d a , afirmación s i n d u d a c o r r e c t a . S i n e m b a r g o , p l a n t e e m o s l a cuestión d e u n a f o r m a l i g e r a m e n t e d i s f i n t a . ¿Durante cuánto fiempo podría s e r s u f i c i e n t e m e n t e grande l a incertidumbre e n nuestro conocimiento d e l a energía d e l protón p a r a q u e n o pudiéramos d e c i r , según e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e , s i s e h a c r e a d o u n pión? E n o t r a s p a l a b r a s , ¿qué pasaría s i e l protón c r e a r a d e r e p e n t e u n pión d e la n a d a p e r o l o reabsorbiera d e m a s i a d o deprisa para q u e se p u d i e r a d e t e c t a r s u p r e s e n c i a ? U n p r o c e s o así n o violaría l a conservación d e l a energía, y a q u e n o podría h a b e r ningún e x p e r i m e n t o realizable, siquiera e n principio, q u e pudiera p o n e r d e m a n i f i e s t o e l c a m b i o espontáneo d e l a energía d e l protón.

E n e l s i s t e m a d e u n i d a d e s e n e l q u e las l o n g i t u d e s s e m i d e n e n centímetros y l a s m a s a s e n g r a m o s , h tiene e l v a l o r d e 6 , 6 X 1 0 " ^ ' , l a m a s a d e l pión e s d e u n o s 1 , 8 x 1 0 g y c es 3 x 10'° c m / s e g . Según e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e , l a i n c e r t i d u m b r e d e l a energía d e l protón podría s e r t a n g r a n d e c o m o l a energía d e l a m a s a d e l pión ( m j i c ^ ) d u r a n t e u n fiempo A i s i tuviéramos (mjtc^)Ai > h o bien A t > 4 x 10-"^' s e g E n o t r a s p a l a b r a s , e n e l m u n d o cuánfico, u n protón p u e d e c r e a r u n pión d e l a n a d a , s i e m p r e q u e e l pión n o p e r m a n e z c a 92

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

p o r allí más d e e s t e l a p s o d e t i e m p o . I g u a l q u e C e n i c i e n t a , s i e l pión r e g r e s a a c a s a a t i e m p o , n a d i e podrá d e c i r q u e h a y a a l g o a n o r m a l . U n a partícula q u e sólo e x i s t e d u r a n t e e l efímero instante permitido por e l principio d e incertidumbre se llama partícula v i r t u a l .

P u e d e v e r s e l a conexión e n t r e u n pión v i r t u a l y l a f u e r z a f u e r t e s i a v e r i g u a m o s l a d i s t a n c i a q u e p u e d e r e c o r r e r u n pión d u r a n t e e l t i e m p o q u e h e m o s c a l c u l a d o . P u e s t o q u e e l pión p u e d e m o v e r s e , c o m o máximo, a l a v e l o c i d a d d e l a l u z , l a d i s t a n c i a q u e p u e d e r e c o r r e r e s c x A t , u n o s 1 0 ~ ' ^ c m . Ésta e s l a m e d i d a a p r o x i m a d a d e l diámetro d e u n núcleo d e tamaño m e d i o . E s d e c i r , d o s p r o t o n e s d e u n núcleo podrían i n t e r c a m b i a r u n pión e n t r e sí d e m a n e r a m u y p a r e c i d a a c o m o l o s p a t i n a dores intercambiaban bolas d e nieve o cuerdas e n nuestra analogía. S i e m p r e q u e e l p r i m e r protón e m i t a e l mesón v i r t u a l y e l s e g u n d o l o a b s o r b a e n u n t i e m p o m e n o r d e 4 x 10~^^ s e g , e l p r o c e s o n o v i o l a n i n g u n a l e y c o n o c i d a d e l a física.

Del m i s m o m o d o que puede considerarse que e l intercamb i o d e b o l a s d e n i e v e e n t r e l o s p a t i n a d o r e s p r o v o c a l a actuación d e u n a f u e r z a , también p u e d e c o n s i d e r a r s e q u e e l i n t e r c a m b i o d e p i o n e s v i r t u a l e s g e n e r a u n a f u e r z a e n t r e l a s partículas d e l núcleo. Y d e l m i s m o m o d o q u e u n a b o l a d e n i e v e p u e d e l a n z a r s e sólo h a s t a u n a d i s t a n c i a d e t e r m i n a d a , d e f o r m a q u e h a y u n límite a l a l c a n c e d e l a " f u e r z a d e l a s b o l a s d e n i e v e " , u n pión v i r t u a l sólo p u e d e r e c o r r e r u n a d i s t a n c i a c o r t a s i n v i o l a r e l p r i n c i p i o d e l a conservación d e l a energía. E n a m b o s casos, l a fuerza generada p o r e l intercambio tiene u n alcance l i m i t a d o . D e h e c h o , l a única d i f e r e n c i a e n t r e l a b o l a d e n i e v e y e l pión e s q u e l a p r i m e r a p r o d u c e u n a f u e r z a d e repulsión, m i e n t r a s q u e e l s e g u n d o l a p r o d u c e d e atracción.

Esta fuerza debida a lintercambio d e piones, que tiende a m a n t e n e r l a s partículas j u n t a s e n e l núcleo, e s l o q u e i d e n t i f i c a m o s c o n l a interacción f u e r t e . E n c i e r t o s e n t i d o , l o s p i o n e s v i r t u a l e s f o r m a n e l p e g a m e n t o q u e m a n t i e n e u n i d o e l núcleo a p e s a r d e l a s i n t e n s a s f u e r z a s d e repulsión q u e s e e j e r c e n e n tre los p r o t o n e s . P o r c o n s i g u i e n t e , u n a f o r m a d e representar el núcleo e s i m a g i n a r q u e l o s p r o t o n e s y l o s n e u t i ' o n e s s i t u a d o s 93

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Fig.

11

e n él e m i t e n y a b s o r b e n p i o n e s v i r t u a l e s . E n l a figura 1 1 s e m u e s t r a esquemáticamente e s t e p r o c e s o , c o n u n núcleo s e n c i l l o d e d o s partículas a l a i z q u i e r d a y u n núcleo más c o m p l e j o a la derecha.

A h o r a bien, e l a r g u m e n t o q u e h e m o s d a d o p a r a la existenc i a d e p i o n e s v i r t u a l e s n o tiene p o r qué r e s t i i n g i r s e a u n a s o l a e s p e c i e d e partículas. C u a l q u i e r partícula p u e d e e x i s t i r e n e s t a d o v i r t u a l , p e r o c u a n t o m a y o r s e a l a m a s a d e l a partícula, m a y o r t i e n e q u e s e r A £ , l a i n c e r t i d u m b r e d e energía. E s t o i m p l i c a q u e A t , e l tiempo d u r a n t e e l c u a l p u e d e e x i s t i r l a partícul a , tiene q u e s e r m e n o r q u e e l tiempo p e r m i t i d o e n e l c a s o d e l pión y p o r l o t a n t o l a d i s t a n c i a q u e p u e d e r e c o r r e r l a partícula ( v a l o r q u e i d e n t i f i c a m o s c o n e l a l c a n c e d e l a f u e r z a ) tiene q u e s e r más pequeña. C u a n t o más p e s a d a s e a l a partícula i n t e r c a m b i a d a , m e n o r será e l a l c a n c e d e l a f u e r z a . E l pión, a l s e r e l hadrón más l i g e r o , estará a s o c i a d o c o n l a p a r t e d e l a r g o a l c a n c e d e l a f u e r z a f u e r t e , p e r o o t r a s partículas más p e s a d a s i n tervendrán c u a n d o l o s p r o t o n e s estén más j u n t o s . D e h e c h o , e s h a b i t u a l e n e s t o s días q u e l o s teóricos n u c l e a r e s i n c l u y a n m u c h a s partículas más p e s a d a s q u e e l pión e n s u s cálculos.

Por l otanto, vemos que una propiedad importante d e las f u e r z a s — s u a l c a n c e — p u e d e i n t e r p r e t a r s e e n términos d e l m e c a n i s m o d e i n t e r c a m b i o . ¿Qué h a y d e l a o t i - a p r o p i e d a d i m p o r t a n t e , l a i n t e n s i d a d ? S i v o l v e m o s a c o n s i d e r a r l a analogía d e los p a t i n a d o r e s y las b o l a s d e n i e v e , n o s d a r e m o s c u e n t a d e q u e l a m a g n i t u d d e l a desviación d e l a t r a y e c t o r i a d e l o s 94

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

patinadores —cantidad q u easociaremos c o nl aintensidad d e la f u e r z a — d e p e n d e d e l o q u e se intercambia. S ilos p a t i n a d o res s e lanzaran a g u a o se soplaran u n a corriente d e aire a través d e u n t u b o , l a m a g n i t u d d e l a desviación sería m u c h o más pequeña q u e l a experímentada c o n l a b o l a d e n i e v e . L a i n t e n sidad d e l afuerza q u easociamos con e lintercambio depende claramente d e l af o r m a e n q u el oq u ese intercambia interacciona c o n los blancos.

E n n u e s t r o m o d e l o d e i n t e r c a m b i o d e partículas, e s t a d i mensión a d i c i o n a l d e l p r o c e s o s e tiene e n c u e n t a a s i g n a n d o u n número p a r a e x p r e s a r l a i n t e n s i d a d d e l a interacción e n l o s p u n t o s d o n d e s e e m i t e y s e a b s o r b e l a partícula. E s t o s p u n t o s c o r r e s p o n d e n a l o s vértices m a r c a d o s c o n u n a g minúscula e n l a figura 1 2 .

8 g

Fig. 12

E l número, q u e i n d i c a r e m o s p o r g , s e d e n o m i n a c o n s t a n t e d e a c o p l a m i e n t o . E s e l número a l q u e n o s h e m o s referído v a g a m e n t e a l hablar hasta a h o r a d e l aintensidad d e las fuerzas.

Las constantes d e acoplamiento asociadas c o n lasfuerzas fund a m e n t a l e s serán m u y i m p o r t a n t e s e n e l d e s a r r o l l o d e l a s t e o rías u n i f i c a d a s q u e d e s c r i b i r e m o s e n l o s capítulos s i g u i e n t e s .

LAS F U E R Z A S F U N D A M E N T A L E S COMO INTERCAMBIOS D o s d e las fuerzas fundamentales, e l electromagnetismo y l a g r a v e d a d , tienen u n a l c a n c e i n f i n i t o . A p a r t i r d e n u e s t i - o c o 95

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

nocimiento del m o d e l o d e intercambio, sabemos que cuanto m e n o r e s l a m a s a d e l a partícula i n t e r c a m b i a d a , m a y o r e s e l a l c a n c e d e l a f u e r z a a s o c i a d a . N o r e s u l t a difícil e x t r a p o l a r e s t a i d e a d e l a l c a n c e e n a u m e n t o h a s t a e l límite d e u n a partícula d e m a s a cero. E n este caso, s i u t i l i z a m o s e l m i s m o t i p o d e arg u m e n t o q u e s e g u i m o s p a r a e l i n t e r c a m b i o d e u n mesón, v e m o s q u e e l a l c a n c e d e l a f u e r z a sería i n f i n i t o . L l e g a m o s así a l a conclusión d e q u e l a s partículas q u e s e i n t e r c a m b i a n e n l a s i n t e r a c c i o n e s eléctricas y g r a v i t a t o r i a s d e b e n t e n e r m a s a c e r o .

S i r e c o r d a m o s l o q u e s e d i j o a c e r c a d e l a clasificación d e l a s partículas e n e l capítulo 4 , e l fotón f o r m a b a u n a categoría él s o l o . R e s u l t a q u e e l fotón e s p r e c i s a m e n t e l a partícula d e m a s a n u l a c u y o i n t e r c a m b i o g e n e r a l a f u e r z a electromagnétic a . C u a n d o s e l e v a n t a u n c l a v o c o n u n imán, s e i n t e r c a m b i a u n a c a n t i d a d i n m e n s a d e f o t o n e s e n t r e l a s partículas d e l c l a v o y l a s d e l imán. E l e f e c t o n e t o d e t o d o s e s t o s i n t e r c a m b i o s e s l o q u e l l a m a m o s f u e r z a magnética. S u c e d e l o m i s m o c u a n d o u n o s e p e i n a e l p e l o e n u n día s e c o y l u e g o s e a d h i e r e n a l p e i n e t r o c i t o s d e p a p e l . L a f u e r z a d e l a e l e c t r i c i d a d estática t a m bién está g e n e r a d a p o r u n flujo d e f o t o n e s . A l n i v e l d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , c u a n d o c o l i s i o n a n d o s e l e c t r o n e s , d i b u j a m o s l a interacción d e m a n e r a esquemática c o m o e n l a f i g u r a 1 3 , d o n d e l a s d o s líneas r e c t a s i n d i c a n e l m o v i m i e n t o d e l a s partículas y l a línea o n d u l a d a r e p r e s e n t a e l fotón q u e sé h a n i n t e r c a m b i a d o .

A propósito, s i q u e d a b a a l g u n a r e s e r v a a c e r c a d e l a u n i f i cación histórica d e l a e l e c b i c i d a d y e l m a g n e t i s m o , quedará d i -

Fig.

96

13

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

s i p a d a e n e s t e p u n t o . S i l a s f u e r z a s eléctrica y magnética p r o ceden del intercambio d e fotones, n o h a y que vacilar e n decir que ambas fuerzas son simplemente aspectos distintos del mism o proceso subyacente.

L a partícula d e m a s a n u l a a s o c i a d a c o n l a g r a v e d a d s e l l a m a gravitón. N o n o s e s t a n f a m i l i a r c o m o e l fotón, a l q u e o b s e r v a m o s e n f o r m a d e luz visible, y n o s e h a d e t e c t a d o aisl a d o e n e l l a b o r a t o r i o . Más a d e l a n t e v e r e m o s q u e n o h a y u n a comprensión teórica c l a r a d e l a conexión d e l m u n d o subatóm i c o c o n l a f u e r z a d e l a g r a v e d a d , p o r l o q u e e s t a situación n o r e s u l t a d e m a s i a d o s o r p r e n d e n t e . P a r a n u e s t r o s propósitos, sólo señalaremos q u e e l gravitón e s u n a partícula d e m a s a nula y spin 2 c u y o intercambio entre objetos se cree que g e nera lafuerza gravitatoria. S iconsideramos l afuerza gravitatoria d e e s t a m a n e r a , l a v i e j a cuestión filosófica d e l a acción a d i s t a n c i a d e s a p a r e c e d e l t o d o . H a y u n a conexión m u y d e f i n i d a e n t r e l a T i e r r a y e l S o l : a m b o s i n t e r c a m b i a n s i n interrupción chorros d e gravitones. E nconsecuencia, n o es sorprendente q u e p u e d a e x i s t i r u n a f u e r z a e n t r e a m b o s . Señalemos d e p a sada que la imagen d e l a gravedad causada por intercambio d e partículas e s m u y d i f e r e n t e d e l a i m a g e n q u e p r e s e n t a l a r e l a t i v i d a d g e n e r a l . V o l v e r e m o s s o b r e e s t e p u n t o e n e l capítulo 1 3 .

L a f u e r z a débil tiene u n a l c a n c e m u y c o r t o , p o r l o q u e c a b e e s p e r a r q u e s e a p r o d u c i d a p o r partículas p e s a d a s . D e a c u e r d o c o n l a teoría, debería h a b e r ti-es d e e s t a s partículas, q u e s e s u p o n e q u e tienen m a s a s d e u n o s 8 0 a 1 0 0 G e V y s p i n 1 .

Según n u e s h - o e s q u e m a d e clasificación d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , t o d a s l a s partículas d e s p i n 1 s o n b o s o n e s . P o r convención histórica, l a s partículas d e s p i n 1 s e d e n o m i n a n partículas v e c t o r i a l e s , p o r c o n s i g u i e n t e l a s partículas q u e i n t e r v i e n e n e n l a interacción débil s u e l e n d e n o m i n a r s e b o s o nes vectoriales.

H a y ti-es b o s o n e s v e c t o r i a l e s i m p l i c a d o s e n l a interacción débil y q u e d i f i e r e n e n l a c a r g a eléctrica q u e l l e v a n . L o s d o s m i e m b r o s con carga d e la familia se llaman y I V " respect i v a m e n t e , m i e n h - a s q u e e l m i e m b r o n e u t r o s e l l a m a 2°. U n 97 7

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e j e m p l o d e l a función d e l o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s a p a r e c e e n l a desintegración d e l neutrón, p r o c e s o q u e y a h e m o s c o m e n t a d o . L a desintegración s e p r o d u c e e n r e a l i d a d t a l c o m o s e i n d i c a e n l a figura 1 4 .

Y a h e m o s h a b l a d o d e l a generación d e l a f u e r z a f u e r t e a través d e l i n t e r c a m b i o d e p i o n e s y o t r a s partículas, p e r o ésta e s u n a f o r m a u n p o c o s u p e r f i c i a l d e c o n s i d e r a r l a cuestíón.

H e m o s a r g u m e n t a d o que los hadrones n o s o n realmente elem e n t a l e s , y parecería q u e l a f o r m a a p r o p i a d a d e i n t e n t a r d e s c r i b i r l a s f u e r z a s e n t r e e l l o s sería e x a m i n a r l a s f u e r z a s e n t r e l o s quarks. Por lo tanto, e nlugar d ehablar del intercambio d e u n pión, h a b l a r e m o s d e l i n t e r c a m b i o d e u n q u a r k y u n a n t i q u a r k q u e se e n c u e n t r a n f u e r t e m e n t e unidos. E neste e s q u e m a , l a v e r d a d e r a descripción d e l a f u e r z a f u e r t e s e referirá a l a s p a r tículas i n t e r c a m b i a d a s e n f i r e l o s q u a r k s .

Más a d e l a n t e s e dará u n a descripción c o m p l e t a d e l a teoría d e las interacciones d e los q u a r k s , p e r o p o d e m o s anticipar alg u n o s d e los resultados. S e c r e e q u e l a f u e r z a entire los q u a r k s s e g e n e r a p o r e l i n t e r c a m b i o d e partículas l l a m a d a s g l u o n e s ( e l n o m b r e p r o c e d e d e l a s r e f e r e n c i a s históricas a l o s p i o n e s c o m o e l " p e g a m e n t o " , " g l u e " e n inglés, n u c l e a r ) . E s t a s partículas b-ansportan l a c a r g a d e c o l o r entire los q u a r k s . A u n q u e e l h e c h o d e q u e n o t e n g a n m a s a parecería i n d i c a r q u e l a f u e r z a 98

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

tendría q u e t e n e r u n a l c a n c e i n f i n i t o , l a s l e y e s q u e g o b i e m a n las cargas d e c o l o r h a c e n i m p o s i b l e q u e u no b j e t o c o m o e l gluón r e c o r r a más d e u n o s 1 0 ~ ' ^ c m . Así, e l a l c a n c e d e l a i n teracción f u e r t e s e m a n t i e n e e n e l v a l o r q u e y a l e habíamos dado.

E n la tabla s i g u i e n t e s e d a u n r e s u m e n d e las c u a t r o fuerzas y d e l a s partículas q u e l a s g e n e r a n .

Fuerza

Partícula

Spin/masa (GeV)

Carga eléctrica

Gravedad

Gravitón

2/0

Débil

1/80

±1,0

Electromagnética Fuerte (tiadrones)

Bosón vectorial Fotón Hadrones

0 Cualquiera

Fuerte (quarks)

Gluones

1/0 Cualquiera/ 0,105 ó más 1/0

0

0

otras características AiJn no detectada

Carga de color

SUMARIO E n l a actualidad h a y cuatro fuerzas fundamentales conocidas. Las fuerzas d e l a g r a v e d a d y del elecb-omagnetismo s o n familiares e n l a vida cotidiana. Las dos fuerzas restantes oper a n a n i v e l subatómico y n u e s t r o s s e n t i d o s n o l a s p u e d e n c a p tar d e f o r m a i n m e d i a t a . S o n l a fuerza fuerte, responsable d e m a n t e n e r j u n t a s l a s p a r t e s d e u n núcleo, y l a f u e r z a débil, q u e g o b i e r n a l a desintegración r a d i a c t i v a . E n l a t a b l a d e l a pág i n a 8 7 s e d a l a jerarquía d e e s t a s f u e r z a s , e n términos d e s u i n t e n s i d a d y d e l a distancia a l a q u e s e p u e d e ejercer (su " a l cance").

L a t e n d e n c i a histórica h a s i d o c o n s i d e r a r f u e r z a s a p a r e n t e m e n t e distintas c o m o m e r o s aspectos diferentes del m i s m o m e c a n i s m o s u b y a c e n t e . N e w t o n , p o r e j e m p l o , demostró q u e la fuerza d e g r a v e d a d q u e o p e r a b a e nla T i e r r a y la fuerza q u e movía l o s p l a n e t a s e r a n idénticas. E n l a terminología m o d e r 99

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

n a , d e c i m o s q u e "unificó" e s t a s d o s f u e r z a s y q u e creó c o n e l l o u n a "teoría u n i f i c a d a " d e l a g r a v e d a d . D e f o r m a s i m i l a r , l a s c o n e x i o n e s e n t r e las fuerzas d e l a electricidad y d e l m a g n e t i s m o c o n d u j e r o n a u n a teoría u n i f i c a d a d e l e l e c t r o m a g n e t i s m o e n e l s i g l o X I X . U n a m e t a c a p i t a l d e l a c i e n c i a e s p r o d u c i r u n a teoría u n i f i c a d a d e v e r d a d e n l a q u e t o d a s las fuerzas s e c o n s i d e r e n iguales e n esencia.

L o s físicos m o d e r n o s c o n s i d e r a n l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s c o m o u n i n t e r c a m b i o d e partículas. S i n o s i m a g i n a m o s d o s patinadores sobre hielo que se lanzan bolas d e nieve m u t u a m e n t e al pasar cerca u n o del ofro, v e r e m o s que e l intercambio p u e d e p r o d u c i r u n a desviación d e l a t r a y e c t o r i a d e l o s p a t i n a d o r e s , desviación q u e podríamos i n t e r p r e t a r q u e e s p r o d u c i d a p o r l a acción d e u n a f u e r z a . A n i v e l subatómico o c u r r e e l m i s m o p r o c e s o , y c a d a u n a d e l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s está g e n e r a d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e u n t i p o d i s t i n t o d e partículas.

L a l e y d e conservación d e l a energía p r o h i b e a p a r e n t e m e n t e e s t e t i p o d e i n t e r c a m b i o , y a q u e requeriría q u e l a e n e r gía d e l a m a s a d e l a partícula i n t e r c a m b i a d a s e c r e a r a a p a r t i r de l anada. El principio d e incertidumbre, sin embargo, indica q u e e s p o s i b l e l a creación d e u n a partícula así s i e m p r e q u e l a partícula e n cuestión s e a r e a b s o r b i d a e n u n t i e m p o l o s u f i c i e n t e c o r t o p a r a q u e n i n g u n a medición p u e d a d e t e c t a r l a v i o l a ción d e l a conservación d e l a energía. E s t a imposición s i g n i f i c a q u e c u a n t o más m a s i v a e s l a partícula i n t e r c a m b i a d a , más c o r t o e s e l t i e m p o d u r a n t e e l q u e p u e d e e x i s t i r y p o r l o t a n t o más corto es e l alcance d e la fuerza. L a fuerza entre protones y n e u t r o n e s d e l núcleo p u e d e c o n s i d e r a r s e q u e está g e n e r a d a por e l intercambio d e m e s o n e s p i y otros hadrones. L a interacción débil está g e n e r a d a p o r u n a f a m i l i a d e partículas d e gran masa llamadas b o s o n e s vectoriales. L o sm i e m b r o s d e esta familia, c o n unas masas d e u n o s 8 0 G e V , tienen cargas eléctricas p o s i t i v a , n e u t r a y n e g a t i v a .

E l e l e c t r o m a g n e t i s m o está g e n e r a d o p o r e l i n t e r c a m b i o d e f o t o n e s , l o q u e e x p l i c a p o r qué e l fotón e s t a b a e n u n a c a t e g o ría p a r a él s o l o c u a n d o c l a s i f i c a m o s l a s partículas e n e l capítul o 4. S e c r e e q u e l a g r a v e d a d s e p r o d u c e p o r e l i n t e r c a m b i o 100

LAS FUERZAS F U N D A M E N T A L E S

d e u n a partícula d e m a s a n u l a y s p i n 2 l l a m a d a gravitón. E l h e c h o d e q u e e l fotón y e l gravitón t e n g a n m a s a n u l a e x p l i c a el a m p l i o alcance d e estas dos fuerzas.

P o r último, l a interacción f u e r t e f u n d a m e n t a l — l a i n t e r a c ción q u e t i e n e l u g a r e n t r e q u a r k s , a n t e s q u e e n t r e h a d r o n e s — s e p r o d u c e p o r e l i n t e r c a m b i o d e u n a f a m i l i a d e partículas s i n m a s a , c o n o c i d a s c o m o g l u o n e s . E s t a s partículas l l e v a n l a c a r g a d e c o l o r , y las leyes q u e g o b i e m a n e l c o l o r g a r a n t i z a n q u e e s t a interacción t i e n e u n a l c a n c e c o r t o , a p e s a r d e q u e l a partícula i n t e r c a m b i a d a t e n g a m a s a n u l a .

E n l a página 9 9 s e d a u n s u m a r i o d e l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s y d e l a s partículas c u y o i n t e r c a m b i o l a s g e n e r a .

6. :

La primera unificación moderna

-

Cañones cañones , :^v:

,

ALFRED,

a su derecha, a su izquierda...

L O R D

TENNYSON

«La c a r g a d e l a B r i g a d a Ligera»

EL PAPEL D E LA SIMETRÍA E N LA FÍSICA L o s físicos m o d e r n o s n o p i e n s a n s i e m p r e d e u n a m a n e r a convencional. U n o d elos grandes cambios que h a n ocurrido e n e l s i g l o X X e s e l p a p e l c a d a v e z más i m p o r t a n t e q u e s e h a a s i g n a d o a l c o n c e p t o d e simetría. D e s d e e l e s t u d i o d e l o s sól i d o s h a s t a e l d e s a r r o l l o d e l a teoría d e c a m p o u n i f i c a d o , e l l e n g u a j e d e l a simetría s e u s a e n t o d a s p a r t e s .

E n l a n a t u r a l e z a h a y m u c h a s e s t r u c t u r a s simétricas; u n c o p o d e n i e v e e s u n b u e n e j e m p l o d e e l l o . L a simetría d e u n c o p o d e n i e v e e s e v i d e n t e p a r a t o d o e l m u n d o , p e r o ¿qué e s e x a c t a m e n t e e s a simetría? L a m e j o r f o r m a d e c o n t e s t a r e s t a p r e g u n t a e s observar q u e s i c o g e m o s u n c o p o d e n i e v e yl o h a c e m o s g i r a r 6 0 ° (ó 120°, ó 180°), e l r e s u l t a d o n o s e d i s t i n g u e d e l c o p o d e n i e v e e n s u orientación o r i g i n a l . D e c i m o s q u e l a f o r m a d e l c o p o d e n i e v e e s i n v a r i a n t e b a j o r o t a c i o n e s d e múltiplos d e 60°.

L a m a n e r a a p r o p i a d a d e d e s c r i b i r u n a simetría así e n térm i n o s matemáticos e s m e d i a n t e l a utilización d e u n a d i s c i p l i n a l l a m a d a teoría d e l o s g r u p o s . U n g m p o e s u n c o n c e p t o m a t e mático p e r o , p a r a n u e s t r o s propósitos, n o s b a s t a c o n s a b e r q u e l a teoría d e l o s g r u p o s h a d e s a r r o l l a d o u n l e n g u a j e b a s t a n t e m i s t e r i o s o p a r a d e s c r i b i r l a s simetrías. H e m o s d i c h o q u e 103

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

e l c o p o d e n i e v e p u e d e h a c e r s e g i r a r e n ángulos múltiplos d e 60° s i n q u e c a m b i e s u a s p e c t o . U n matemático convertiría e s t e e n u n c i a d o e n : «El c o p o d e n i e v e e s i n v a r i a n t e b a j o e l g r u p o Ce.» A m b a s a f i r m a c i o n e s s o n c o m p l e t a m e n t e e q u i v a l e n t e s , p e r o e l l e n g u a j e matemático p r o p o r c i o n a u n a m a n e r a más g e n e r a l y c o n c i s a d e h a b l a r d e l a s simetrías.

O t r a simetría n o t a n o b v i a d e m o d o i n t u i t i v o e s l a a s o c i a d a c o n u n g r a n depósito esférico d e a g u a o a i r e . U n o b s e r v a d o r s i t u a d o e n e l c e n t r o d e t a l depósito vería e x a c t a m e n t e l o m i s m o s i n i m p o r t a r l a f o r m a e n qué g i r a r a . D i r e m o s q u e e s t a s i tuación e s i n v a r i a n t e b a j o c u a l q u i e r rotación e n t r e s d i m e n s i o nes, puesto q u e l a sorientaciones arriba, abajo y a los lados son completamente equivalentes por l o que se refiere a l obs e r v a d o r . E l g r u p o q u e d a c u e n t a d e e s t a situación s e d e n o m i n a 0 ( 3 ) , q u e e s e l g m p o d e las r o t a c i o n e s e n tres d i m e n s i o n e s .

L o q u e c h o c a a n u e s t r a intuición e s e l h e c h o d e q u e e l depós i t o d e a g u a o d e a i r e r e p r e s e n t e u n n i v e l m u c h o más a l t o d e simetría q u e e l c o p o d e n i e v e . P a r a c o m p r e n d e r i o , r e c o r d e m o s q u e e l depósito n o c a m b i a d e a s p e c t o s i s e h a c e g i r a r u n ángulo a r b i t r a r i o ( p . e j . , 47°), p e r o e l c o p o d e n i e v e sí.

E l a s p e c t o c e n t r a l d e l p a p e l d e l a simetría e n l a física p u e d e d e f i n i r s e d e l a s i g u i e n t e m a n e r a : e x i s t e u n a simetría s i a l realizarse u n d e t e r m i n a d o tipo d e c a m b i o n ose p r o d u c e ningún e f e c t o m e n s u r a b l e e n e l s i s t e m a q u e s e está e s t u d i a n d o .

El h e c h o d e hacer girar e l c o p o d e nieve implica, p o r supuest o , u n c a m b i o , p e r o éste n o a f e c t a e n él n a d a q u e p o d a m o s m e d i r . P o r e s t a razón e r a t a n e v i d e n t e l a simetría d e l c o p o d e n i e v e .

H a s t a a h o r a h e m o s h a b l a d o d e simetría e n términos d e e s tructura. Sin embargo, es u nconcepto m u y general que se p u e d e a p l i c a r también a o t r a s c o s a s . P o r e j e m p l o , s e p u e d e h a b l a r d e l a simetría d e u n a f u e r z a . L a f u e r z a d e g r a v e d a d e j e r c i d a p o r e l S o l n o d e p e n d e d e l a dirección e n q u e esté s i t u a d o e l o b j e t o atraído, s i n o sólo d e l a d i s t a n c i a e n t r e d i c h o o b j e t o y e l S o l . S i l o situáramos e n o t r o l u g a r p e r o mantuviér a m o s constante s udistancia del Sol, l afuerza d e gravedad n o cambiaría. E s p o s i b l e i m a g i n a r e s t a operación s i s u p o n e m o s q u e e l c u e r p o está a d h e r i d o a u n a e s f e r a i n m e n s a c e n t r a d a e n 104

LA PRIMERA UNIFICACIÓN M O D E R N A

e! S o l y h a c e m o s girar esta esfera. P u e s t o q u e n i n g u n a r o t a ción c a m b i a l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a , d e c i m o s q u e l a g r a v e d a d e s i n v a r i a n t e b a j o las r o t a c i o n e s e n tres d i m e n s i o n e s .

U n imán n o t i e n e e s t a simetría. L a f u e r z a e j e r c i d a p o r u n imán s o b r e u n o b j e t o s i t u a d o e n c i m a d e s u p o l o n o r t e e s d i f e r e n t e d e l a q u e s e ejercería s i e s t u v i e r a e n c i m a d e s u p o l o s u r . P o r l o t a n t o , l a f u e r z a e j e r c i d a p o r u n imán n o e s i n v a r i a n t e b a j o l a s r o t a c i o n e s e n tees d i m e n s i o n e s .

L a conexión e n f r e l a s simetrías d e l a s e s t r u c t u r a s y l a s s i metrías d e l a s f u e r z a s e s , a m e r i u d o , m u y s u t i l . P o r e j e m p l o , l o s átomos d e oxígeno e hidrógeno q u e c o n s t i t u y e n e l c o p o d e n i e v e serían c o m p l e t a m e n t e simétricos s i l o s consideráram o s i n d i v i d u a l m e n t e . D e m o d o s i m i l a r , l a f u e r z a elécbica q u e g o b i e r n a e l c o m p o r t a m i e n t o d e l o s átomos e s , i g u a l q u e l a g r a v e d a d , simétrica b a j o l a s r o t a c i o n e s . S i n e m b a r g o , c u a n d o d o s átomos d e hidrógeno y u n o d e oxígeno s e u n e n e n e l p r o c e s o d e oxidación, l o s e l e c t r o n e s d e c a d a átomo s e d e s p l a z a n e n r e s p u e s t a a l a p r e s e n c i a d e l o s demás, y e l r e s u l t a d o n e t o e s q u e l a molécula d e a g u a s e f o r m a t a l c o m o s e i n d i c a e n l a f i g u r a 1 5 . E s t a molécula e s c l a r a m e n t e n o simétrica b a j o u n a rotación a r b i t r a r i a e n t r e s d i m e n s i o n e s , a p e s a r d e q u e sí l o son cada u n o d e suscomponentes y la fuerza que g o b i e m a s u c o m p o r t a m i e n t o . E l ángulo d e 120° d e l a e s h i i c t u r a d e l a molécula d e a g u a e s , p o r s u p u e s t o , l o q u e d e t e r m i n a e n últim o término l a f o r m a y e l g r a d o d e simetría d e l c o p o d e n i e v e .

Fig.

15

105

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

D e c i m o s q u e l a simetría s u b y a c e n t e d e l o s átomos q u e d a r o t a c u a n d o l o s átomos s e reúnen p a r a f o r m a r u n c o p o d e n i e ve. D a d o q u e este p r o c e s o ocurre sin n i n g u n a interferencia ext e r i o r , d e c i m o s q u e l a simetría s e r o m p e espontáneamente. L a r o t u r a espontánea d e l a simetría e s u n c o n c e p t o i m p o r t a n t e e n e x t r e m o e n e l d e s a r r o l l o d e l a teoría d e l c a m p o u n i f i c a d o , y a q u e m u e s t r a q u e las i n t e r a c c i o n e s q u e g o b i e m a n u n d e t e r m i n a d o fenómeno p u e d e n s e r e n r e a l i d a d m u c h o más simétricas y más s e n c i l l a s q u e e l m i s m o fenómeno.

A u n a riesgo d e i n s i s t i r d e m a s i a d o e n e s t e p u n t o , permítas e m e d a r o t r o e j e m p l o d e r o t u r a espontánea d e simetría. L a interacción d e u n átomo d e h i e r r o c o n o t r o n o s i n g u l a r i z a n i n g u n a dirección p a r t i c u l a r d e l e s p a c i o . E s l a m i s m a c u a l q u i e r a q u e s e a l a orientación d e l o s átomos. E n o f r a s p a l a b r a s , l a i n teracción e s i n v a r i a n t e b a j o e l g m p o 0 ( 3 ) . A t e m p e r a t u r a s a l t a s , e s t a simetría d e l a interacción s e r e f l e j a e n l a disposición d e l o s átomos. S i t u a d o s d e n t r o d e u n c o n j u n t o d e m u c h o s átomos d e h i e r r o , observaríamos l o m i s m o e n c u a l q u i e r d i r e c ción: u n c o n j u n t o d e átomos, c o n s u s i m a n e s atómicos a p u n t a n d o e n d i r e c c i o n e s a l a z a r . ( E l átomo d e h i e r r o , c o m o l a mayoría d e l o s átomos, p u e d e i m a g i n a r s e c o m o u n imán d i m i n u t o , c o n u n p o l o n o r t e y u n p o l o s u r ) . S i n e m b a r g o , s i enfriár a m o s e l h i e r r o , l a situación cambiaría. A u n a t e m p e r a t u r a d e t e r m i n a d a , l a s f u e r z a s q u e actúan e n t r e l o s átomos h a c e n q u e s e a l i n e e n . L o s p o l o s n o r t e d e l o s i m a n e s atómicos a p u n t a n t o d o s e n l a m i s m a dirección, p r o d u c i e n d o u n c a m p o m a g nético g r a n d e . E s t o e s l o q u e s u c e d e e n u n imán d e h i e r r o o r d i n a r i o . E l p u n t o i m p o r t a n t e e s q u e l a simetría 0 ( 3 ) o r i g i n a l s e r o m p e espontáneamente a l f o r m a r s e e l imán.

S i c o n s i d e r a m o s e l imán, c o n t o d o s s u s átomos a l i n e a d o s , e s difícil a d i v i n a r q u e l a interacción s u b y a c e n t e e r a e n r e a l i d a d s i métrica b a j o l a rotación: e l imán, p o r s u p u e s t o , n o l o e s . S i g i r a m o s e l imán 90°, p o r e j e m p l o , s e p r o d u c e u n c a m p o magnético c o m p l e t a m e n t e distinto del inicial. H a y , sin e m b a r g o , u n a m a n e r a d e p o d e r v e r l a simetría básica d e l s i s t e m a . S i añadimos energía a l imán e n f o r m a d e c a l o r , l a t e m p e r a t u r a llegará a a l c a n z a r e l p u n t o e n q u e s e r o m p e l a alineación d e l o s átomos 106

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

0—> Fig.

0 - '0

16

y e l s i s t e m a v u e l v e d e n u e v o a s e r simétrico b a j o l a rotación.

L a lección q u e a p r e n d e m o s d e e s t e e j e m p l o e s q u e a v e c e s e s p o s i b l e v e r l a s simetrías o c u l t a s d e u n s i s t e m a observándolo a energías m u y a l t a s . L o s e f e c t o s d e l a r o t u r a d e simeh-ía e s p o n tánea d e s a p a r e c e n y q u e d a r e s t a u r a d a l a simetría oríginal.

H a s t a e l m o m e n t o sólo h e m o s h a b l a d o d e simetrías d e t i p o geométríco, l a s a s o c i a d a s c o n l a s r o t a c i o n e s e n e l e s p a c i o .

S i n e m b a r g o , e l c o n c e p t o d e simetría u t i l i z a d o e n física e s m u c h o más g e n e r a l . H a y m u c h a s c l a s e s d e simefría q u e n o s e p u e d e n expresar simplemente c o m o rotaciones, pero n o dejan de s e r reales p o r ello. P o r e j e m p l o , si t e n e m o s d o s cargas eléctrícas p o s i t i v a s c o m o e n l a f i g u r a 1 6 , s e ejercerán m u t u a m e n t e u n a f u e r z a r e p u l s i v a . S i las c a m b i a m o s p o r c a r g a s n e g a t i v a s , l a f u e r z a n o s e verá a f e c t a d a . Seguirá s i e n d o r e p u l s i v a y c o n e l m i s m o v a l o r q u e tenía a n t e s . S i hubiéramos e m p e z a d o c o n u n a c a r g a p o s i t i v a y o f r a n e g a t i v a y hubiéramos i n v e r t i d o l a s c a r g a s , l a f u e r z a t a m p o c o habría c a m b i a d o . L a c o n c l u sión e s q u e h a y u n a simetría f u n d a m e n t a l e n l a s l e y e s d e l a electrícidad q u e i n d i c a q u e l o s e f e c t o s eléctricos p e r m a n e c e n inalterados si c a m b i a m o s lascargas positivas p o r negativas y viceversa d o n d e q u i e r a q u e aparezcan e nel sistema. Esta s i m e tría n o p u e d e r e p r e s e n t a r s e fácilmente p o r u n a rotación e n e l e s p a c i o , p e r o p u e d e t r a t a r s e matemáticamente e n términos d e gmpos.

O t r o e j e m p l o d e simetría a b s t r a c t a , s i m i l a r a l a simetría d e l a s c a r g a s elécbicas, l o p r o p o r c i o n a e l c o n c e p t o d e interacción fuerte p r o d u c i d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e m e s o n e s e n t r e las p a r ió?

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

tículas d e l núcleo. S i s e r e v i s a n l o s a r g u m e n t o s d e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e d e l capítulo 5 , s e v e q u e , e n l o q u e c o n c i e r n e a l a f u e r z a f u e r t e , n o h a y n i n g u n a d i f e r e n c i a s i l a partícula e m i s o r a d e l mesón e s u n protón o u n neutrón. S i sólo c o n s i d e r a m o s l a interacción f u e r t e , e s e v i d e n t e q u e n o i m p o r t a s i c a m b i a m o s los protones e n neutrones; l a fuerza asociada c o n e l i n t e r c a m b i o d e m e s o n e s n o c a m b i a . L a "rotación" i m p l i c a d a e n e l c a m b i o d e u n protón e n u n neutrón e s u n a i d e a a b s t r a c t a q u e n o h a y q u e t r a t a r d e i m a g i n a r s e c o m o l a rotación d e una pelota e n e l espacio corriente. E n lugar d e esto es u n a rotación e n u n e s p a c i o a b s t r a c t o l l a m a d o e s p a c i o d e s p i n isótropo. P o r l o tanto, decir que las interacciones fuertes son invariantes si intercambiamos protones y neutrones equivale a decir q u e s o n invariantes bajo las rotaciones e n e l espac i o d e s p i n isótropo. E n e l l e n g u a j e d e l a teoría d e l o s g m p o s , d e c i m o s q u e s o n i n v a r i a n t e s b a j o e l g r u p o SU(2) e n e s e e s p a c i o * . Ésta e s u n a terminología q u e v o l v e r e m o s a e n c o n b - a r más t a r d e .

LAS

TEORÍAS G A U G E

U n t i p o p a r t i c u l a r m e n t e i m p o r t a n t e d e simetría a b s t r a c t a r e c i b e e l n o m b r e d e simetría g a u g e . E s t e t i p o d e simetría f u e concebido cuando se reflexionaba acerca d e unas situaciones e n las q u e e r a p o s i b l e c a m b i a r l a escala d e l o n g i t u d e s d e u n s i s t e m a . U n a d e e s t a s s i t u a c i o n e s sería l a d e u n m u n d o s i t u a d o e n u n a lámina d e c a u c h o elástico, q u e a l s e r e s t i r a d a o c o m p r i m i d a s e estiraría o s e comprimiría l a d i s t a n c i a e n t r e d o s p u n t o s . R e s u l t a b a q u e a l g u n a s teorías e r a n i n v a r i a n t e s b a j o e s t e t i p o d e transformación y q u e s u s p r e d i c c i o n e s n o d e p e n dían d e s i l a lámina e s t a b a e s t i r a d a o n o . P u e s t o q u e l a d i s t a n c i a s e m i d e c o n u n a g a l g a , s e d i c e q u e e s t a s teorías s o n i n v a r i a n t e s b a j o l a s t r a n s f o r m a c i o n e s d e g a l g a ( e n inglés, g a u g e ) y s e d e n o m i n a n teorías g a u g e , p a r a a b r e v i a r . I g u a l q u e e n e l * Las letras S U significan especial propiedades técnicas del grupo 108

unitario

{en inglés, special

unitaiy)

y se refieren a las

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

c a s o d e l o s o t r o s t i p o s d e simetría q u e h e m o s v i s t o , l o s c o n c e p t o s a s o c i a d o s c o n las t r a n s f o r m a c i o n e s g a u g e p u e d e n d e finirse d e m o d o a b s f i - a c t o y a p l i c a r s e a s i s t e m a s q u e n o tienen n a d a q u e v e r c o n u n a lámina elástica d e c a u c h o .

E m p e c e m o s n u e s t r a exposición c o n u n e x p e r i m e n t o s e n c i llo. E n u n laboratorio situado a lnivel del mar, l e v a n t a m o s u n peso d e 1 k g a 3 m d e altura, y m e d i m o s l acantidad d e energía c o n s u m i d a p o r n u e s t r o a p a r a t o p a r a c o n s e g u i r l o . L u e g o b-asladamos nuesti-o e q u i p o d e laboratorio a u n a ciudad d e l a montaña a u n a a l t i t u d d e 1 . 0 0 0 m e t r o s y r e p e t i m o s e l e x p e r i mento. D e m o m e n t o , ignoremos e l hecho d e que la fuerza real d e la g r a v e d a d decrece l i g e r a m e n t e al a l e j a m o s del centro de l a Tierra y s u p o n g a m o s que se necesita l a m i s m a fuerza para levantar e l peso a 1.000 meh-os d e altitud que a l nivel del mar. N ohay ninguna diferencia entre levantar e l peso entre los O y los 3 m e t r o s y levantarlo entre los 1.000 y los 1 . 0 0 3 m e t r o s ; l a c a n t i d a d d e energía q u e s e n e c e s i t a e s l a m i s m a . E s t o s e i l u s t r a e n l a figura 1 7 . E s t e r e s u l t a d o r e p r e s e n t a o t r a simeti-ía d e l a n a t u r a l e z a .

Fig.

17

109

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

C o n l a s f u e r z a s eléctricas p u e d e o b s e r v a r s e e l m i s m o t i p o d e e f e c t o . S i r e a l i z a m o s u n e x p e r i m e n t o eléctrico y después l o r e p e t i m o s tras conectar t o d o e l laboratorio a u n p o l o d e u n a batería g i g a n t e s c a , t a l c o m o s e m u e s t r a a l a d e r e c h a d e l a fig u r a 1 7 , n o habrá ningún c a m b i o p e r c e p t i b l e . E l e v a r e l v o l t a j e de t o d o l o del laboratorio es equivalente a cambiar l a altitud e n n u e s t i - o e j e m p l o a n t e r i o r . L o único i m p o r t a n t e e s l a d i f e rencia d e voltaje enh-e los p u n t o s y n o e l v a l o r a b s o l u t o d e l v o l t a j e . S e había v i s t o a m e n u d o u n a comprobación s o r p r e n d e n t e d e l o q u e d e c i m o s , a u n q u e quizá n o s e h a y a i n t e r p r e t a d o c o m o t a l : u n pájaro p u e d e p o n e r s e e n c i m a d e u n c a b l e eléctrico n o a i s l a d o s i n q u e d a r e l e c t r o c u t a d o , a u n q u e e l c a b l e s e a d e a l t a tensión y esté a 6 7 . 0 0 0 V o más. L a razón e s q u e , a u n c u a n d o l a s d o s p a t a s d e l pájaro están a 6 7 . 0 0 0 V , l a d i f e r e n c i a d e v o l t a j e e n t i r e e l l a s e s c e r o , p o r l o q u e n o fluye c o rriente alguna.

E s t a c l a s e d e transformación, q u e e q u i v a l e a r e d e f i n i r l o q u e s e e n t i e n d e p o r n i v e l c e r o d e a l t u r a o v o l t a j e , e s e l tipo más s e n c i l l o d e transformación g a u g e . E s u n e j e m p l o d e l o q u e l o s físicos l l a m a n simeti-ía g l o b a l ; p a r a q u e o p e r e , t e n e m o s que elevarlo todo a la m i s m a altura o a l m i s m o voltaje.

P o r e j e m p l o , s i sólo s e l e v a n t a r a l a m i t a d d e l l a b o r a t o r i o a u n a a l t u r a d e 1 . 0 0 0 m e t r o s , habría d i f e r e n c i a s c l a r a s e n t r e l o s s i s t e m a s , q u e s e podrían d e s c u b r i r fácilmente fi-atando d e a n d a r desde u n lado del laboratorio a lotro. El h e c h o d eque l a elecb i c i d a d p r e s e n t e e s t a simetiría n o s p e r m i t e d e s c a r t a r u n a g r a n c a n t i d a d d e teorías p o s i b l e s . N o podríamos a c e p t a r , p o r e j e m p l o , u n a teoría q u e e s t a b l e c i e r a q u e l a f u e r z a eléctrica d e p e n d e d e algún m o d o d e l v o l t a j e a b s o l u t o e n u n p u n t o , e n l u g a r de l a diferencia d e voltaje entre dos puntos.

E s t e tipo d e simetiría r e f l e j a e n r e a l i d a d u n a intuición p r o fundamente enraizada que tenemos d el anaturaleza. E n l a nat u r a l e z a n a d a d e b e d e p e n d e r d e l a predisposición m e n t a l d e l a p e r s o n a q u e l aobserva. L aaltura q u e y o escojo c o m o cero e s c o m p l e t a m e n t e arbiti-aria y p u e d e variar d e u n o b s e r v a d o r a o t r o . E l r e q u e r i m i e n t o d e l a simetiría g a u g e e s s i m p l e m e n t e e l hecho d e que cualquier observador debe obServar la m i s m a 110

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

f u e r z a d e g r a v e d a d , s i n i m p o r t a r lo q u e él d e f i n a c o m o c e r o d e a l t u r a . A l a v a n z a r h a c i a teorías g a u g e más c o m p l e j a s , ésta será n u e s t r a guía: e n l a n a t u r a l e z a , n a d a p u e d e d e p e n d e r d e definiciones arbitrarias que p u e d e n variar d e u n observador a otro.

E x i s t e u n a versión más enfática d e e s t e p r i n c i p i o . H e m o s visto q u e s o m o s libres d eestablecer d em o d o arbitrario el cero de altura o d e voltaje, pero u n a vez establecido e n u n p u n t o d e l e s p a c i o , d e b e m o s s e g u i r c o n e s t a definición e n t o d a s p a r t e s . E s l o q u e s e d e n o m i n a simetría g a u g e g l o b a l . S u p o n g a mos, sin embargo, que es posible imaginar u n sistema e n e l q u e s e a m o s libres d e establecer e l cero d e voltaje arbitrariam e n t e e n cada p u n t o del espacio, c o n i n d e p e n d e n c i a d el o q u e s e h a h e c h o e n l o s p u n t o s v e c i n o s . S i s e p u d i e r a consbTiir u n a teoría así, obedecería a u n a simetría g a u g e l o c a l e n l u g a r d e g l o b a l . E s e v i d e n t e q u e n i l a gravitación n e w t o n i a n a n i l a e l e c t r i c i d a d o r d i n a r i a s o n teorías q u e c o n t e n g a n u n a simetría l o c a l , p u e s t o q u e a m b a s sólo p e r m i t e n e s c o g e r u n c e r o p a r a t o d o e l e s p a c i o . S i n e m b a r g o , s i c o n s i d e r a m o s l a b a s e filosófica d e l a simetría g a u g e , deberíamos e m p e z a r a c o n s i d e r a r p o r qué e l p o t e n c i a l eléctrico e n e l p u n t o A tiene q u e d e p e n d e r d e l a definición a r b i t r a r i a d e l c e r o p o r a l g u i e n e n e l p u n t o B . U n a teoría q u e t u v i e r a u n a simetría g a u g e l o c a l n o d e p e n dería d e l a s d e f i n i c i o n e s a r b i t r a r i a s d e u n único o b s e r v a d o r , y l a definición d e u n o b s e r v a d o r sería t o t a l m e n t e i n d e p e n d i e n t e de la d e otro.

U n a f o r m a d e c o m p r e n d e r l a d i f e r e n c i a e n t r e l a s simetrías g l o b a l y l o c a l e s h a c e r u n a reflexión a c e r c a d e l o s merídianos d e l o n g i t u d d e l a superficie terresti-e. P o r c o n v e n i o , t o d o e l m u n d o está d e a c u e r d o e n q u e s e a s i g n e e l v a l o r c e r o a l a línea q u e p a s a a través d e l G r e e n w i c h O b s e r v a t o r y , c e r c a d e L o n d r e s , y q u e s e m i d a n t o d a s l a s demás l o n g i t u d e s e n r e l a ción a G r e e n w i c h . S i s e c a m b i a r a e s t e c o n v e n i o y s e a s i g n a r a e l c e r o a algún o t r o l u g a r ( p . e j . , T o k i o o C h i c a g o ) , n o habría ninguna diferencia en ninguna cantidad mensurable. L a distanc i a e n t r e N u e v a Y o r k y L o n d r e s seguiría s i e n d o d e 74° d e longitud, sin que i m p o r t a r a lo q u e l l a m a m o s cero. L a distancia 111

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e n t r e d o s p u n t o s c u a l e s q u i e r a seguiría s i e n d o l a m i s m a c a n t i d a d d e g r a d o s y t o d o l o q u e cambiaría sería e l p u n t o c e r o a p a r t i r d e l c u a l s e m i d e n t o d a s l a s l o n g i t u d e s . Éste e s u n e j e m p l o d e simetría g l o b a l .

P o r o t r a p a r t e , s i permitiéramos q u e c a d a p e r s o n a e s c o g i e r a s u p r o p i o c e r o d e l o n g i t u d , l a situación sería más c o m p l i c a d a . S i quisiéramos c a l c u l a r l a d i f e r e n c i a d e l o n g i t u d e n t r e L o n d r e s y N u e v a Y o r k e n e s t e c a s o , tendríamos q u e t o m a r e l v a l o r q u e u no b s e r v a d o r e n cada lugar h u b i e r a asignado a s u l o n g i t u d y r e s t a r . S i a m b o s o b s e r v a d o r e s habían i n s i s t i d o e n d e s i g n a r s u l o c a l i d a d c o m o e l c e r o d e l o n g i t u d , n u e s f r o cálculo daría e l r e s u l t a d o d e q u e l a d i s t a n c i a e n t r e a m b a s e r a d e c e r o g r a d o s , conclusión c l a r a m e n t e errónea. P o r l o t a n t o , e l s i s t e m a de m e d i d a e nla superficie terresfre e s u n e j e m p l o d ealgo q u e p r e s e n t a u n a simefría g a u g e g l o b a l , p e r o n o l o c a l . E s t o d e m u e s t r a q u e e n c o n f r a r a l g o c o n u n a simefría g a u g e l o c a l p u e d e s e r más fácil d e d e c i r q u e d e h a c e r .

L a electricidad, c o m o l a longitud y la gravedad n e w t o n i a na, presenta u n a simebia gauge global, p e r o n o local. El p u n t o c l a v e d e n u e s t r a discusión, s i n e m b a r g o , e s q u e e l c a m b i o g l o b a l d e l c e r o d e a l t u r a o d e v o l t a j e n o a l t e r a l a f u e r z a elécbica o gravitatoria que se ejerce sobre u n cuerpo. E l cambio d e l a definición n o p r o d u c e ningún c a m b i o m e n s u r a b l e e n e l m u n d o . S i sólo c o n s i d e r a m o s l a e l e c b i c i d a d , e s e v i d e n t e q u e n o p o d e m o s fijar a r b i f r a r i a m e n t e e l c e r o d e v o l t a j e e n d o s p u n t o s d i s t i n t o s s i n c a m b i a r l a f u e r z a q u e experimentaría u n a c a r g a eléctrica. P o r l o t a n t o , l a e l e c t r i c i d a d p o r sí m i s m a n o m u e s t r a u n a simetría g a u g e l o c a l . S i n e m b a r g o , s i r e c o r d a m o s l a conexión íntima e n t r e e l e c t r i c i d a d y m a g n e t i s m o , p o d e m o s p l a n t e a r o t r a p r e g u n t a : ¿es p o s i b l e q u e l o s c a m b i o s e n e l m u n d o p r o d u c i d o s a l h a c e r u n a tiransformación g a u g e l o c a l p a r a l a electricidad p u e d a n compensarse p o r los cambios inducidos al h a c e r l o m i s m o p a r a e l m a g n e t i s m o ? E n o t r a s p a l a b r a s , ¿es posible que l a electricidad y e l magnetismo, n i n g u n o d e l o s c u a l e s p r e s e n t a u n a simetría g a u g e l o c a l c o n s i d e r a d o s p o r s e parado, p u e d a n confabularse d e u n a f o r m a tal q u e p r o d u z c a n u n a teoría q u e sí p r e s e n t a e s t a simetiría?

112

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

Resulta que esto es l oque sucede precisamente e nl a teoría clásica d e M a x w e l l d e l e l e c t r o m a g n e t i s m o . L o s c a m b i o s e n e l p o t e n c i a l eléctrico p r o d u c i d o s p o r u n c a m b i o a r b i t r a r i o d e l cero e n cada p u n t o del espacio p u e d e n seranulados exactam e n t e m e d i a n t e u n c a m b i o a p r o p i a d o d e l p o t e n c i a l magnétic o . E n ob-as p a l a b r a s , a u n q u e v a r i e m o s a r b i f r a r i a m e n t e u n p o tencial, siempre p o d e m o s ajustar el ofro d ef o r m a q u e n o h a y a ninguna consecuencia observable, n i fuerzas que cambien, n i t - a y e c t o r i a s q u e s e a l t e r e n . E s t o r e p r e s e n t a u n a generalización i m p o r t a n t e d e l a i d e a d e simetría g a u g e a s o c i a d a a u n o s c a m b i o s e n l a definición d e l n i v e l c e r o d e a l t u r a o d e v o l t a j e .

T a l v e z e l r e s u l t a d o más i m p o r t a n t e q u e h a y q u e d e s t a c a r d e e s t a discusión e s q u e , m i e n t r a s q u e n i l a e l e c t r i c i d a d n i e l m a g n e t i s m o p o r sí s o l o s tienen u n a simeti-ía g a u g e l o c a l , sí l a tiene l a teoría u n i f i c a d a d e l e l e c t r o m a g n e t i s m o , y a q u e e n d i c h a teoría l a p a r t e d e l o s e f e c t o s eléctiicos q u e v i o l a n l a s i m e tría s e c o m p e n s a p o r l o s e f e c t o s magnéticos y v i c e v e r s a . R e s u l t a así q u e l a unificación n o sólo e s h e r m o s a i n t e l e c t u a l m e n t e , s i n o q u e n o s d a teorías simétricas d e añadidura. P a r a n o ser i n c o m p l e t o s , c a b e decir q u e e l h e c h o d e q u e e l electrom a g n e t i s m o s e a i n v a r i a n t e b a j o l o s c a m b i o s c o m b i n a d o s elécti-icos y magnéticos d e l tipo q u e h e m o s c o m e n t a d o s e e x p r e s a e n l e n g u a j e matemático p o r " l a teoría e s i n v a r i a n t e b a j o l a s transformaciones gauge O t r a f o r m a d e c o n s i d e r a r l a simetría g a u g e e s señalar q u e , e n r e a l i d a d , e n u n e x p e r i m e n t o sólo p o d e m o s o b s e r v a r l o s cambios e ne l estado d em o v i m i e n t od ealgunas cantidades d e m a t e r i a . E n o t i - a s p a l a b r a s , sólo p o d e m o s d e t e c t a r l a p r e s e n c i a d e f u e r z a s c u a n d o están e n acción, y n a d a más. S i h a y a l g u n a f o r m a d e c a m b i a r e l s i s t e m a s i n c a m b i a r l a s f u e r z a s , situación q u e e n c o n t r a m o s e n n u e s t r o l a b o r a t o r i o ficticio, e s e c a m b i o d e l s i s t e m a sería i n d e t e c t a b l e p o r c u a l q u i e r e x p e r i m e n t o . P o r lo tanto, es indiferente para lanaturaleza que se haya produc i d o e l c a m b i o o n o . N u e s t r a s teorías tienen q u e r e f l e j a r e s t e hecho.

E n e lcaso del electromagnetismo s a b e m o s que l a descripción d e l a simetría g a u g e q u e a c a b a m o s d e d a r d e b e q u e d a r 113

8

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

reflejada d ealguna m a n e r a e ne lintercambio d efotones entre partículas c a r g a d a s . E n o f r a s p a l a b r a s , l a mecánica cuántica, c i e n c i a d e d i c a d a a d e s c r i b i r e l c o m p o r t a m i e n t o d e l a s partícul a s e l e m e n t a l e s , t i e n e q u e c o n t e n e r también a l g u n a versión d e l a simetría g a u g e . L a f o r m a e n q u e s u r g e e s t a versión e s p a r t i c u l a r m e n t e i n t e r e s a n t e . R e s u l t a q u e l a realización d e l o s t i p o s de cambios que h e m o s estado describiendo e nlos potenciales eléctrico y magnético r e q u i e r e u n c a m b i o c o r r e s p o n d i e n t e e n l a descripción d e u n a partícula c a r g a d a p o r l a mecánica cuánt i c a . S i q u e r e m o s q u e l a mecánica cuántica t e n g a e l m i s m o t i p o d e simeb-ía g a u g e l o c a l q u e e l e l e c b - o m a g n e t i s m o clásico, d e b e m o s i m p o n e r q u e n o h a y a ningún c a m b i o e n n i n g u n a cantidad mensurable cuando u n o s observadores e npuntos dif e r e n t e s c a m b i e n s u definición d e v o l t a j e i n d e p e n d i e n t e m e n t e u n o d e o t r o . E n e l c a s o clásico, e n c o n t r a m o s q u e l a f o r m a d e p r o d u c i r e s t a simefiría l o c a l e r a t e n e r d o s e f e c t o s q u e s e a n u laban mutuamente.

E n e lcaso d eu n a fuerza generada por u n intercambio, hay dos cosas que p u e d e n cambiarse. U n a , y amencionada, esl a descripción mecanicocuántica d e l a s partículas s o b r e l a s q u e actúa l a f u e r z a . L a o b - a , q u e m e n c i o n a m o s a h o r a p o r v e z p r i m e r a , e s l a descripción mecanicocuántica d e l a partícula q u e s e i n t e r c a m b i a . P o d e m o s p l a n t e a r l a cuestión d e l a simetiría g a u g e l o c a l e n u n a teoría q u e d e s c r i b e l a s partículas d e l a f o r m a s i g u i e n t e : ¿hay a l g u n a m a n e r a d e q u e l o s c a m b i o s e n l a d e s c r i p ción d e l a s partículas c a r g a d a s y d e l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s s e p u e d a n a n u l a r m u t u a m e n t e , dotándonos d e u n a teoría q u e p r e s e n t e u n a simeh-ía g a u g e l o c a l ?

L a r e s p u e s t a e s s o r p r e n d e n t e . R e s u l t a q u e e s t a anulación e s p o s i b l e , p e r o sólo s i l a partícula q u e s e i n t e r c a m b i a tiene u n a m a s a n u l a y s p i n 1. E n e s t e c a s o , y sólo e n éste, s e r e petirá e l d e l i c a d o e q u i l i b r i o q u e v i m o s e n e l c a s o clásico a n i v e l d e l a s partículas. L a partícula d e m a s a n u l a y s p i n 1 e s , p o r s u p u e s t o , e l fotón. E s t e r e s u l t a d o e s t a n b e l l o q u e l o s físic o s teóricos h a b l a n m u c h a s v e c e s d e l a p r o p i a e x i s t e n c i a d e l fotón c o m o e l r e s u l t a d o d e l o s r e q u i s i t o s d e l a simetría gauge.

114

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

LA UNIFICACIÓN ELECTRODÉBIL T e n e m o s a h o r a a n u e s t r a disposición t o d o s l o s c o n c e p t o s que necesitamos para comprender u n a cadena d e sucesos que empezó a f i n a l e s d e l o s años c i n c u e n t a y culminó e n l a c o n cesión d e l p r e m i o N o b e l d e física a t r e s físicos teóricos, e n 1 9 7 9 . H a s t a h a c e p o c o , l a s teorías g a u g e e r a n e l r e d u c t o d e u n o s p o c o s teóricos a l e j a d o s d e l a s c o r r i e n t e s p r i n c i p a l e s d e l a física d e l a s a l t a s energías. S ó l o p a r a c i t a r u n e j e m p l o d e e s t o , d u r a n t e m i s e s h i d i o s d e graduación e n S t a n f o r d , a m e d i a d o s d e l o s años s e s e n t a , sólo oí a l g u n a s r e f e r e n c i a s i n f o r m a l e s a l a s teorías g a u g e y sólo leí u n artículo s o b r e e l t e m a , más q u e n a d a d e información básica. L o s t e m a s p o p u l a r e s d e l a época, q u e tenían n o m b r e s c o m o polos de Regge y dualidad, h a n d e s a p a r e c i d o , i g u a l q u e e l huía h o o p , y h a n s i d o r e e m p l a z a d o s p o r teorías q u e a n t e s habían s i d o d e s c u i d a d a s .

E n l o s años c i n c u e n t a , u n a c o r r i e n t e o c u l t a d e p e n s a m i e n t o e n l a física teórica s u s t e n t a b a q u e p r o b a b l e m e n t e había a l gún t i p o d e conexión p r o f u n d a e n f r e l a s i n t e r a c c i o n e s e l e c h - o magnética y débil, d e b i d o básicamente a q u e a m b a s s u p o n e n e l i n t e r c a m b i o d e partículas d e s p i n 1 . S e sabía q u e e r a p o s i b l e c o n s t r u i r u n a teoría q u e t u v i e r a simetría g a u g e l o c a l SU(2).

L o q u e e s t o s i g n i f i c a b a e s q u e s e podía c o n s t r u i r u n a teoría e n la q u e e r a p o s i b l e e m p e z a r e n u n p u n t o d e l e s p a c i o y c a m b i a r u n neufrón e n u n protón ( o v i c e v e r s a ) , y l u e g o i r a l p u n t o s i guiente del espacio y volver a hacer lo m i s m o sin ninguna ref e r e n c i a a l o h e c h o e n e l prímer p u n t o .

E s t o i m p l i c a u n a ampliación c o n s i d e r a b l e d e l a i d e a d e s i mefría g a u g e . E m p e z a m o s c o n u n a s i m p l e fransformación g a u g e , q u e e r a p o c o más q u e u n c a m b i o e n l a elección d e l c e r o . L u e g o p a s a m o s a u n a simetría más c o m p l i c a d a q u e r e quería u n a acción recíproca e n f r e l o s p o t e n c i a l e s eléctríco y magnético p e r o q u e , e n última i n s t a n c i a , dejíendía aún d e l a definición a r b i t r a r i a d e l o s p u n t o s c e r o .

L a s i g u i e n t e e t a p a e n c o m p l e j i d a d i m p l i c a u n t i p o más a b s f r a c t o d e simetría, u n o q u e e s a l g o más difícil d e i m a g i n a r .

115

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

E n e l capítulo 5 v i m o s q u e l a f u e r z a e n t r e p r o t o n e s y n e u t r o n e s podía c o n s i d e r a r s e g e n e r a d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e u n m e són. E n e s t e i n t e r c a m b i o , n o i m p o r t a m u c h o s i l a s partículas implicadas son protones o neutrones y a que la fuerza fuerte será l a m i s m a e n a m b o s c a s o s . E s t a situación llevó a l o s físicos a h a b l a r d e simefría isótropa d e l a n a t u r a l e z a , u n a simetría e n l a q u e u n o s e i m a g i n a q u e e s p o s i b l e r e d e f i n i r l a c a r g a elécb-ica d e u n a m a n e r a m u y p a r e c i d a a c o m o r e d e f i n i m o s e l c e r o de altura o voltaje. S ie nl anaturaleza se observara esta simetría, n o habría n i n g u n a d i f e r e n c i a s i fuéramos a u n núcleo y cambiáramos t o d o s l o s p r o t o n e s p o r n e u f r o n e s y t o d o s l o s n e u f r o n e s p o r p r o t o n e s . D a d o q u e s i s e h a c e e n l o s núcleos r e a l e s h a y e n r e a l i d a d p o c a d i f e r e n c i a , l o s físicos c r e e n q u e e s t a operación r e p r e s e n t a u n a simetría, e n e l m i s m o s e n t i d o que l o es redefinir la altura cero.

U n a f o r m a d e p e n s a r e n l a simetría isóti-opa e s i m a g i n a r s e u n a aguja indicadora e n cada p u n t o del espacio. S i l a aguja a p u n t a h a c i a a r r i b a , l a partícula e n e s e p u n t o e s u n protón; s i a p u n t a h a c i a a b a j o , l a partícula e s u n neufrón. E l i n t e r c a m b i o d e p r o t o n e s y n e u t r o n e s e n e l i n t e r i o r d e u n núcleo c o r r e s p o n d e p o r l o t a n t o a g i r a r t o d a s l a s a g u j a s 180°. D o n d e había u n protón, h a y a h o r a u n neutrón y v i c e v e r s a . S i e l m u n d o n o e x p e r i m e n t a ningún c a m b i o c o n e s t a operación, q u e e q u i v a l e a u n a redefinición d e l a c a r g a eléctrica e n t o d o s l o s p u n t o s d e l espacio, d i r e m o s q u e l a naturaleza e s invariante bajo u n a simetiría g l o b a l d e s p i n isotópico. E n l a j e r g a matemática, l a teoría p r e s e n t a u n a simetría g a u g e SU{2) g l o b a l .

A l a l u z d e n u e s t r a discusión a n t e r i o r , l a s i g u i e n t e p r e g u n t a r e s u l t a o b v i a . ¿Puede h a b e r u n a teoría e n l a q u e l a simetría isotrópica s e a l o c a l e n l u g a r d e g l o b a l ? E n o t r a s p a l a b r a s , ¿es p o s i b l e c o n s t r u i r u n a teoría e n l a q u e e l h e c h o d e i r a través d e l e s p a c i o g i r a n d o las agujas a l azar e n c a d a p u n t o n o p r o d u z c a ningún e f e c t o m e n s u r a b l e ? N u e s t r a p r i m e r a reacción a e s t a p r e g u n t a sería p r o b a b l e m e n t e d e c i r q u e e s a situación n o e s p o s i b l e . R e s u l t a , s i n e m b a r g o , q u e e s t a p r i m e r a reacción e s equivocada. D e l m i s m o m o d o que era posible crear u n a simetría l o c a l e n e l e l e c t r o m a g n e t i s m o m e d i a n t e l a anulación d e 116

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

l o s c a m b i o s a s o c i a d o s a l a s partículas c a r g a d a s c o n l o s c a m b i o s a s o c i a d o s a l fotón i n t e r c a m b i a d o , e s p o s i b l e c o n s b ^ i i r u n a teoría e n l a q u e s e p u e d e n i n t e r c a m b i a r p r o t o n e s y n e u t r o n e s a v o l u n t a d e nt o d o s los p u n t o s del espacio, y q u e los c a m b i o s asociados a este intercambio q u e d e n anulados p o r los cambios e n l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s p a r a g e n e r a r l a f u e r z a . R e s u l t a q u e u n a teoría q u e i m p l i q u e p r o t o n e s y n e u f r o n e s tendrá u n a simeh-ía g a u g e SU(2) l o c a l s i l a s f u e r z a s s o n a r b i b - a d a s p o r u n a f a m i l i a d e c u a t r o partículas s i n m a s a y d e s p i n 1 ( a l g u n a s d e e l l a s c o n c a r g a eléctrica) c u y o i n t e r c a m b i o g e n e r a l a f u e r z a . E n e s t e c a s o , c o m o sucedía c o n e l e l e c t r o m a g n e t i s m o , l o s c a m b i o s e n l a descripción d e l a s partículas c a u s a d o s p o r l a t r a n s formación s o n a n u l a d o s e x a c t a m e n t e p o r l o s c a m b i o s e n l o s o b j e t o s i n t e r c a m b i a d o s , y e n l a teoría t o d o p e r m a n e c e t a l c o m o era a lprincipio. P o r l otanto, para u n a fuerza generada p o r e s t a f a m i l i a d e partículas, e l c a m b i o d e p r o t o n e s e n n e u t r o n e s y l o s c a m b i o s s u c e s i v o s q u e l o acompañan e n l a s p a r tículas i n t e r c a m b i a d a s n o t i e n e n m a y o r e f e c t o e n e l s i s t e m a que trasladar nuestro laboratorio desde e l nivel del m a r hasta 1.000 m , a p r o x i m a d a m e n t e , d e altura. Las predicciones d e l a teoría s o n i n v a r i a n t e s .

L o s físicos conocían m u y b i e n e s t e h e c h o d e s d e hacía t i e m p o ( e n r e a l i d a d , e l único artículo q u e leí e n l o s e s t u d i o s d e g r a duación f u e l a exposición clásica d e l a i d e a ) . S i n e m b a r g o , s e quedó e n p o c o más q u e u n a c u r i o s i d a d , p o r q u e requería l a e x i s t e n c i a d e c u a h - o partículas, c o m o e l fotón, d o s d e l a s c u a l e s s e suponía q u e tenían c a r g a . J a m á s s e habían o b s e r v a d o e s t a s partículas e n e l l a b o r a t o r i o , así q u e s e consideró q u e l a teoría, a u n q u e interesante desde u n p u n t o d evista intelectual, p u d i e ra n otener nada que ver con e l m u n d o real.

S i n e m b a r g o , e n l a m e d i d a e n q u e l a teoría podía t o m a r s e e n s e r i o , l o s físicos p e r c i b i e r o n q u e podía t e n e r a l g o q u e v e r c o n l a s i n t e r a c c i o n e s electromagnética y débil. A m b a s i n t e r a c c i o n e s e r a n a r b i b r a d a s p o r e l i n t e r c a m b i o d e partículas d e s p i n 1 ( l o s f o t o n e s y l o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s ) y podía e s p e r a r s e , p o r l o tanto, que tuvieran algunas semejanzas. E lhecho d e que se suponía q u e l o s b o s o n e s W tenían m a s a , m i e n t r a s q u e l a s p a r 117

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

tículas p r e d i c h a s p o r l a teoría n o l a tenían, e r a e l p u n t o q u e impedía c u a l q u i e r aplicación d e l a teoría.

E n 1967, Steven Weinberg, que estaba por entonces e n e l M a s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , publicó u n artículo q u e i b a a r e v o l u c i o n a r l a física. E n e s e n c i a , mostró q u e l a s teorías g a u g e d e l tipo q u e h e m o s d i s c u t i d o podrían d e s c r i b i r e l m u n d o r e a l s i s e tenían e n c u e n t a l o s e f e c t o s d e l a r o t u r a e s p o n tánea d e l a simetiría. E n u n o d e e s o s a c o n t e c i m i e n t o s q u e p a r e c e n d e m a s i a d o increíbles p a r a a p a r e c e r i n c l u s o e n l a ficción y q u e p o r l o t a n t o sólo s u c e d e n e n l a v i d a r e a l , A b d u s S a l a m realizó i n d e p e n d i e n t e m e n t e e l m i s m o d e s c u b r i m i e n t o e n L o n d r e s u n o s m e s e s más t a r d e .

H e m o s v i s t o q u e u n g r u p o d e átomos d e h i e r r o s e a l i n e a n p o r sí m i s m o s e n u n a dirección d a d a a b a j a t e m p e r a t u r a , a p e s a r d e q u e l a interacción e n t i r e átomos n o t e n g a n i n g u n a d i rección p r e f e r i d a e n e l e s p a c i o . A l h a c e r i o , l o s átomos a d q u i e r e n c i e r t a energía, y t e n e m o s q u e añadir energía a l s i s t e m a ( p . e j . , e n f o r m a d e c a l o r ) p a r a r o m p e r l a alineación y v e r l a v e r d a d e r a simetría. E n e l c a s o d e l a s i n t e r a c c i o n e s débiles, l a teoría p r e d i c e q u e l a simetría s u b y a c e n t e e s t a l q u e l a s c u a t r o partículas q u e s e i n t e r c a m b i a n p a r a g e n e r a r l a f u e r z a n o tienen que tener masa. L o que Weinberg y Salam demosti-aron es q u e a b a j a s energías s e p r o d u c e u n a r o t u r a espontánea d e l a simeti-ía y ti-es d e l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s a d q u i e r e n u n a masa, mientras que l acuarta permanece sin masa. E s u n caso análogo a l d e l imán, d o n d e l a alineación d e l o s átomos d a a l s i s t e m a u n a energía q u e n o tendría s i l a simetría n o s e h u b i e r a r o t o . E n e l c a s o d e l a s partículas, e s t a energía añadida t o m a l a f o r m a d e u n a m a s a p a r a l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s .

C o n este d e s a r r o l l o q u e d a b a r e f u t a d a u n a d e las m a y o r e s o b j e c i o n e s a l a teoría g a u g e . L a teoría n o p r e d i c e l a e x i s t e n c i a d e c u a f a - o partículas s i n m a s a d e s p i n 1 a energías y t e m p e r a t u r a s n o r m a l e s d e l m i s m o m o d o q u e n o p r e d i c e q u e l o s átom o s d e h i e r r o n o t e n g a n u n a dirección p r i v i l e g i a d a e n e l e s pacio a temperatu^-a a m b i e n t e . E na m b o s casos, l a verdadera simetiría d e l a n a t u r a l e z a q u e d a e n m a s c a r a d a p o r l o s p r o c e s o s d e r o t u r a espontánea d e l a simetría. S ó l o p o d e m o s d e d u c i r l o 118

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

q u e d e b e s e r e s a auténtica simefría g r a c i a s a n u e s t r a teoría. L a simeb-ía e s p a c i a l d e l h i e r r o s e r o m p e espontáneamente c u a n d o l a t e m p e r a t u r a baja lo suficiente para que los c a m p o s m a g néticos s e a l i n e e n p o r sí m i s m o s e n u n a dirección d a d a . E n u n p r o c e s o análogo p o r c o m p l e t o a l a formación d e u n imán, l o m i s m o s u c e d e c o n l a s c u a t r o partículas p r e d i c h a s p o r l a teoría g a u g e . E n l a n a t u r a l e z a , s e o b s e r v a l a simetría c o m p l e t a a energías m u y a l t a s , c u a n d o l a s c u a b - o partículas tíenen m a s a s q u e s o n d e s p r e c i a b l e s c o m p a r a d a s c o n l a s energías d e c o l i sión. S i n e m b a r g o , a l b a j a r l a t e m p e r a t u r a , e s t a simetría s e r o m p e espontáneamente. D e l a m i s m a m a n e r a q u e s e r e b e n e u n a c i e r t a c a n t i d a d d e energía e n l a creación d e u n c a m p o magnético a g r a n e s c a l a e n u n imán, c u a n d o s e r o m p e l a s i metría s e r e t i e n e u n a c i e r t a c a n t i d a d d e energía e n l a s c u a t i - o partículas. S i n e m b a r g o , e n l u g a r d e a p l i c a r s e a l c a m p o m a g nético, l a energía, e n e l c a s o d e l a s partículas, s e c o n v i e r t e e n m a s a . R e s u l t a q u e s i r e a l m e n t e h a y u n a simetría g a u g e SU(2) local subyacente e n l a naturaleza, los efectos d e l a rotura espontánea d e l a simehía s o n t a l e s q u e , e n l a e r a a c t u a l , n o d e b e m o s e s p e r a r v e r c u a t r o partículas s i n m a s a e n e l l a b o r a t o r i o .

L a teoría p r e d i c e q u e t r e s d e e s t a s c u a t r o partículas a d q u i e r e n u n a m a s a c u a n d o s e r o m p e l a simetría, e n u n p r o c e s o análogo a l a m a n e r a e n q u e e l c a m p o magnético a d q u i e r e energía c u a n d o s e f o r m a e l imán. P o r r a z o n e s técnicas, l a c u a r t a p a r tícula p e r m a n e c e s i n m a s a . P o r l o t a n t o , l a teoría p r e d i c e q u e deberíamos o b s e r v a r e n l a n a t u r a l e z a u n a partícula s i n m a s a d e s p i n 1 ( q u e p o d e m o s i d e n t i f i c a r c o n e l fotón) y t r e s partícul a s m a s i v a s d e s p i n 1 . D o s d e e s t a s últimas deberían t e n e r c a r g a eléctríca, y p o d e m o s i d e n t i f i c a r l a s c o n l o s b o s o n e s vectoríal e s c a r g a d o s corríentes. L a t e r c e r a partícula p e s a d a e s eléchic a m e n t e n e u t r a y r e p r e s e n t a u n n u e v o tipo d e partícula i n v o l u c r a d a e n l a s i n t e r a c c i o n e s débiles, u n bosón v e c t o r i a l c o n e l n o m b r e d e 2°. S e suponía q u e l a m a s a d e l o s b o s o n e s e r a d e l orden de 8 0 a 1 0 0 GeV. Igual que a r g u m e n t a m o s que l aelecbicidad y e l magnetism o eran simplemente aspectos diferentes d eu n a m i s m a fuerza p o r q u e a m b o s suponían e l i n t e r c a m b i o d e l a m i s m a partícula 119

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

( e l fotón), l a teoría d e W e i n b e r g - S a l a m m u e s t r a q u e e l e l e c t r o m a g n e t i s m o y l a interacción débil s o n l o m i s m o e n t a n t o q u e s u r g e n d e l i n t e r c a m b i o d e l a m i s m a f a m i l i a d e partículas. E l h e c h o d e q u e l a s i n t e r a c c i o n e s p a r e z c a n s e r t a n d i f e r e n t e s tien e q u e v e r c o n l a r o t i j r a espontánea d e simeb-ía y n e g a r e s t a conclusión sería c o m o d e c i r q u e l a alineación d e l o s átomos d e h i e r r o p r u e b a q u e l a f u e r z a atómica s u b y a c e n t e depende d e l a dirección. E n l a n a t u r a l e z a h a y a l g u n a s simetrías q u e e s tán o c u l t a s a l a observación d i r e c t a y q u e sólo s e p u e d e n v e r a energías a l t a s . L a simeti-ía básica d e l a f u e r z a atómica s e h a c e e v i d e n t e c u a n d o c a l e n t a m o s e l imán. L a simetría básica d e l a s f u e r z a s electromagnética y débil debería m a n i f e s t a r s e c u a n d o l a energía d i s p o n i b l e e n l a s c o l i s i o n e s f u e r a s u f i c i e n t e p a r a h a c e r i r r e l e v a n t e l a d i f e r e n c i a d e m a s a d e l fotón y l a s p a r tículas vectoríales. E n l a práctica, e s t o s i g n i f i c a q u e d e b e m o s m a n e j a r energías m a y o r e s q u e l o s 8 0 - 1 0 0 G e V d e l a m a s a d e l a s partículas. E n términos d e l a s e d a d e s d e l U n i v e r s o descrítas e n e l capítulo 2 , l a t e m p e r a t u r a a l c o m i e n z o d e l a e r a d e l a s partículas, u n a firacción d e m i l i s e g u n d o después d e l B i g B a n g , correspondía a sólo u n o s p o c o s g i g a e l e c t r o n v o l t i o s d e energía d e colisión. I n c l u s o e n t o n c e s , l a t e m p e r a t u r a e r a d e m a s i a d o b a j a p a r a q u e s e o b s e r v a r a e s t a simetría y e s d e m a s i a d o b a j a e n n u e s t r o p r e s e n t e , u n a e r a r e l a t i v a m e n t e gélida.

E l r e s u l t a d o final d e l a teoría d e W e i n b e r g - S a l a m e s , p o r t a n t o , q u e h a d e j a d o d e s e r necesarío c o n s i d e r a r q u e l a s fijerz a s débil y electromagnética s e a n f u e r z a s d i s t i n t a s y s e p a r a d a s .

D a d o q u e c o m p r e n d e m o s a h o r a q u e están a s o c i a d a s c o n e l i n t e r c a m b i o d e l a m i s m a f a m i l i a d e partículas y q u e l a s d i f e rencias aparentes e n t r e ellas s o n e l resultado d e l a r o t u r a e s pontánea d e simetría, p o d e m o s r e d u c i r e l número d e f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s d e cuatro a tres. L a n u e v a fuerza, p r o d u c i d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e partículas d e s p i n 1 , r e c i b e e l n o m b r e d e interacción electi-odébil. R e c o n o c e m o s q u e e s t a unificación e s u n a simetría e s c o n d i d a e n e l m u n d o d e h o y día, p e r o q u e s e manifestaría e n u n m u n d o d o n d e l a energía a s o c i a d a c o n l a s c o l i s i o n e s ordinarías e x c e d i e r a d e l o s 8 0 - 1 0 0 G e V d e l a m a s a d e l a s partículas v e c t o r i a l e s .

120

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

L A E V I D E N C I A D E L A UNIFICACIÓN E L E C T R O D É B I L Después d e q u e W e i n b e r g y S a l a m p u b l i c a r a n s u s artícul o s , transcurrió u n período d e v a r i o s años e n q u e f u e r o n i g n o r a d o s c a s i p o r c o m p l e t o . P o r e j e m p l o , h a y u n a publicación l l a m a d a Science Citation Index (índice d e c i t a c i o n e s e n c i e n c i a ) , q u e r e c o g e e l número d e v e c e s q u e l o s i n v e s t i g a d o r e s s e r e f i e r e n a u n a publicación d a d a . E n l o s c i n c o años e n t i b e 1 9 6 7 y 1 9 7 1 , e l artículo d e W e i n b e r g f u e c i t a d o u n t o t a l d e c i n c o v e c e s ( c o m p a r a d o c o n l o s c i e n t o s d e v e c e s p o r año e n e l p e ríodo s i g u i e n t e ) . S i n e m b a r g o , a p a r t i r d e 1 9 7 1 , e m p e z a r o n a a p a r e c e r e n e s c e n a u n a s e r i e d e c o m p r o b a c i o n e s d e l a teoría g a u g e u n i f i c a d a . A l g u n a s e r a n e x p e r i m e n t a l e s y o t r a s teóricas.

Evidencia teórica H e m o s d i s c u t i d o l a conexión e n t i r e partículas i n t e r c a m b i a d a s y f u e r z a s e n términos d e d i a g r a m a s c o m o e l d e l a i z q u i e r d a d e l a figura 1 8 , d o n d e s e i n t e r c a m b i a u n a única partícula.

Fig. 1 8

E s o b v i o , s i n e m b a r g o , q u e éste n o e s e l único p r o c e s o q u e p u e d e ocurrir. E ne l caso del electiromagnetismo, e s evidente q u e h a y m u c h a s o t r a s m a n e r a s e n q u e d o s partículas p u e d e n i n t e r a c c i o n a r . P o r e j e m p l o , u n a partícula podría e m i t i r u n f o tón, r e a b s o r b e r l o , y e n t o n c e s i n t e r c a m b i a r u n fotón c o n l a o t r a partícula. E s t e p r o c e s o s e m u e s t r a e n e l c e n t r o d e l a figura 1 8 .

121

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

P u e d e n o c u i r i r o t r o s t i p o s más c o m p l i c a d o s d e i n t e r a c c i o n e s , u n o d e l o s c u a l e s s e m u e s t r a a l a d e r e c h a d e l a figura 1 8 .

Puesto que, a causa del principio d eincertidumbre, n o podem o s d e c i r cuál d e e s t o s a c o n t e c i m i e n t o s s u c e d e e n l a r e a l i d a d , c a l c u l a m o s l a f u e r z a elecfromagnética s u m a n d o l a s c o n b i b u c i o n e s d e t o d o s l o s d i s t i n t o s tipos d e d i a g r a m a s y d e c i m o s q u e la fuerza real q u e o b s e r v a m o s e n e llaboratorio e s l a s u m a d e t o d a s l a s m a n e r a s p o s i b l e s e n q u e p u e d e o c u r r i r l a interacción.

L a r a m a d e l a física q u e s e d e d i c a a l e s t u d i o d e e s t a c l a s e d e cálculos s e l l a m a electrodinámica cuántica ( Q E D , d e l inglés, quantum electrodynamics) y c o n t i e n e l a teoría más i m p r e s i o n a n t e d e t o d a s . E s t a teoría p r e d i c e m u c h a s m a g n i t u d e s m e n s u r a b l e s e x p e r i m e n t a l m e n t e c o n u n a precisión d e u n a m i l m i llonésima o más, precisión i n i g u a l a d a e n c u a l q u i e r o t r a r a m a d e la c i e n c i a .

Existe u n p r o b l e m a e n l a i d e a d e s u m a r las c o n t r i b u c i o n e s d e d i s t i n t o s tipos d e p r o c e s o s . T a n p r o n t o a b a n d o n a m o s e l i n t e r c a m b i o d e u n a única partícula, e n c o n t r a m o s q u e l a s p r o b a bilidades para alguna d e estas interacciones s e hacen infinitas.

I n c l u s o e l d i a g r a m a c e n t i - a l d e l a figura 1 8 tiene e s t a c a r a c t e rística. U n o d e l o s g r a n d e s l o g r o s d e finales d e l o s años c u a r e n t a consistió e n d e m o s t r a r q u e p o r c a d a i n f i n i t o p o s i t i v o q u e s u r g e d e n u e s t i - o s cálculos matemáticos, s e p u e d e e n c o n t r a r u n i n f i n i t o n e g a t i v o q u e l o a n u l a . E l r e s u l t a d o n e t o e s q u e las predicciones d e l a Q E D para cualquier cosa que pueda ser m e d i d a s o n p e r f e c t a m e n t e finitas, y n o h a y ningún p r o b l e m a .

L o s infinitos se p r o d u c e n p o r nuestra m a n e r a d ehacer matemáticas, n o p o r ningún e f e c t o físico. L a s teorías e n l a s q u e l o s infinitos sep u e d e n anular de esta f o r m a s e dice q u e s o n renorm a l i z a b l e s . L a Q E D e s u n e j e m p l o d e e s t a s teorías.

L a teoría o r i g i n a l d e l a s i n t e r a c c i o n e s débiles n o tenía e s t a p r o p i e d a d . D e b i d o a q u e l a s i n t e r a c c i o n e s débiles q u e s e h a bían o b s e r v a d o a n t e s d e 1 9 6 7 e r a n t o d a s s i m i l a r e s a l a d e s i n tegración d e l neutrón, e n e l s e n t i d o d e q u e i m p l i c a b a n e l i n t e r c a m b i o d e b o s o n e s v e c t o r i a l e s c a r g a d o s , s e creía q u e sólo había d o s partículas c o n m a s a q u e intervenían e n l a i n t e r a c ción débil, e l y e l W / . L a desintegración d e l neutrón tenía 122

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

lugar tal c o m o se indica e n l a figura 19. S i seguimos l a Q E D , v e r e m o s q u e h a y o t r a s f o r m a s d e desintegración d e l neutrón ( e n l a fíg. 2 0 s e m u e s t r a u n a d e e l l a s ) . I g u a l q u e e n l a Q E D , l a s gráficas más c o m p l i c a d a s d a n l u g a r a i n f i n i t o s p e r o , a d i f e rencia d e laQ E D , estos infinitos n o se p u e d e n eliminar. M i e n t r a s e n n u e s t r o s cálculos i n c l u y a m o s sólo l a s partículas v e c t o r i a l e s c a r g a d a s , l a teoría d e l a s i n t e r a c c i o n e s débiles n o e s r e n o r m a l i z a b l e . E s t o s i g n i f i c a q u e l a teoría d e b e p r e d e c i r q u e a l g u n a s m a g n i t u d e s i m p l i c a d a s e n l a s i n t e r a c c i o n e s débiles s o n infinitas, resultado que s i m p l e m e n t e n otiene senbdo. N o hay infinitos e n e l laboratorio.

L a s teorías g a u g e , s i n e m b a r g o , p r e d i c e n l a e x i s t e n c i a d e u n a t e r c e r a partícula m a s i v a i m p l i c a d a e n l a s i n t e r a c c i o n e s déb i l e s , l a Z°. E n 1 9 7 1 , e l físico holandés G e r a r d t ' H o o f t ( p o r e n t o n c e s u n e s t u d i a n t e g r a d u a d o ) mostró q u e l a adición d e Z° p r o p o r c i o n a b a e l típo j u s t o d e i n f i n i t o s q u e e l i m i n a b a n l o s g e nerados p o r el y e l M / ^ y q u e l a teoría q u e incluía a l o s t r e s era renormalizable. E n palabras d e u n comentarista, este desar r o l l o «reveló q u e l a r a n a d e W e i n b e r g y S a l a m e r a u n príncip e encantado.» E l 2°, l e j o s d e s e r u n a complicación a d i c i o n a l , era justamente la pieza del rompecabezas que faltaba y que s o l u c i o n a b a además u n p r o b l e m a teórico v i e j o y m u y difícil d e l p r o c e s o . F u e e n e s t e m o m e n t o c u a n d o l o s físicos d e l a s a l t a s energías e m p e z a r o n a s u b i r s e a l c a r r o d e l a teoría g a u g e .

123

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

Evidencia experimental L a predicción d e u n t e r c e r mesón v e c t o r i a l t i e n e c o n s e c u e n c i a s i m p o r t a n t e s p a r a l o s físicos e x p e r i m e n t a l e s . L o p r i m e r o q u e s e investigó f u e r o n l a s i n t e r a c c i o n e s i n i c i a d a s p o r neutrinos. E sposible o b t e n e r haces de n e u b i n o s e n acelerador e s d e a l t a energía m e d i a n t e l a creación d e u n h a z d e partículas, c o m o los m e s o n e s p i o m u , c u y o s p r o d u c t o s d e d e s i n t e gración c o n t e n g a n n e u t r i n o s y l u e g o d i r i g i r e s t e h a z c o n t r a u n a g r a n p i l a d e tierra. L a s partículas i n i c i a l e s s e d e s i n t e g r a n y l a tierra lo absorbe t o d o excepto los neutrinos. E l resultado es u n haz p u r o d e n e u t r i n o s q u e p e r m i t e estudiar sus interacciones con blancos seleccionados.

S i u n n e u t i - i n o c h o c a c o n u n protón y s i sólo e x i s t e n b o sones vectoriales cargados, entonces e l neutrino tiene q u e cambiar d e identidad. E nl a figura 2 1 se muestra u n ejemplo d e e s t e tipo d e interacción. E n l a s i n t e r a c c i o n e s q u e i m p l i c a n e l i n t e r c a m b i o d e m e s o n e s v e c t o r i a l e s c a r g a d o s , s e tiene q u e p r o d u c i r s i e m p r e u n mesón m u o u n electrón j u n t o c o n l o s r e s t o s d e l protón. S i n e m b a r g o , s i e x i s t e u n Z°, p o d e m o s t e n e r u n a interacción c o m o l a d e l a f i g u r a 2 2 , d o n d e l o s r e s t o s n o v a n acompañados p o r ningún leptón c a r g a d o . E n 1 9 7 3 , u n o s

P

Fig.

124

21

Fig. 2 2

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

grupos que trabajaban e ne lFermi National Accelerator Laboratory, cerca d e Chicago, descubrieron acontecimientos d e esta clase. S u trabajo se v i o p r o n t o c o n f i r m a d o p o r e x p e r i m e n t a d o r e s d e l C e n t r o E u r o p e o d e Investigación N u c l e a r ( C E R N ) e n G i n e b r a . E n e l e x p e r i m e n t o s e observó ( a u n q u e i n d i r e c t a m e n t e ) l a partícula Z° a n u n c i a d a p o r l a s teorías g a u g e y s e o b t u v o u n a p m e b a i m p o r t a n t e a f a v o r d e l a teoría.

L a teoría también hacía p r e d i c c i o n e s s o b r e n u m e r o s o s p r o c e s o s e n l o s q u e intervenía l a interacción débil, t o d o s l o s c u a l e s dependían d e u n número q u e podía c a l c u l a r s e a p a r t i r d e l a teoría. P o r d i v e r s a s r a z o n e s técnicas e históricas, e s t e núm e r o s e expresó m e d i a n t e u n ángulo, c o n o c i d o c o m o ángulo d e W e i n b e r g . L a teoría a s i g n a b a a e s t e ángulo u n v a l o r d e u n o s 22° y f u n d a d a s e n e s t e v a l o r s e podían h a c e r t o d a c l a s e de predicciones sobre procesos que abarcaban desde interacc i o n e s d e a l t a energía h a s t a l a emisión d e radiación p o r l o s átomos. D u r a n t e e l período e n t r e 1 9 7 3 y 1 9 7 9 t u v i e r o n l u g a r b a t a l l a s e n c a m i z a d a s e n t r e l o s e x p e r i m e n t o s y l a teoría s o b r e s i e s t a s p r e d i c c i o n e s e r a n c o r r e c t a s . S e hacían e x p e r i m e n t o s q u e parecían c o n b - a d e c i r l a teoría, s e r e f o r m a b a l a teoría p a r a q u e e s t u v i e r a d e a c u e r d o c o n e l e x p e r i m e n t o , s e repetía e l e x p e r i m e n t o y s e obtenían n u e v o s r e s u l t a d o s , s e volvía a r e f o r m a r l a teoría, y así s u c e s i v a m e n t e . C u a n d o s e disipó l a p o l v a reda y todos l o sresultados experimentales concordaron, se c o n f i r m a r o n l a s p r e d i c c i o n e s d e l a teoría o r i g i n a l .

Así, e n 1 9 8 2 , sólo f a l t a b a r e a l i z a r u n a i m p o r t a n t e c o n f i r m a ción e x p e r i m e n t a l d e l a teoría: e l a i s l a m i e n t o e identificación d e l o s p r o p i o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s . Había, t a l c o m o h e m o s v i s t o , u n a e v i d e n c i a i n d i r e c t a d e l a e x i s t e n c i a d e l a partícula n e u t i r a , y l o s físicos c o n f i a b a n e n q u e l a s t r e s podrían o b s e r varse e n e llaboratorio. E n cierto sentido, e l hecho d e encontrar los m e s o n e s vectoriales n o era tanto u n a p m e b a d el a teoría g a u g e c o m o u n a p m e b a d e l a i d e a d e q u e e n l a interacción débil intervenía e l i n t e r c a m b i o d e u n a partícula. T o d a s l a s t e o rías d e l a s i n t e r a c c i o n e s débiles p r e d i c e n l a e x i s t e n c i a d e l W*^ y d e l I V " ; e l único e l e m e n t o n u e v o d e l a s teorías g a u g e e s l a adición d e l Z°. L a confirmación d e e s t a i d e a f u n d a m e n t a l s e 125

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

p

FIg. 2 3

retrasó d u r a n t e m u c h o t i e m p o p o r u n a razón m u y s i m p l e . S i l a s m a s a s d e l a s partículas s o n r e a l m e n t e d e l o r d e n d e 8 0 - 1 0 0 G e V , c o m o s u g i e r e n l a s teorías a c t u a l e s , s e n e c e s i t a u n a g r a n c a n t i d a d d e energía p a r a c r e a d a s e n l o s a c e l e r a d o r e s . P u e s t o q u e t o d a l a energía q u e v a a p a r a r a l a m a s a d e e s t a s partícul a s d e b e p r o c e d e r d e l a energía d e l o s p r o t o n e s a c e l e r a d o s , los aceleradores d e b e n ser r e a l m e n t e m u y p o t e n t e s s i q u e r e m o s tener alguna probabilidad d ever los mesones vectoriales.

D e hecho, hasta l ap r i m a v e r a d e 1 9 8 1 n o se puso e n marc h a e n e l C E R N u n a máquina c a p a z d e p r o d u c i r partículas v e c t o r i a l e s . E n e s t a máquina c o l i s i o n a n f r o n t a l m e n t e h a c e s d e p r o t o n e s y a n t i p r o t o n e s , c a d a u n o c o n u n a energía d e 5 4 0 G e V . E n l a f i g u r a 2 3 s e m u e s t r a n a l g u n a s d e las posibles reacc i o n e s q u e podrían r e s u l t a r d e e s t a s c o l i s i o n e s . E n c a d a c a s o , s e p r o d u c e u n mesón v e c t o r i a l , q u e v i v e s u c o r t a e x i s t e n c i a y s e d e s i n t e g r a . L a partícula n o s e p u e d e v e r d e m a n e r a d i r e c t a p o r q u e s u t i e m p o d e v i d a e s d e m a s i a d o c o r t o . E l frabajo d e l e x p e r i m e n t a d o r e s b u s c a r e l e c t r o n e s o m u o n e s c o n l a energía c o r r e c t a p a r a h a b e r s i d o p r o d u c i d o s p o r l a desintegración d e l mesón v e c t o r i a l .

El 1 3 d e enero d e 1983, e n u n congreso e nR o m a , Cario R u b b i a d e l a H a r v a r d U n i v e r s i t y anunció l a p r i m e r a e v i d e n c i a d e l d e s c u b r i m i e n t o d e u n bosón v e c t o r i a l . R u b b i a e r a e l d i r e c 126

LA P R I M E R A U N I F I C A C I Ó N M O D E R N A

tor d e u ng u i p o q u e trabajaba e n e lC E R N e n Ginebra*. E l g r u p o d e R u b b i a encontró s e i s c a s o s e n l o s q u e s e o b s e r v a b a n e l e c t r o n e s c o m o l o s e s p e r a d o s según e l d i a g r a m a d e l a d e r e cha d e l a figura 2 3 . E n t o d o s estos casos, tal c o m o se esperab a , s u s d e t e c t o r e s n o p u d i e r o n r e g i s t r a r l a c a n t i d a d d e energía y m o m e n t o q u e debía l l e v a r e l n e u t r i n o q u e acompaña a l electrón. ( E l a p a r a t o e r a d e t a l e s p e c i e q u e e l n e u t r i n o n o s e o b s e r v a b a e n a b s o l u t o . ) L a m a s a d e l bosón I V c a r g a d o d e d u cida d e l o sseis casos e r a d e 8 1 ± 5 G e V . Esto h a yq u e c o m p a r a r l o c o n l a predicción teórica d e 8 2 , 1 ± 2 , 4 G e V . Además, l a teoría predecía q u e s e observarían 4 , 9 c a s o s d e l tipo q u e s e habían d e t e c t a d o . Fundándose e n e s t a s c o m p a r a c i o n e s , s e p u e d e d e c i r s i n t e m o r a e q u i v o c a r s e q u e e l bosón v e c t o r i a l y a ha sido observado e n e l laboratorio.

U N A I M A G E N S E N C I L L A D E L A UNIFICACIÓN D a d o q u e l a unificación d e l a s f u e r z a s j u e g a u n p a p e l e x t r e m a d a m e n t e i m p o r t a n t e e n l a evolución p r i m i t i v a d e l U n i v e r s o , r e s u l t a útil t e n e r e n m e n t e u n a i m a g e n s e n c i l l a d e l p r o c e s o d e unificación. E n l a página 8 8 d i s c u t i m o s l a i d e a d e f u e r z a c o m o u n i n t e r c a m b i o d e partículas e n términos d e u n a analogía d e d o s p a t i n a d o r e s q u e s e l a n z a b a n a l g o m u t u a m e n te a l pasar. S u p o n g a m o s q u econsideramos d e n u e v o esta analogía, p e r o i m a g i n e m o s a h o r a d o s c o n j u n t o s d e p a t i n a d o res. E n u n a pareja, u n o lanza u n c u b o d e a g u a a l otro, l o cual i n d u c e l a aparición d e u n a f u e r z a . L a o t r a p a r e j a también s e i n t e r c a m b i a u n c u b o d e líquido, p e r o , e n e s t e c a s o , e l líquido es a l c o h o l e n l u g a r d e a g u a .

M i e n t i r a s l a t e m p e r a t u r a e x t e m a esté p o r e n c i m a d e l o s O °C, a m b a s f u e r z a s parecerán c a s i i g u a l e s . L a deflexión o c a s i o n a d a p o r a m b o s líquidos n o será d e m a s i a d o d i f e r e n t e , y n o n o s sentiríamos incómodos a l d e c i r q u e l a s d o s f u e r z a s s o n * Cario Rubbia, junto con Simón van der Meer, también del C E R N , fueron galardonados por este descubrimiento con el premio Nobel de Física de 1984 (N. d e l T . ) .

127

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

idénticas. S i n e m b a r g o , c u a n d o l a t e m p e r a t u r a d e s c i e n d e p o r d e b a j o d e l o s O °C, e l a g u a s e h i e l a m i e n f r a s q u e e l a l c o h o l n o . E n este caso, u n a pareja d e patinadores se intercambia alc o h o l líquido, l a o t r a , u n b l o q u e d e h i e l o . L a f u e r z a sería m u y diferente e neste caso. E n este e j e m p l o , enconb-amos q u e d o s fuerzas q u e aparecen m u y diferentes a bajas temperaturas se r e v e l a n idénticas a a l t a s t e m p e r a t i j r a s . L a unificación d e l a s f u e r z a s electromagnética y débil p u e d e i m a g i n a r s e d e m a n e r a m u y parecida.

SUMARIO E n l a física m o d e m a l a i d e a d e simetría j u e g a u n p a p e l i m p o r t a n t e e n e x t r e m o . E x i s t e u n a simetría e n l a n a t u r a l e z a s i l a realización d e d e t e r m i n a d o s tipos d e c a m b i o s n o a f e c t a n i n g u n a c a n t i d a d m e n s u r a b l e d e l s i s t e m a e s t u d i a d o . U n a simeti-ía fácil d e v i s u a l i z a r e s l a q u e s e p r o d u c e a l h a c e r g i r a r 60° u n copo d e nieve.

L a s simetrías p u e d e n s e r s u t i l e s . L a f u e r z a q u e actúa e n t r e d o s átomos d e h i e r r o , p o r e j e m p l o , n o s i n g u l a r i z a n i n g u n a d i rección e s p e c i a l d e l e s p a c i o , p e r o c u a n d o l o s átomos d e h i e r r o f o r m a n u n imán, h a y u n a dirección " n o r t e " b i e n d e f i n i d a .

L a interacción e n t r e l o s átomos r e p r e s e n t a u n a simetría o c u l t a d e e s t e s i s t e m a , u n a simeti-ía q u e n o e s e v i d e n t e p a r a e l o b s e r v a d o r . C u a n d o u n a interacción p r o d u c e u n e f e c t o c o m o e l d e u n imán, d e c i m o s q u e l a simetría s u b y a c e n t e s e h a r o t o e s pontáneamente.

L a s l l a m a d a s simetrías g a u g e s o n i m p o r t a n t e s e n l a física m o d e m a . E n e l electi-omagnetismo, es posible cambiar e l pot e n c i a l elécbico ( e l v o l t a j e ) d e u n s i s t e m a d e u n a m a n e r a d e l t o d o arbitraria e n cualquier p u n t o d e lespacio sin alterar ning u n a c a n t i d a d m e n s u r a b l e , s i e m p r e q u e , e n compensación, s e a l t e r e e l p o t e n c i a l magnético d e c a d a u n o d e l o s p u n t o s . E n l a j e r g a d e l o s matemáticos, e l e l e c t i - o m a g n e t i s m o e s " i n v a r i a n t e b a j o u n a ti-ansformación g a u g e U(l)". A n i v e l d e l a s partículas elementales, esa propiedad d e l electromagnetismo funciona 128

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

Vista aérea del Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois (E.U.A.). El círculo mayor es el acelerador principal, que mide seis kilómetros y medio de circunferencia. Hay tres áreas experimentales que se extienden tangencialmente desde el aceleradoi;. Fofo Fermilab.

129

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

Parte del equipo del Experimento n.° 1 A en el que se observó por vez primera la corriente neutra en el Fermilab. Foto Fermilab.

d e e s t a m a n e r a : l o s c a m b i o s e n l a descripción d e l a s partículas cargadas debidos a cambios e n los potenciales se c o m p e n s a n e x a c t a m e n t e p o r l o s c a m b i o s e n l a descripción d e l fotón q u e se i n t e r c a m b i a .

E n 1 9 6 7 s e p r o d u j o u n a d e l a n t o i m p o r t a n t e . S e publicó u n a teoría e n l a q u e l a transformación g a u g e t o m a b a l a f o r m a de l acapacidad d etransformar protones e nneutrones, y vice130

LA PRIMERA UNIFICACIÓN MODERNA

versa, d e m a n e r a totalmente arbitraria e n cualquier p u n t o del espacio. Igual q u e e nl aelectricidad, los efectos debidos a este c a m b i o p u e d e n c o m p e n s a r s e p o r c a m b i o s e n l a s partículas q u e s e i n t e r c a m b i a n . L a simetría s u b y a c e n t e e s t a l q u e d e b e n i n t e r c a m b i a r s e c u a t r o partículas s i n m a s a p a r a g e n e r a r l a f u e r z a , p e r o l o s e f e c t o s d e l a r o t u r a espontánea d e simeb-ía h a c e n q u e t r e s d e e s a s partículas a d q u i e r a n u n a m a s a d e l o r d e n d e 8 0 - 1 0 0 G e V , n>ientras q u e l a cuarta p e r m a n e c e sin masa. L a s t r e s partículas p e s a d a s s e i d e n t i f i c a n c o n l o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s q u e i n t e r v i e n e n e n l a interacción débil, m i e n t r a s q u e l a p a r tícula s i n m a s a s e i d e n t i f i c a c o n e l fotón. E s t a teoría u n i f i c a l a s fijerzas electi-omagnética y débil, p u e s t o q u e a m b a s s e c o n s i deran c o m o e l resultado d e intercambios d e la misma familia d e partículas. E l h e c h o d e q u e l a s d o s f u e r z a s p a r e z c a n d i f e Foto tomada durante el experimento del mesón vectorial en el C E R N , en Ginebra. Los rastros marcan las trayectorias seguidas por las partículas elementales en el aparato. Foto coilesia del CERN.

131

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

rentes e nlaactualidad es u n a consecuencia del hecho d e que n o h a y s u f i c i e n t e energía d i s p o n i b l e e n l a s c o l i s i o n e s p a r a p e r m i t i r q u e s e o b s e r v e l a simetría s u b y a c e n t e . C u a n d o l a t e m p e r a t u r a s e a t a l q u e s e d i s p o n g a d e energías d e 8 0 - 1 0 0 G e V , a m b a s f u e r z a s serán idénticas. E n c u a l q u i e r c a s o , e s t e d e s a r r o l l o r e d u c e e l número d e f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s d e c u a t r o a fres, y l a f u e r z a c o m b i n a d a r e c i b e e l n o m b r e d e electrodébil.

Desde 1971 se h aa c u m u l a d o u n a gran cantidad d e evidencia, t a n t o teórica c o m o e x p e r i m e n t a l , q u e c o n f i r m a l a noción d e l a unificación d e e s t a s d o s f u e r z a s . E n l a página 1 2 7 s e d a u n a f o r m a fácil d e v i s u a l i z a r e s t a unificación.

7.

La gran unificación

Un científico es un hombre que puede descubrir algo, y nadie en el mundo tiene la manera de probar si realmente lo descubrió o no, y que cuantas más cosas puede llegar a imaginar que nadie pueda descubrir, más gran científico es.

WlLL ROGERS

CROMODINÁMICA CUÁNTICA L a lección más i m p o r t a n t e q u e p o d e m o s d e d u c i r d e l éxito m a r a v i l l o s o d e l a unificación d e l a s i n t e r a c c i o n e s e l e c t r o m a g nética y débil e s q u e e r a c o r r e c t a l a intuición q u e n o s decía q u e había a l g o e q u i v o c a d o e n u n U n i v e r s o g o b e m a d o p o r c u a t i - o teorías d i f e r e n t e s . H e m o s v i s t o q u e l a i d e a d e s i m e b i a s escondidas e n l a naturaleza p u e d e invocarse para reducir este número a t r e s , y c a b e p r e g u n t a r s e s i e l m i s m o p r o c e s o n o b a s taría p a r a r e d u c i r l o a d o s o i n c l u s o a u n a . L o s teóricos n o d e s deñaron, p o r s u p u e s t o , e s t a p o s i b i l i d a d y d e s d e p r i n c i p i o s d e l o s años s e t e n t a d e d i c a r o n u n e n o r m e e s f u e r z o a p r o d u c i r u n a unificación a d i c i o n a l , a través d e l u s o d e l a s técnicas g a u g e . E l e s f i j e r z o f u e fixictífero, y t e n e m o s a h o r a u n a teoría e n l a q u e l a f u e r z a f u e r t e está u n i f i c a d a c o n l a electrodébil. L u e g o v e r e m o s c ó m o f u n c i o n a l a teoría, p e r o , a n t e s d e q u e p o d a m o s h a b l a r d e u n i f i c a r l a teoría d e l a f u e r z a f u e r t e c o n a l g o , t e n e m o s q u e c o m p r e n d e r l o q u e e s ésa teoría.

Y a h e m o s v i s t o q u e l a fijerza f u e r t e f u n d a m e n t a l a c t i i a e n t r e q u a r k s y q u e , además d e s u c a r g a eléctrica o r d i n a r i a , e s t o s q u a r k s l l e v a n u n típo d e c a r g a q u e h e m o s l l a m a d o c o l o r . L a teoría q u e descríbe l a interacción e n t r e l a s c a r g a s eléctrícas d e l a s partículas a través d e l i n t e r c a m b i o d e u n fotón s e l l a m a 133

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

electrodinámica cuántica. E l término electrodinámica indica q u e c o n s i d e r a m o s l o s e f e c t o s electromagnéticos, y e l término cuántica i n d i c a q u e t r a t a m o s c o n partículas. P o r analogía, l a teoría q u e s e h a d e s a r r o l l a d o p a r a d e s c r i b i r l a interacción f u e r t e — u n a interacción e n l a q u e i n t e r v i e n e l a c a r g a d e c o l o r d e l o s q u a r k s — s e d e n o m i n a cromodinámica cuántica ( Q C D , d e l inglés quantum chromodynamics), con e l prefijo c r o m o para r e f e r i r s e a l c o l o r . E s u n a teoría s i m i l a r a l e l e c t i - o m a g n e t i s m o c o r r i e n t e , p e r o más c o m p l i c a d a . T a l c o m o v e r e m o s , e s t a s i m i l i t u d f a c i l i t a l a unificación d e l a f u e r z a f u e r t e c o n l a e l e c h - o débil.

L a i d e a d e q u e l a s partículas p u e d a n l l e v a r u n a c a r g a eléct r i c a n o s r e s u l t a f a m i l i a r . H a y d o s tipos d e c a r g a eléctrica, q u e l l a m a m o s p o s i t i v a y n e g a t i v a . E n e l c u r s o n o r m a l d e las cosas, l a s partículas s e a g r u p a n e n átomos d e f o r m a t a l q u e c a d a átom o c o n t i e n e tantas cargas positivas c o m o negativas. Oti-a m a n e r a d e d e s c r i b i r e s t e h e c h o e s señalar q u e , según l a s l e y e s q u e g o b i e m a n l a c a r g a eléctrica, l a s partículas c a r g a d a s s e a g r u p a n f o r m a n d o e s t r u c t u r a s q u e s o n eléctricamente n e u t r a s .

O c u r r e u n fenómeno s i m i l a r c u a n d o e x a m i n a m o s l a c a r g a d e c o l o r d e l o s q u a r k s . E n l u g a r d e d o s tipos d e c a r g a , h a y ti-es, q u e l l a m a r e m o s r o j o , a z u l y v e r d e . D e b e m o s r e c o r d a r q u e aquí n o s e u s a e l término color en e l s e n t i d o c o r r i e n t e .

D e c i r q u e u n q u a r k d e t e r m i n a d o e s v e r d e , sólo e s u n a m a n e r a rápida d e e x p r e s a r q u e e l q u a r k tiene e l tipo d e c a r g a q u e , d e m o d o a r b i t r a r i o , h e m o s l l a m a d o v e r d e ; e s análogo a d e c i r q u e e l q u a r k e s p o s i t i v o c u a n d o q u e r e m o s d e c i r q u e tiene u n a c a r g a eléctirica p o s i t i v a .

L a razón básica d e q u e l o s p r o t o n e s y l o s e l e c t r o n e s f o r m e n átomos elécti-icamente n e u t i - o s e s q u e , d e a c u e r d o c o n l a l e y d e l a f u e r z a eléctiica, l a s c a r g a s i g u a l e s s e r e p e l e n e n t r e sí y l a s c a r g a s d i s t i n t a s s e a t r a e n . C o m o cabía e s p e r a r , l a s l e y e s q u e g o b i e m a n l a c a r g a d e c o l o r s o n a l g o más c o m p l e j a s a c a u s a d e l a e x i s t e n c i a d e t r e s tipos d e c a r g a e n l u g a r d e d o s .

S i n e m b a r g o , s u c e d e q u e sólo h a y d o s s i t u a c i o n e s e n q u e l a f u e r z a d e c o l o r sea atractiva. L a f u e r z a enti-e u n q u a r k c o n u n c o l o r d a d o y e l a n t i q u a r k c o n e l a n t i c o l o r e s atiractiva, y l a 134

LA GRAN UNIFICACIÓN

fuerza entre tres quarks, n i n g u n o d e los cuales tenga e l m i s m o c o l o r , también e s a t r a c t i v a . C u a l q u i e r o t r a combinación p r o d u ce u n a fuerza repulsiva.

S i r e c o r d a m o s l a e s t r u c t u r a d e q u a r k s d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , n o s d a r e m o s c u e n t a d e q u e l a p r i m e r a situación ( q u a r k más a n t i q u a r k ) e s l o q u e l l a m a m o s u n mesón, m i e n t r a s q u e l a s e g u n d a ( f r e s q u a r k s ) c o r r e s p o n d e a u n barión. P o r l o t a n t o , e l h e c h o d e q u e e l único tipo d e partículas d e f u e r t e i n teracción s e a n l o s m e s o n e s y l o s b a r i o n e s q u e d a r e f l e j a d o e n términos d e l a c a r g a d e c o l o r m e d i a n t e e s t a r e g l a d e l a f u e r z a .

E l término color, a u n q u e n o s e r e f i e r e a ningún a t r i b u t o p i g m e n t a r i o d e l a s partículas, p r o p o r c i o n a s i n e m b a r g o u n a r e g l a mnemotécnica útil p a r a e s t e tipo d e c a r g a . H a y fres tipos d e c a r g a d e c o l o r e n l o s q u a r k s y h a y fres p i g m e n t o s p r i m a rios. P u e d e obtenerse cualquier color d e p i n t u r a m e z c l a n d o azul, verde y rojo e n proporciones adecuadas. S i mezclamos c a n t i d a d e s i g u a l e s d e e s t o s fres p i g m e n t o s o b t e n e m o s e l b l a n c o , l a a u s e n c i a d e c o l o r . D e m a n e r a p a r e c i d a , h a y fres p i g m e n t o s llamados subsfractivos, p o r q u e absorben l o s colores p r i m a r i o s c u a n d o s e añaden a u n a m e z c l a . S o n e l c y a n ( u n c o lor azul verdoso que absorbe e l rojo), magenta (que absorbe e l v e r d e ) y a m a r i l l o ( q u e a b s o r b e e l a z u l ) . L a adición d e u n p i g m e n t o a s u c o m p l e m e n t o subsfractivo (p. ej., r o j o a l cyan) produce el blanco.

E n términos d e e s t a analogía ( y n o m e c a n s o d e r e p e t i r q u e e s sólo u n a analogía), l a l e y p a r a l a f u e r z a e n f r e l o s q u a r k s r e s u l t a m u y s e n c i l l a . L o s q u a r k s sólo p u e d e n r e u n i r s e e n c o n juntos c u a n d o e l color resultante s e ablanco. S i consideramos q u e e l b l a n c o n o tiene c o l o r o e s d e c o l o r n e u f r o , e x i s t e u n a analogía e x a c t a e n t r e l a c a r g a d e c o l o r y l a eléctrica, y a q u e l o s o b j e t o s c a r g a d o s eléctricamente también f o r m a n s i s t e m a s e s t a b l e s s i l a combinación f i n a l e s eléctiricamente n e u f r a . E n l a figura 2 4 , s e m u e s f r a n e l pión c a r g a d o p o s i t i v a m e n t e y e l p r o tón e n términos d e l o s c o l o r e s d e l o s q u a r k s . Adviértase q u e , e n r e a l i d a d , aparecerá u n a c a r g a eléctiica d a d a e n fres q u a r k s , c a d a u n o c o n u n a c a r g a d e c o l o r d i s t i n t a . Así, l o q u e h e m o s l l a m a d o q u a r k d e tipo u ( c a r g a elécfrica 2 / 3 ) e s e n r e a l i d a d 135

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Rojo

Verde

Azul

Rojo

Protón

Cyan

Pión Fig.

24

t r e s partículas d i s t i n t a s : u n q u a r k u r o j o , u n q u a r k u a z u l y u n quark u verde.

V i m o s q u e l a m a n e r a d e p r o d u c i r u n a teoría g a u g e d e l a s i n t e r a c c i o n e s débiles e r a c o n s i d e r a r l a s simetrías r e l a c i o n a d a s c o n l a alteración d e l a s c a r g a s eléctricas e n p u n t o s d i s t i n t o s d e l e s p a c i o . A l t r a t a r d e l o s q u a r k s , e l tipo análogo d e simetría implicará l a s c a r g a s d e c o l o r e n l u g a r d e l a s eléctricas. S i g u i e n do el procedimiento d e Weinberg y Salam, exigimos que n o cambie n i n g u n a cantidad m e n s u r a b l e c u a n d o e n u n sistema alter e m o s a l a z a r l o s c o l o r e s d e l o s q u a r k s ("Dejaré e s t e r o j o , c a m biaré e s t e a z u l p o r v e r d e , cambiaré e s t e v e r d e p o r r o j o , dejaré e s t e a z u l . . . " ) . N a t u r a l m e n t e , s i sólo hiciéramos e s t o , l a teoría n o podría s e r i n v a r i a n t e , y a q u e c a m b i a r e l c o l o r d e u n q u a r k e n s u protón eliminaría s u " b l a n c u r a " . C o m o e n e l c a s o d e l a teoría d e W e i n b e r g - S a l a m , l o s c a m b i o s e n l a s p r o p i e d a d e s mecanicocuánticas d e l o s q u a r k s c a u s a d o s p o r e s t a operación deben seranulados por cambios compensatorios d e las prop i e d a d e s mecanicocuánticas d e l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s e n t r e l o s q u a r k s , partículas q u e h e m o s l l a m a d o g l u o n e s . P a r a q u e o c u r r a e s t a anulación, d e b e h a b e r o c h o partículas d e éstas. T o d a s s o n partículas s i n m a s a , d e s p i n 1 y , m i e n h - a s q u e s o n eléctricamente n e u t r a s , tienen c a r g a d e c o l o r . C a d a gluón tiene u n c o l o r y u n antícolor, a u n q u e e l c o l o r y e l a n t i c o l o r n o son necesariamente miembros d e u n a pareja e n correspond e n c i a . P o r e j e m p l o , h a y u n gluón q u e tiene l a c a r g a r o j a y antiverde, otro la azul y antirroja, etc.

136

LA GRAN UNIFICACIÓN

El intercambio d e gluones entre los quarks m a n t i e n e unid a s l a s partículas e l e m e n t a l e s , d e l m i s m o m o d o q u e e l i n t e r cambio d efotones entre electrones y protones mantiene u n i d o a l átomo. L a única d i f e r e n c i a r e a l e s q u e l o s i n t e r c a m b i o s s o n u n p o c o más c o m p l i c a d o s e n e l c a s o d e l a s i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s y a q u e l o s q u a r k s tienen q u e c a m b i a r s u c a r g a d e c o l o r c u a n d o e m i t e n u n gluón. L a f i g u r a 2 5 m u e s b - a u n p r o c e s o d e i n t e r c a m b i o e n u n protón. L o s t r e s q u a r k s v a n j u n t o s h a s t a q u e e l q u a r k r o j o e m i t e e l gluón c o n l o s c o l o r e s r o j o y a n t i v e r -

II

Verde

Rojo

u.

Rojo (_^Ant¡verde

Lj H

Verde

li

Azul

^

U

Rojo

d

u Fig.

25

d e ( m a g e n t a ) . E s t e gluón a l c a n z a e l q u a r k v e r d e , d o n d e l a s cargas verde y antiverde se a n u l a n u n a a otra y deja a l quark c o n u n a c a r g a n e t a r o j a . E l i n t e r c a m b i o d e l gluón h a i n t e r c a m b i a d o así l a c a r g a d e c o l o r d e l o s d o s q u a r k s , p e r o h a d e j a d o e l s i s t e m a g l o b a l c o n l a combinación c o r r e c t a q u e d a e l b l a n c o ( e l c o l o r n e u t i - o ) . S e observará, e n e s t e e j e m p l o , q u e l a c a r g a d e c o l o r , i g u a l q u e l a c a r g a eléctrica, s e c o n s e r v a e n t o d a s l a s e t a p a s d e l a interacción. C u a n d o s e e m i t e e l gluón, u n a c a r g a r o j a e n t r a e n l a interacción c o n e l q u a r k y l a a b a n d o n a c o n e l gluón, m i e n t r a s q u e l a v e r d e d e l q u a r k final e s a n u l a d a p o r l a a n t i v e r d e d e l gluón. Éste e s otro e j e m p l o d e l a analogía t a n e s t r e c h a e n b - e l a c a r g a d e c o l o r y l a c a r g a eléctiica.

137

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

EL CONFINAMIENTO D E L O S Q U A R K S U n o d e l o s m a y o r e s p r o b l e m a s c o n c e p t u a l e s d e l a teoría d e l a s i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s q u e a c a b a m o s d e descríbir e s e l s i m p l e h e c h o d e q u e n u n c a s e h a v i s t o ningún q u a r k e n e l l a boratorío. ( H a y u n a p o s i b l e excepción, q u e d i s c u t i r e m o s e n e l capítulo 1 2 . ) S i t o d o s l o s h a d r o n e s están c o m p u e s t o s p o r q u a r k s , e s difícil c o m p r e n d e r e l p o r qué d e e s t a situación; d e s pués d e t o d o , s a b e m o s q u e l o s átomos están c o m p u e s t o s p o r núcleos y e l e c t r o n e s y s i e m p r e v e m o s núcleos y e l e c t r o n e s l i b r e s . L a única m a n e r a e n q u e l o s q u a r k s p u e d e n h a b e r e v a d i d o l a s búsquedas i n t e n s a s a q u e h a n s i d o s o m e t i d o s e s q u e , p o r a l g u n a razón, sólo p u e d a n e x i s t i r d e n t r o d e l a s partículas y n o p u e d e n hacerío c o m o e n t i d a d e s l i b r e s . E s t a p r o p i e d a d s e l l a m a c o n f i n a m i e n t o , d a d o q u e l o s q u a r k s están c o n f i n a d o s d e n t r o d e l a s partículas. R e s u l t a q u e h a y u n a m a n e r a m u y n a t u r a l d e e x p l i c a r e l c o n f i n a m i e n t o e n términos d e i n t e r c a m b i o de gluones. E ne l franscurso d e e s t a explicación, descubrírem o s también u n a f o r m a válida d e d e s c r i b i r t o d o e l p r o c e s o d e l a g r a n unificación.

La mejor f o r m a d eabordar e l confinamiento es considerar u n a analogía elecb-omagnética. S i t e n e m o s u n a c a r g a eléctrica ordinaria situada e n e l espacio, s a b e m o s q u e e l principio d e i n c e r t i d u m b r e p e r m i t e l a creación d e u n p a r electi-ón-posifrón e n e l e s p a c i o a s u a l r e d e d o r , t a l c o m o s e m u e s t r a e n l a figur a 2 6 . E l único r e q u e r i m i e n t o e s q u e e s t e p a r s e r e c o m b i n e y s e a n i q u i l e e n u n tiempo s u f i c i e n t e m e n t e c o r t o p a r a s a t i s f a c e r a q u e l p r i n c i p i o . E s t e tipo d e aparición y desaparición s u c e d e c o n t i n u a m e n t e e n e l vacío.

C e r c a d e u n a c a r g a o r d i n a r i a , l a s f u e r z a s eléctiicas a c t u a rán s o b r e e l p a r v i r t u a l d u r a n t e s u b r e v e v i d a . S i l a c a r g a o r i g i n a l e s n e g a t i v a , e l positrón tenderá a s e r atraído h a c i a e l l a y e l electrón tenderá a s e r r e p e l i d o . P u e s t o q u e l a creación y aniquilación d e p a r e s v i r t u a l e s e s u n p r o c e s o c o n t i n u o , p o d e m o s i m a g i n a m o s la carga original rodeada p o runa nube d e p a r e s electrón-positirón v i r t u a l e s , t a l c o m o s e m u e s t r a e n l a fi138

LA GRAN UNIFICACIÓN

Fig. 2 6

R g . 2 7

g u r a 2 7 . P o r término m e d i o , e s t a n u b e d e partículas c a r g a d a s s e dispondrá d e m a n e r a q u e l a p a r t e d e l a n u b e más c e r c a n a a l a partícula estará c a r g a d a p o s i t i v a m e n t e m i e n t r a s q u e l a p a r t e más a l e j a d a será n e g a t i v a .

I m a g i n e m o s a h o r a q u e o t r a partícula c a r g a d a , c o m o u n electrón, s e a c e r c a a e s t e s i s t e m a partícula-nube. S i e l electrón p e r m a n e c e l e j o s , e l s i s t e m a s e parecerá a u n a c a r g a elécfrica o r d i n a r i a . S i n e m b a r g o , s i e l elecfrón tiene u n a v e l o c i d a d a l t a , penetrará e n e l s i s t e m a y s e abrirá c a m i n o d e n f r o d e l a n u b e .

C u a n t a m a y o r s e a l a energía d e l elecfrón, más p r o f u n d a m e n t e podrá p e n e f r a r . P o r l o t a n t o , s i q u e r e m o s d e s c r i b i r l a i n t e r a c ción elecfrón-partícula a a l t a s energías, t e n d r e m o s q u e r e f l e x i o n a r a c e r c a d e qué tipo d e f u e r z a a c t i i a s o b r e e l elecfrón u n a v e z está d e n f r o d e l a n u b e . H a y q u e c o n s i d e r a r d o s f u e r z a s , l a asociada con l a carga negativa original y l a asociada con l a p a r t e p o s i t i v a d e l a n u b e c e r c a d e e s a c a r g a . A m b a s tenderán a anularse m u t u a m e n t e , c o n l a n u b e positiva que afrae e l elecfrón y l a c a r g a o r i g i n a l q u e l o r e p e l e . P o r t a n t o , l a f u e r z a t o t a l s o b r e e l elecfrón será m e n o r q u e l a q u e ejercería l a partícula oríginal s o l a . D e c i m o s q u e l a n u b e p o s i t i v a e s c u d a l a c a r g a d e l a partícula estacionaría. E n l o q u e c o n c i e r n e a l a partícula i n c i d e n t e , l a situación e s e x a c t a m e n t e l a q u e s e produciría s i l a 139

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

carga negativa original t u v i e r a u nv a l o r m e n o r d e l q u e realmente tiene.

C u a n t o más p r o f u n d o s e p e n e t r a e n l a n u b e , más c a r g a p o s i t i v a s e d e j a ab-ás y m e n o s c a r g a p o s i t i v a q u e d a p o r d e l a n te escudando l a carga estacionaria. P o r l o tanto, a u m e n t a l a f u e r z a t o t a l e j e r c i d a s o b r e e l electrón p o r l a c a r g a o r i g i n a l y l a n u b e . C u a n t a m a y o r s e a l a energía d e l elecfrón, más p r o f u n d a m e n t e p e n e f r a ; y c u a n t o más p r o f u n d a m e n t e p e n e f r a , más i n t e n s a e s l a f u e r z a r e p u l s i v a q u e e x p e r i m e n t a . Es c o m o s i a l g u i e n i n c r e m e n t a r a l a c a r g a d e l a partícula e s t a c i o n a r i a a m e d i d a q u e e l elecfrón s e a c e r c a a e l l a . L a i n t e n s i d a d e f e c t i v a d e l a f u e r z a eléctrica, e n o t r a s p a l a b r a s , a u m e n t a a m e d i d a q u e s e i n c r e m e n t a l a energía d e l elecfrón. D e b e s u b r a y a r s e q u e e s t e e f e c t o n o tiene n a d a q u e v e r c o n c a m b i o s e n n i n g u n a c a r g a real, sino c o n e l h e c h o d e que l a n u b e virtual alrededor d e l a partícula c a r g a d a p u e d e e s c u d a r p a r t e d e l a c a r g a d e e s a p a r tícula.

U n a vez establecido este p u n t o para e l elecfromagnetismo, p o d e m o s u t i l i z a r l a m i s m a técnica p a r a d i s c u t i r l a s i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s . C u a l q u i e r q u a r k estará r o d e a d o p o r u n a n u b e d e pares quark-antiquark virtuales. S i e l quark original es verde, entonces cabe esperar que u npar virtual verde-antiverde se d i s p o n g a d e f o r m a q u e e l m i e m b r o a n t i v e r d e d e l p a r esté c e r ca d e l q u a r k original. P o r l ot a n t o , n u e s f r o p r i m e r i m p u l s o e s d e c f r q u e e l e f e c t o d e e s c u d o debería s e r e l m i s m o aquí q u e para e l elecfromagnetismo y q u e l acarga d e color efectiva d e u n q u a r k debería a u m e n t a r a l i n c r e m e n t a r s e l a energía d e c o lisión.

S i n e m b a r g o , p a r a las i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s h a y u n n u e v o f a c t o r i m p o r t a n t e a t e n e r e n c u e n t a . Además d e l a n u b e d e q u a r k s y a n t i q u a r k s , habrá u n a s e g u n d a n u b e s u p e r p u e s t a d e g l u o n e s v i r t u a l e s . P o r s u p u e s t o , e x i s t e u n a n u b e análoga d e f o t o n e s v i r t u a l e s a l r e d e d o r d e u n a c a r g a eléctrica, p e r o c o m o l o s f o t o n e s n o tienen c a r g a eléctrica, e s t a n u b e n o p r o d u c e ningún e f e c t o . N o o b s t a n t e , e n e l c a s o d e l a interacción f u e r t e , l o s g l u o n e s v i r t u a l e s d e l a n u b e tienen c a r g a d e c o l o r y p o r tanto deben tomarse e ncuenta a l hablar de l aintensidad efec140

LA GRAN UNIFICACIÓN

V V

V

\

Verde^ V

V

V

V V

A'

Fig.

28

t i v a d e l a interacción. R e s u l t a q u e l a n u b e d e g l u o n e s v i r t u a l e s p r o d u c e e n l a partícula i n c i d e n t e e l e f e c t o e x a c t a m e n t e o p u e s t o a l d e l a n u b e d e q u a r k s y anüquarks. P r o d u c e u n a e s p e c i e de efecto "anti-escudo", q u ea u m e n t a l a carga d e color del quark original e nlugar d e disminuida. Este efecto puede cons i d e r a r s e q u e l o p r o d u c e l a p a r t e v e r d e d e l gluón a l s e r "atraíd a " h a c i a el q u a r k v e r d e o r i g i n a l . E l e f e c t o n e t o d e las d o s n u b e s superpuestas se m u e s t r a e n la figura 28. E l q u a r k v e r d e original está r o d e a d o p o r u n a n u b e d e partículas v i r t u a l e s , c u y a p a r t e d e c o l o r v e r d e e s l a q u e s e e n c u e n t r a más próxima a l q u a r k .

O t r o q u a r k q u e s e a c e r q u e a e s t e s i s t e m a c o n u n a energía a l t a penetrará e n l a n u b e . A l a c e r c a r s e más a l q u a r k o r i g i n a l ( e s d e c i r , a l a u m e n t a r s u energía) v e c a d a v e z m e n o s p a r t e verde d e la nube. E nconsecuencia, v e que lacarga d e color e f e c t i v a d e q u a r k o r i g i n a l s e h a c e c a d a v e z más pequeña. P o r lo tanto, a diferencia del electromagnetismo, puede esperarse q u e l a interacción v e r d e s e a c a d a v e z m e n o s i n t e n s a a m e d i d a q u e a u m e n t a l a energía c o n l a q u e c o l i s i o n a n l a s partículas.

Este resultado tiene dos consecuencias m u y importantes.

P o r u n a p a r t e , s i g n i f i c a q u e c u a n d o d o s q u a r k s están c e r c a u n o d e l o t r o , t a l c o m o s e e n c u e n t r a n e n l a s partículas o r d i n a rias, c a d a u n o p a s a l a m a y o r p a r t e d e l tiempo d e n t r o d e l a n u b e v i r t u a l d e l o h - o . P o r l o t a n t o , i n t e r a c c i o n a n e n t r e sí d e l a m a n e r a más débil q u e e s p o s i b l e q u e i n t e r a c c i o n e n . E s t a p r o 141

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

p i e d a d , c o n o c i d a c o m o l i b e r t a d asintótica d e l o s q u a r k s , s i g n i f i c a q u e p o d e m o s i m a g i n a r l o s q u a r k s e n u n protón c o m o t r e s c a n i c a s q u e s e m u e v e n e n u n r e c i p i e n t e , c o n p o c a interacción.

P o r o t r a p a r t e , s i u n q u a r k i n t e n t a e s c a p a r d e l protón, verá q u e l a c a r g a d e c o l o r d e l s i s t e m a q u e d e j a atrás a u m e n t a c a d a v e z más a l b r a t a r d e s e g u i r s u c a m i n o h a c i a f u e r a . P u e d e i m a g i n a r s e e l q u a r k c o m o s i e s t u v i e r a a t a d o a s u posición o r i g i n a l c o n u n a g o m a elástica s u e l t a . M i e n t r a s s e m u e v e l i b r e m e n t e d e n t i - o d e l protón n o s u c e d e n a d a . P e r o s i frata d e e s c a p a r , e s e s t i r a d o h a c i a atrás c o n t a n t a más f u e r z a c u a n t o más s e a l e j a .

D e hecho, l anaturaleza d e l an u b e d e gluones es tal que ningún q u a r k l i g a d o a u n a partícula p u e d e s e r a r r a n c a d o d e e l l a .

P o r e s t a razón d e c i m o s q u e e l q u a r k está c o n f i n a d o e n l a p a r tícula y h a b l a m o s d e l p r i n c i p i o d e c o n f i n a m i e n t o d e l o s q u a r k s . E s t e p r i n c i p i o e x p l i c a p o r qué n o s e o b s e r v a n q u a r k s e n e l l a b o r a t o r i o , p u e s t o q u e n o p u e d e l i b e r a r s e ningún q u a r k d e u n a partícula e l e m e n t a l .

LA

G R A N UNIFICACIÓN

L a Q C D n o s p r o p o r c i o n a , p u e s , u n a teoría d e l a i n t e r a c ción d e l o s q u a r k s q u e s a t i s f a c e e l p r i n c i p i o d e l a simetría g a u g e a p l i c a d o a l a c a r g a d e c o l o r . L a s i g u i e n t e cuestión q u e p l a n t e a m o s e s s i p u e d e u n i f i c a r s e e s t a interacción c o n l a f u e r z a electi-odébil u t i l i z a n d o técnicas análogas a l a s p r e s e n t a d a s e n e l capítulo a n t e r i o r . R e s u l t a q u e l a r e s p u e s t a a e s t a p r e g u n ta es positiva, a u n q u e l af o r m a concreta e n q u e d e b e realizarse l a unificación e s aún o b j e t o d e d e b a t e e n t r e l o s teóricos.

A p e s a r d e t o d o , r e s u l t a fácil d e s c r i b i r e l e s q u e m a g e n e r a l .

L a interacción s u b y a c e n t e e n l a s t r e s f u e r z a s ( f u e r t e , e l e c t r o magnética y débil) m u e s t i - a u n a simeti-ía g a u g e , q u e n o s p e r m i t e c a m b i a r l a s c a r g a s eléctricas y d e c o l o r a v o l u n t a d e n puntos diferentes del espacio. D a d o que ahora estamos hab l a n d o d e c o m b i n a r l a s i n t e r a c c i o n e s débil y f u e r t e , t e n e m o s q u e a m p l i a r e s t a simetría y p e r m i t i r q u e l o s . q u a r k s s e c o n v i e r tan e nleptones y viceversa, exactamente d el am i s m a manera.

142

LA GRAN UNIFICACIÓN

P a r a c o m p e n s a r estas alteraciones, tiene q u e haber u n a familia d e partículas c u y o i n t e r c a m b i o s e a e l r e s p o n s a b l e d e l a f u e r z a u n i f i c a d a . L o s c a m b i o s e n e s t a s partículas i n t e r c a m b i a d a s a n u larán c o n e x a c t i t u d l o s c a m b i o s e n l a s partículas o r i g i n a l e s y dejarán i n v a r i a n t e l a teoría. E n l a versión simétrica d e l a t e o ría, t o d a s l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s serían d e m a s a n u l a .

S i n e m b a r g o , a c a u s a d e l fenómeno d e r o b a r a espontánea d e l a simetría, a l g u n a s d e e s t a s partículas i n t e r c a m b i a d a s tendrán e n realidad u n a masa, igual q u e los bosones vectoriales e n l a unificación d e l a s f u e r z a s electromagnética y débil.

E l d e b a t e teórico m e n c i o n a d o a n t e s está r e l a c i o n a d o c o n l a simetría e x a c t a q u e s i g u e e s t a teoría d e l a g r a n unificación ( G U T , d e l inglés grand unified íheory). E s t a cuestión aún n o está r e s u e l t a , a u n q u e l o s r e s u l t a d o s g e n e r a l e s p r o d u c i d o s p o r c u a l q u i e r teoría s o n c l a r o s . P a r a s e r más c o n c r e t o s , describiré aquí u n a d e l a s teorías más s e n c i l l a s d e l a g r a n unificación. ( E l l e c t o r q u e l o d e s e e p u e d e t e n e r p r e s e n t e q u e l a teoría r e a l que se desarrolle finalmente puede comprender algunos tipos más d e partículas.)

L a f u e r z a básica q u e o p e r a e n e s t a teoría d e l a g r a n u n i ficación está c o n d i c i o n a d a p o r u n a f a m i l i a d e v e i n t i c u a t r o p a r tículas s i n m a s a , d e s p i n 1. E s t a s partículas tienen e l m i s m o p a p e l e n l a g r a n unificación q u e e l d e l a s c u a t r o partículas s i n m a s a d e s p i n 1 e n l a unificación elecb-odébil. D e h e c h o , c u a b - o d e e s t a s partículas s e i d e n t i f i c a n c o n l o s c u a t r o b o s o n e s e l e c trodébiles, m i e n t r a s q u e o c h o más s e i d e n t i f i c a n c o n l o s g l u o n e s r e s p o n s a b l e s d e l a f u e r z a ftaerte. L a s r e s t a n t e s d o c e partículas se d e n o t a n c o n l a letra X y representan u n c o n j u n t o n u e v o d e partículas. L a s partículas X tienen c a r g a d e c o l o r y c a r g a eléctrica d e ± 1 / 3 ó ± 4 / 3 . P o r l o t a n t o , h a y X r o j o , v e r d e y a z u l c o n c a r g a 1/3, l o s m i s m o s c o l o r e s c o n c a r g a - 1 / 3 , e t c .

Además, e s t a s partículas X tienen l a p r o p i e d a d d e q u e p u e d e n c a m b i a r u n q u a r k e n u n leptón y v i c e v e r s a . E n o t i - a s p a l a b r a s , u n p r o c e s o c o m o e l q u e s e m u e s t r a e n l a figura 2 9 , d o n d e u n a partícula X s e c o m b i n a c o n u n q u a r k y p r o d u c e u n electrón, e s p o s i b l e e n l a teoría d e l a g r a n unificación, a u n q u e n o e s t a ría p e r m i t i d o según l a s i d e a s t r a d i c i o n a l e s d e l a física d e l a s 143

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

X

e" Fig.

29

partículas. E s t e a s p e c t o d e l a teoría d e l a g r a n unificación e s m u y i m p o r t a n t e e n términos d e l a s p r e d i c c i o n e s q u e h a c e l a teoría a c e r c a d e m a g n i t u d e s q u e s e p u e d e n c o m p r o b a r d e m o d o experimental.

E n e l capíbjlo 6 , v i m o s q u e e l p r o c e s o d e r o t u r a espontán e a d e l a simefría convertía u n a p a r t e d e l a energía d e l s i s t e m a e n m a s a , i g u a l q u e e l p r o c e s o análogo e n e l h i e r r o c o n v i e r t e p a r t e d e l a energía e n c a m p o s magnéticos a g r a n e s c a l a .

E n e l c a s o d e l a s d o c e partículas X , éstas a d q u i e r e n u n a m a s a fantástica, 1 0 ' * G e V , o s e a , m i l b i l l o n e s d e v e c e s l a m a s a d e l protón y a p r o x i m a d a m e n t e l a m a s a d e u n a célula d e s a n g r e h u m a n a . L a i d e a d e q u e p u e d a h a b e r partículas d e m a s a m a croscópica p e r o tamaño microscópico h a p r o v o c a d o , t a l c o m o v e r e m o s más t a r d e , l a reconsideración d e v i e j a s i d e a s d e l a física.

C u a n d o l a energía d e l a s c o l i s i o n e s e n t r e l a s partículas e s superior a 10'* G e V , e lh e c h o d eq u e X tenga m a s a y los g l u o nes n o , s e v u e l v e irrelcvante y s e p o n e d e manifiesto e nl a nat u r a l e z a l a simeti-ía s u b y a c e n t e d e l s i s t e m a . C u a n d o l a energía está p o r d e b a j o d e e s t e p u n t o , s e o b s e r v a l o s e f e c t o s d e l a r o t u r a espontánea d e l a simeti-ía y l a f u e r z a f u e r t e a p a r e c e c o n 144

LA G R A N UNIFICACIÓN

u n carácter m u y d i s t i n t o d e l a electrodébil. A m o d o d e r e f e r e n c i a , l a m a s a d e 1 0 ' * G e V s e l l a m a masa de la gran unificación y l a energía c o r r e s p o n d i e n t e , energía de la gran unificación.

L a s energías p o r d e b a j o d e l a energía d e l a g r a n u n i f i c a ción s o n todavía m u y g r a n d e s c o m p a r a d a s c o n l a m a s a d e l o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s , p o r c o n s i g u i e n t e , a u n q u e l a energía h a y a d e s c e n d i d o p o r d e b a j o d e l o s 1 0 ' * G e V , n o aparecerá ningún e f e c t o d e b i d o a l a d i f e r e n c i a d e m a s a e n t r e e l fotón y l o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s . L a simetría a s o c i a d a c o n l a f u e r z a electrodéb i l s e manifestará e n l a n a t u r a l e z a h a s t a q u e l a energía d e l a s colisiones descienda p o r debajo d e u n o s 1 0 0G e V , p u n t o e n e l q u e l a s fres f u e r z a s q u e i n t e r v i e n e n e n l a g r a n unificación aparecen distintas.

H a y o f r a f o r m a d e c o n s i d e r a r l a g r a n unificación. V i m o s a n t e s q u e a m e d i d a q u e a u m e n t a b a l a energía d e l a i n t e r a c ción, c a m b i a b a l a c a r g a e f e c t i v a d e l a s partículas a c a u s a d e l a presencia d en u b e s virtuales. P o d e m o s representar estos c a m b i o s e n u n gráfico c o m o e l d e l a figura 3 0 . L a c o n s t a n t e d e a c o p l a m i e n t o elecfrodébil, d e m o d o m u y p a r e c i d o a l a c a r g a eléctrica, a u m e n t a l e n t a m e n t e c o n l a energía d e l a s c o l i s i o n e s , m i e n f r a s q u e l a i n t e n s i d a d d e l a interacción f u e r t e d i s m i n u y e .

# to >

100 GeV

Energía

1 0 " GeV

Fig. 3 0

145

EL M O M E N T O D E LA C R E A C I Ó N

L a s d o sconstantes d ea c o p l a m i e n t o q u e r e p r e s e n t a n las intensidades d e ambas interacciones se acercan lentamente u n aa o b r a y p a s a n a s e r i g u a l e s e n l a energía d e unificación. Así, p o d e m o s c o n s i d e r a r q u e l a unificación e s e l p u n t o d o n d e l a s i n t e n s i d a d e s d e l a s f u e r z a s s e h a c e n i g u a l e s , así c o m o e l p u n t o d o n d e t o d a s l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s p a r a g e n e r a r l a f u e r z a tienen m a s a s pequeñas c o m p a r a d a s c o n l a energía d e c o lisión.

E l h e c h o más s o r p r e n d e n t e d e e s t e gráfico ( y d e l a g r a n unificación e n g e n e r a l ) e s l a e n o r m e d i s p a r i d a d e n t i - e l a s e n e r gías a l a s q u e s e p r o d u c e n l a s d o s u n i f i c a c i o n e s . P o r e j e m p l o , e n l a figura 3 0 h e m o s t e n i d o q u e c o m p r i m i r l a e s c a l a d e e n e r gías p a r a q u e e l gráfico c u p i e r a d e n t i - o d e l a página. S i l o h u biéramos d i b u j a d o t o d o a e s c a l a , e l p u n t o e n e l q u e s e j u n t a n l a s d o s c u r v a s estaría s i t u a d o más allá d e l a órbita d e M a r t e . L a teoría p a r e c e señalar q u e , u n a v e z s e a l c a n z a n u n o s 1 0 0 G e V , n o s e p u e d e e s p e r a r q u e s u c e d a n a d a i n t e r e s a n t e e n l a física d e l a s partículas h a s t a a l c a n z a r l a energía d e unificación. L o s físicos l l a m a n a e s t a v a s t a y a b u r r i d a región d e energías e l g r a n d e s i e r t o asintótico. L a razón d e q u e l a s d o s u n i f i c a c i o n e s o c u r r a n a energías t a n r a d i c a l m e n t e d i f e r e n t e s e s u n p r o b l e m a f u n d a m e n t a l d e l a física teórica y , p o r e l m o m e n t o , n a d i e tiene i d e a d e cómo s e p u e d e r e s o l v e r .

CONGELACIONES

SUCESIVAS

H e m o s u t i l i z a d o r e p e t i d a s v e c e s l a analogía d e l a f o r m a ción d e u n imán o u n c o p o d e n i e v e p a r a h a b l a r d e l a s s i m e tilas e n l a n a t u r a l e z a . L a analogía n o s d a también u n a f o r m a m u y a t r a c t i v a d e v i s u a l i z a r l a unificación d e l a s f u e r z a s . C u a n d o s e p r o d u c e u n a congelación, p e n s a m o s n o r m a l m e n t e e n u n r e o r d e n a m i e n t o d ela materia q u econstituye e l sistema. U n c o p o d e n i e v e , p o r e j e m p l o , s e f o r m a c u a n d o l a s moléculas d e a g u a q u e d a n b l o q u e a d a s e n u n c r i s t a l rígido, y u n imán, c u a n d o l o s átomos d e h i e r r o q u e d a n b l o q u e a d o s d e f o r m a a l i n e a d a . L a m a t e r i a d e l s i s t e m a p e r m a n e c e prácticamente i g u a l q u e 146

LA GRAN UNIFICACIÓN

e s t a b a ; l o q u e c a m b i a e s sólo l a interacción entre f r a g m e n t o s de esa materia.

S i n e m b a r g o , d e s d e e l p u n t o d e v i s t a d e l a simeh-ía, l a d e s cripción d e l a congelación y l a descripción d e l a unificación s o n m u y c e r c a n a s y p a r e c i d a s . E l a g u a líquida e s l a m i s m a s i n importar l o que l a h a g a m o s girar o giremos nosohros m i s m o s .

S i n e m b a r g o , e l a g u a h e l a d a sólo e s i n v a r i a n t e s i s e l e d a u n g i r o e q u i v a l e n t e a algún múltiplo d e 60°. P o r l o t a n t o , e l p r o c e s o d e congelación p u e d e c o n s i d e r a r s e c o m o u n p r o c e s o e n e l q u e s e r e d u c e l a simetría d e l s i s t e m a . D e u n s i s t e m a e n e l q u e n o h a y n i n g u n a dirección p r i v i l e g i a d a ( e s d e c i r , u n s i s t e m a d e a l t a simeb-ía) a 1 °C, e l a g u a p a s a a u n s i s t e m a e n e l q u e hay direcciones privilegiadas m u y definidas (un sistema d e b a j a simetría) a - 1 °C. R e s u l t a fácil v e r e l p r o c e s o análogo d e unificación d e l a s f u e r z a s . P o r e n c i m a d e l a energía d e unificación, l a s f u e r z a s e s tán u n i f i c a d a s . E s u n a situación d e a l t a simeh-ía e n l o q u e c o n c i e m e a l a s f u e r z a s . P o r d e b a j o d e l a energía d e unificación h a y u n a diferenciación d e l a s f u e r z a s y e l s i s t e m a tiene u n a s i meti-ía m e n o r . P o d e m o s p u e s c o n s i d e r a r e l p r o c e s o c o m o l a "congelación" d e d o s f u e r z a s s e p a r a d a s a p a r t i r d e l a f u e r z a o r i g i n a l u n i f i c a d a . L a única c o s a q u e h a y q u e t e n e r e n c u e n t a e s q u e éste e s u n tipo d e congelación a b s t r a c t o y q u e n o s u p o n e u n a reordenación d e l a m a t e r i a .

E n términos d e e s t e m o d e l o , p o d e m o s c o n s i d e r a r q u e l a s f u e r z a s f u e r t e , débil y electromagnética s o n análogas a t r e s fluidos diferentes, p o rejemplo, agua, alcohol y mercurio.

A t e m p e r a t u r a s a l t a s , l o s h - e s m a t e r i a l e s serán fluidos y d i r e m o s q u e e l s i s t e m a tiene u n a l t o g r a d o d e simehía. S i n e m b a r g o , a l b a j a r l a t e m p e r a t u r a , e s t a simehría n o s o b r e v i v e . A O °C, s e helará e l a g u a , m i e n t r a s q u e e l m e r c u r i o y e l a l c o h o l s e g u i rán líquidos. E s t o c o r r e s p o n d e a l a "congelación" d e l a f u e r z a f u e r t e a 1 0 ' * G e V . P o r d e b a j o d e l o s O °C t e n e m o s u n a s i m e tría m u c h o más b a j a e n n u e s t r o s i s t e m a : d o s d e l o s m a t e r i a l e s s o n aún líquidos, p e r o e l t e r c e r o e s u n c r i s t a l y a p a r e c e p o r c o m p l e t o d i f e r e n t e d e s u s compañeros. A - 4 0 °C s e helará e l m e r c u r i o . E s t o c o r r e s p o n d e a l a "congelación" d e l a f u e r z a dé147

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

bil a 1 0 0G e V . P o rd e b a j o d e este p u n t o se pierde p o r c o m p l e t o l a simetría d e l s i s t e m a o r i g i n a l . D o s d e l o s m a t e r i a l e s s o n a h o r a sólidos c o n u n a e s t r u c t u r a m u y d i f e r e n t e , m i e n t r a s q u e e l t e r c e r o s i g u e s i e n d o líquido. U n o b s e r v a d o r q u e v e a e s t a configuración f i n a l difícilmente s e dará c u e n t a d e l a s i m i l i t u d básica d e l o s t r e s m a t e r i a l e s , y n o o b s t a n t e e s t a s i m i l i t u d básica s e m a n i f i e s t a p o r e n c i m a d e l o s O °C. D e l a m i s m a m a n e r a , a h o r a o b s e r v a m o s l a s f u e r z a s f u e r t e , débil y electromagnética y las percibimos d e lt o d o diferentes unas d e otras, y sin e m b a r g o a energías m u y a l t a s n u e s t r a s teorías n o s i n d i c a n q u e tienen q u e s e r idénticas.

LA P R U E B A F I N A L D E L A TEORÍA D E L A G R A N UNIFICACIÓN L a s energías q u e i n t e r v i e n e n e n l a teoría d e l a g r a n u n i f i cación s o n t a n a l t a s q u e n o h a y e s p e r a n z a s d e q u e s e p u e d a n reproducir e n nuestros laboratorios e n u nfuturo predecible.

P o r consiguiente, t e n e m o s q u e b a s a m o s e npruebas indirectas p a r a e n c o n t r a r u n a comprobación e x p e r i m e n t a l d e l a teoría.

L a p r o p i e d a d más s o r p r e n d e n t e d e l a G U T e s l a p r e d i c ción d e q u e a u n a energía m u y a l t a e s p o s i b l e c a m b i a r l o s q u a r k s e n l e p t o n e s y v i c e v e r s a a través d e l a mediación d e l a s partículas X . E s t o s i g n i f i c a q u e l a s partículas c o n s t i t u i d a s p o r q u a r k s , c o m o l o s p r o t o n e s y l o s n e u t r o n e s , serían i n e s t a b l e s .

Sería p o s i b l e c o n v e r t i r u n o d e l o s q u a r k s e n u n leptón ( e l e c trón, positrón o n e u t r i n o ) y p r o v o c a r l a desintegración e s p o n tánea d e l protón. D a d o q u e l a m a s a d e l a partícula X e s t a n alta, s u p o n e m o s q u e este p r o c e s o e s m u y p o c o p r o b a b l e p e r o , a p e s a r d e t o d o , l a teoría p r e d i c e q u e debería o c u r r i r .

P u e s t o q u e n i n g u n a o t r a teoría h a c e u n a predicción t a n s o r p r e n d e n t e , l a m e d i d a d e l a e s t a b i l i d a d d e l protón r e s u l t a s e r u n a p r u e b a i m p o r t a n t e d e l a i d e a d e l a g r a n unificación. L a búsqueda d e l a desintegración d e l protón e s u n a e m p r e s a t a n cmcial e n esta etapa d e nuestro c o n o c i m i e n t o q u e dedicarem o s t o d o e l capítulo 8 a u n a descrípción d e t a l l a d a d e l o s e s 148

LA GRAN UNIFICACIÓN

f u e r z o s teóricos y e x p e r i m e n t a l e s q u e s e h a n d e d i c a d o a e l l o .

D e m o m e n t o , señalaremos q u e , a p e s a r d e q u e l a m a s a d e l a g r a n unificación está, p o r s u p u e s t o , f u e r a d e n u e s t r o a l c a n c e , p o d e m o s , sin embargo, p o n e r a prueba laidea d e l agran unificación e n n u e s t r o s l a b o r a t o r i o s aquí y a h o r a .

SUMARIO E s p o s i b l e a v a n z a r u n a e t a p a más e n e l p r o c e s o d e l a u n i ficación d e l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s . A m e d i a d o s d e l o s años s e t e n t a , s e desarrolló u n a teoría d e l a s i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s .

S e d e n o m i n a cromodinámica cuántica ( e l p r e f i j o cromo s e r e fiere a q u e l a interacción f u e r t e f u n d a m e n t a l d e p e n d e d e l a c a r g a d e c o l o r d e l o s q u a r k s y cuántica a l h e c h o d e q u e s e t r a t a d e partículas). E n e s t a teoría, l a ftaerza f u e r t e p r o c e d e d e l i n t e r c a m b i o e n t r e l o s q u a r k s d e partículas s i n m a s a l l a m a d a s gluones. A diferencia d e los fotones, que intervienen e nl ai n teracción e n t r e partículas c a r g a d a s eléctricamente p e r o e l l o s m i s m o s n o tienen c a r g a eléctrica, l o s g l u o n e s tienen c a r g a d e color. A causa d e ello, u n a s deducciones sencillas n o s l l e v a n a l a conclusión d e q u e l a f u e r z a e n t r e d o s q u a r k s s e h a c e c a d a v e z más i n t e n s a a m e d i d a q u e a u m e n t a l a separación e n t i r e ellos. P o r l otanto, u n q u a r k que trate d e a b a n d o n a r u n a partícula e l e m e n t a l encontrará q u e tiene q u e s u p e r a r u n a r e s i s tencia creciente. L a c o n s e c u e n c i a d e este h e c h o e s q u e l o s q u a r k s están " c o n f i n a d o s " d e n t r o d e l a s partículas y n o s e p u e d e n ver aislados. Esto explica l a imposibilidad d e verios e n e l laboratorio.

L a unificación d e l a s fijerzas elech-odébil y f u e r t e tiene l u g a r d e l s i g u i e n t e m o d o : a energías m u y a l t a s , c u a n d o l a s i m e tría s u b y a c e n t e d e l s i s t e m a s e m a n i f i e s t a e n l a n a t u r a l e z a , l a f u e r z a fuerte-electrodébil p r o c e d e d e l i n t e r c a m b i o d e v e i n t i c u a t r o partículas. E n e l c a s o p e r f e c t a m e n t e simétiico, t o d a s e s t a s partículas s o n d e m a s a n u l a . S i n e m b a r g o , l a r o t u r a e s pontánea d e l a simeh-ía p r o v o c a q u e d o c e d e e l l a s ( l l a m a d a s partículas X ) t e n g a n u n a m a s a d e u n o s 1 0 ' * G e V . E s t a m a s a 149

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

r e c i b e e l n o m b r e d e m a s a o energía d e l a g r a n unificación. A u n a s energías m u c h o m a y o r e s q u e ésta, p o d e m o s i g n o r a r l a m a s a d e l X y d e c i r q u e t o d a s l a s v e i n b c u a t r o partículas q u e s e intercambian tienen esencialmente m a s a nula. E n este caso, veríamos l a s f u e r z a s c o m o s i f u e r a n idénticas. A u n a s energías por debajo d e los 10'* G e V , observamos los efectos d e l a rot u r a espontánea d e l a simetría y p e r c i b i m o s l a f u e r z a f u e r t e c o m o a l g o d i f e r e n t e d e l a electi-odébil.

L a s r e s t a n t e s d o c e partículas s i n m a s a s o n l o s o c h o g l u o n e s , q u e i n t e r v i e n e n e n l a interacción e n t i - e l o s q u a r k s , l o s t r e s b o s o n e s v e c t o r i a l e s , q u e i n t e r v i e n e n e n l a interacción débil, y e l fotón, q u e i n t e r v i e n e e n l a interacción electromagnética.

D e c i m o s q u e l a s f u e r z a s están u n i f i c a d a s p o r q u e e n e s t e m o d e l o las tres f u e r z a s p r o c e d e n d e l i n t e r c a m b i o d e l a m i s m a fam i l i a d e partículas. E l p r o c e s o a ti-avés d e l c u a l s e s e p a r a n l a s f u e r z a s a l d i s m i n u i r l a energía d e l a s i n t e r a c c i o n e s e s análogo a u n a serie d e congelaciones, y se r e c o m i e n d a a l lector q u e l e a l a sección titulada «Congelaciones sucesivas» e n l a págin a 1 4 6para p o d e r c o m p r e n d e r esta i m a g e n .

L a s partículas X tienen l a p r o p i e d a d d e q u e c u a n d o s o n a b s o r b i d a s p o r u n q u a r k , l o t r a n s f o r m a n e n u n leptón y v i c e v e r s a . P o r l o t a n t o , m o t i v a n l a predicción más i m p o r t a n t e d e l a s teorías d e l a g r a n unificación: q u e l o s p r o t o n e s s o n i n e s t a b l e s . E l capítulo 8 tratará d e e s t e c o n c e p t o c o n d e t a l l e .

8.

r

La desintegración del protón También

siwen

quienes

y

esperan.

J O H N

MILTON

sólo permanecen

"Sobre s u ceguera" E l a s p e c t o más a s o m b r o s o d e l a teoría d e l a g r a n u n i f i c a ción ( G U T ) p u e d e q u e n o s e a s u b e l l e z a i n t e l e c t u a l y s u s i m plicidad, sino las predicciones q u e hace acerca d e l a estabilid a d a l a r g o p l a z o d e l a m a t e r i a . Y más s o r p r e n d e n t e aún q u e e s t a s p r e d i c c i o n e s teóricas, e s l a p o s i b i l i d a d d e p r o b a r , p o r m e d i o d e e x p e r i m e n t o s q u e s e están r e a l i z a n d o a h o r a m i s m o , si s o n ciertas o n o . E s t o s e x p e r i m e n t o s s o n i m p o r t a n t e s n o sólo p o r q u e n o s p r o p o r c i o n a n u n a m a n e r a d e p r o b a r e l c o n c e p t o g l o b a l d e l a g r a n unificación, s i n o p o r q u e s o n u n a f o r m a d e a p r e n d e r a l g o d e l d e s t i n o final d e l U n i v e r s o . P o r q u e l a v e r d a d e s q u e l a s teorías q u e h e m o s e s t a d o d i s c u t i e n d o h a c e n u n a predicción s i n n i n g u n a ambigüedad: t o d a l a m a t e r i a , i n cluso aquellas formas q u e n o s parecen permanentes, es e n e s e n c i a i n e s t a b l e y acabará p o r d e s i n t e g r a r s e .

LA ESTABILIDAD D E LA MATERIA P o r n u e s t i - o c o n o c i m i e n t o d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , s a b e m o s q u e sólo h a y u n a s p o c a s d e e l l a s q u e s e p u e d a n c a l i ficar d e estables. L a i n m e n s a mayoría d e partículas c o n o c i d a s s e d e s i n t e g r a n e n o t r a s partículas e n períodos d e tiempo l o bastante cortos para q u ep o d a m o s detectar y m e d i r e l proceso d e desintegración. D e s d e l o s isótopos d e v i d a l a r g a d e l u r a n i o h a s t a e l más e v a n e s c e n t e hadrón, l a r e g l a q u e p a r e c e r e g i r e s 151

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

q u e s i e s p o s i b l e q u e u n a partícula o u n núcleo s e d e s i n t e g r e ( e s d e c i r , q u e l a desintegración s e a c o n s i s t e n t e c o n o t r a s l e y e s de l a naturaleza), se desintegra.

H a y pocas leyes que p o n g a n restricciones a l a desintegración. L a s más i m p o r t a n t e s s o n l a conservación d e l a energía y l a conservación d e l a c a r g a eléctrica. L a p r i m e r a d e e l l a s d i c e s e n c i l l a m e n t e q u e l a energía d e l a m a s a y d e l m o v i m i e n t o d e l o s p r o d u c t o s d e desintegración t i e n e q u e s e r i g u a l a l a e n e r gía e n c e r r a d a e n l a m a s a d e l a partícula o r i g i n a l . A m o d o d e e j e m p l o , e s t o i m p l i c a q u e l o s p r o d u c t o s d e desintegración d e u n a partícula n o p u e d e n t e n e r u n a m a s a m a y o r q u e l a p r o p i a partícula. L a s e g u n d a l e y o p e r a d e f o r m a m u y p a r e c i d a : e s t a b l e c e q u e l a c a r g a eléctrica d e b e s e r l a m i s m a a n t e s y después d e u n a desintegración d a d a , y e x c l u y e , p o r e j e m p l o , l a d e s i n tegración d e u n a partícula c a r g a d a p o s i t i v a m e n t e e n u n c o n j u n t o d e partículas c u y a c a r g a eléctrica n e t a s e a c e r o .

E s t a s d o s c o n d i c i o n e s g a r a n t i z a n q u e e l electrón n o s e p u e d e d e s i n t e g r a r , y a q u e n o h a y n i n g u n a partícula o c o n j u n t o d e partículas q u e t e n g a a l a v e z u n a m a s a m e n o r q u e e l electrón y u n a c a r g a eléctrica n e g a t i v a . S i n e m b a r g o , n o i m p l i c a n q u e l o m i s m o d e b a s e r c i e r t o p a r a e l protón, p u e s t o q u e h a y m u c h a s c o m b i n a c i o n e s d e partículas c o n u n a m a s a m e n o r y c a r g a d a s p o s i t i v a m e n t e . S i sólo tuviéramos e s t a s d o s r e s t r i c c i o n e s , sería p o s i b l e e n teoría q u e o c u r r i e r a l a reacción: p ^ e ^

+ 71°

Q u e h a s t a e l m o m e n t o n i n g u n a teoría h a y a c o n s i d e r a d o n u n c a u n a reacción c o m o ésta n o e s p o r q u e s e a i m p o s i b l e lógicam e n t e , s i n o más b i e n p o r q u e l o s p r o t o n e s p a r e c e n s e r t a n e s t a b l e s c o m o e l electi-ón. E s t o h a l l e v a d o a l o s físicos a añadir l a l e y d e l a conservación d e l o s b a r i o n e s a l a s l e y e s d e c o n servación d e l a energía y d e l a c a r g a , p e r o e s t a l e y h a s i d o s i e m p r e c o m o a l g o añadido " a m a n o " . M i e n t r a s q u e e n l a n a t u r a l e z a h a y m u c h o s fenómenos q u e n o p u e d e n e x p l i c a r s e s i n l a conservación d e l a energía y d e l a c a r g a eléctrica, e l fenóm e n o más i m p o r t a n t e " e x p l i c a d o " p o r l a conservación e s t r i c t a 152

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

d e l o s b a r i o n e s e s l a e s t a b i l i d a d a p a r e n t e d e l protón. S i d e b e c o n s e r v a r s e e l número d e b a r i o n e s e n u n a interacción y e l protón e s e l barión más l i g e r o , s e d e d u c e d e e l l o q u e e l protón n o se p u e d e desintegrar.

U n a m e d i d a d e l a e s t a b i l i d a d d e l protón e s u n a c a n t i d a d l l a m a d a s u tiempo d e v i d a ^ q u e e s e l tiempo q u e t a r d a e n d e sintegrarse alrededor d e 2 / 3 d e u n a muestira dada d e p r o t o n e s . A p a r t i r d e l h e c h o d e q u e e l U n i v e r s o aún e x i s t e después d e u n o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años d e h a b e r s e p r o d u c i d o e l B i g B a n g , . s a b e m o s q u e e l tiempo d e v i d a d e l protón n o p u e d e s e r m u y i n f e r i o r a 10'° años. E s u n tiempo d e v i d a l a r g o , p e r o n o e x t r a o r d i n a r i a m e n t e l a r g o . E l u r a n i o 2 3 8 tiene u n a v i d a m e d i a d e u n o s 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años. P e r o t a l c o m o h a señalado Maurice Goldhaber, d elos B r o o k h a v e n National Laboratories, s a b e m o s " p o r n u e s t r o s p r o p i o s h u e s o s " q u e e l tiempo d e v i d a d e l protón tiene q u e s e r c o n s i d e r a b l e m e n t e más l a r g o q u e l a e d a d d e l U n i v e r s o . E l cálculo p a r a confírmario e s s e n c i l l o .

U n s e r h u m a n o p r o m e d i o tiene u n o s 10^^ p r o t o n e s e n s u c u e r p o . S i e l tiempo d e v i d a d e l protón f u e r a d e sólo 10'° años, n u e s t r o s p r o t o n e s s e estarían d e s i n t e g r a n d o a u n ritmo d e 3 0 . 0 0 0 millones p o r segundo. E n este caso, cada u n o d e n o s o t r o s sería u n a f u e n t e r a d i a c t i v a c o n u n a i n t e n s i d a d d e 1 c u r i e y produciría t a n t a radiación c o m o u n puñado d e m a t e r i a l d e l núcleo d e u n r e a c t o r n u c l e a r . S i g u i e n d o e n e s t a línea d e r a z o n a m i e n t o , si exigimos q u e e l c u e r p o sea m e n o s radiactivo q u e l o s t r a z a d o r e s médicos, p o d e m o s c o n c l u i r q u e e l tiempo d e v i d a d e l protón tiene q u e s e r c o m o mínimo d e 1 0 ' ^ años, u n millón d e v e c e s l a e d a d d e l U n i v e r s o . C o m o r e f e r e n c i a , s i e l tiempo d e v i d a d e l protón f u e r a r e a l m e n t e d e 1 0 ' ^ años y u n a p e r s o n a e s t u v i e r a v i v a d e s d e e l B i g B a n g , habría p e r d i d o más o m e n o s u n a s t r e s centésimas d e g r a m o d e p e s o c o r p o r a l a c a u s a d e l a desintegración d e l o s p r o t o n e s d e s u c u e r p o .

E s t e tipo d e a r g u m e n t o s s e n c i l l o s r e v e l a p o r qué e l protón se c o n s i d e r a e s t a b l e p o r r e g l a g e n e r a l ; e n r e a l i d a d , s a b e m o s q u e d e b e t e n e r u n a v i d a m u y l a r g a . También r e v e l a q u e l o s métodos n o r m a l e s d e i n v e s t i g a r l a desintegración d e partículas, m u c h o s d e los c u a l e s s u p o n e n e l s e g u i m i e n t o d e u n a par153

EL M O M E N T O D E LA C R E A C I Ó N

tícula i n d i v i d u a l h a s t a q u e s e d e s i n t e g r a , n o f u n c i o n a n e n e l c a s o d e l protón. Tendríamos q u e e s p e r a r d e m a s i a d o t i e m p o .

L a alternativa es observar una gran cantidad d eprotones con la esperanza d e pillar a u n o d e ellos e n e l p r o c e s o d e desin tegración. P o r e j e m p l o , s i u n protón t a r d a 1 0 ' * años e n d e sintegrarse ( c o m o p r o m e d i o ) , e n u n c o n j u n t o d e 10'^ p r o t o n e s , s e desintegrará u n o c a d a año ( c o m o p r o m e d i o ) .

E s t e tipo d e a r g u m e n t o s o b r e e l tiempo d e v i d a d e l protón también i l u s t r a o t r o p u n t o i m p o r t a n t e . E n c u a l q u i e r d e t e r m i n a ción d e e s t a c a n t i d a d , tiene q u e h a b e r algún método p a r a d e t e c t a r l o s p r o d u c t o s d e l a desintegración. H a s t a a h o r a , h e m o s u s a d o e n n u e s h - a discusión e l p r o p i o c u e r p o h u m a n o c o m o " d e t e c t o r " y h e m o s señalado q u e , s i e l n i v e l d e radiación f u e r a t a n a l t o c o m o e l q u e correspondería a u n tiempo d e v i d a d e l protón d e 1 0 ' * años, tendríamos q u e e s t a r t o d o s m u e r t o s d e cáncer i n d u c i d o p o r l a radiación. E l h e c h o d e q u e e l l e c t o r esté l e y e n d o e s t e l i b r o e s u n a e v i d e n c i a d e q u e s u d e t e c t o r n o h a a b s o r b i d o radiación a e s e n i v e l .

P o r s u p u e s t o , h a y d e t e c t o r e s d e radiación m u c h o más s e n sibles q u e e l c u e r p o . S i f u e r a posible colocar i n s t r u m e n t o se n e l c u e r p o p a r a q u e d i e r a n u n a l e c t u r a instantánea d e l a r a d i a c t i v i d a d , podríamos t e n e r u n límite m u c h o más p r e c i s o ( y más a l t o ) d e l tiempo d e v i d a d e l protón. A u n q u e n o l o p o d e m o s hacer e n e l cuerpo, sin duda podemos hacerlo e n u n objeto i n a n i m a d o c o m o u n l i t r o d e a g u a . D a d o q u e l a lógica d e e s t o e s típica d e t o d o s l o s e x p e r i m e n t o s d e desintegración d e l p r o tón, p r o c e d e r e m o s c o n c i e r t o d e t a l l e .

U n protón, o u n neutrón, tiene u n a m a s a d e 1 , 6 7 x X 1 0 " " ^ ' k g . U n l i t r o d e a g u a tiene u n a m a s a d e 1 k g y , p u e s t o q u e l a m a s a d e c u a l q u i e r o b j e t o m a t e r i a l está c o n s t i t u i d a c a s i p o r c o m p l e t o p o rl a m a s a d e l o sp r o t o n e s y n e u t r o n e s q u e c o n t i e n e , l l e g a m o s a l a conclusión q u e d e b e h a b e r 1 / ( 1 , 6 7 x X 10"^') = 6 X 10^* p r o t o n e s y n e u t r o n e s e nu n l i t r o d e a g u a * . * Sería sin duda una buena idea aclarar una posible fuente de dificultades en este punto Hemos hablado de forma amplia de "la desintegración del protón", pero, tal como veremos en seguida, tanto los protones como los neutrones reunidos en núcleos pueden sufrir el pro ceso de desintegración que predice la GUT. Este hecho puede evitar confusiones con factores 2 en el cálculo anterior y en otros posteriores.

154

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

S i e l t i e m p o d e v i d a d e l protón f u e r a d e 1 0 ' ^ años, deberíam o s esperar que los protones del agua se desintegraran a u n r i t m o d e 6 X 10'° d e s i n t e g r a c i o n e s p o r año, e s d e c i r , u n a s 2.000 por segundo. Si p o n e m o s unos cuantos contadores Geig e r e n e l a g u a , tendrían q u e e m p e z a r a p r o d u c i r c h a s q u i d o s rápidamente, i n d i c a n d o u n a l t o n i v e l d e r a d i a c t i v i d a d d e l a m u e s f r a . E n realidad, u n c o n t a d o r G e i g e r situado d e n t r o o cerca d e u n litro d e a g u a n oregisfra u n alto nivel d e actividad y sólo p r o d u c e a l r e d e d o r d e u n c h a s q u i d o p o r s e g u n d o .

I n c l u s o e s t e n i v e l d e a c t i v i d a d s e d e b e a l o s r a y o s cósmicos, p e r o v a m o s a i g n o r a r esto e n aras d e l r a z o n a m i e n t o . S u p o n g a m o s q u e p r o s e g u i m o s y - d a m o s p o r sentado q u e estam o s m i d i e n d o u n a desintegración d e u n protón p o r s e g u n d o e n n u e s t r a m u e s t r a . ¿Qué v a l o r d e l tiempo d e v i d a d e l protón n o s daría e s o ? U n a desintegración p o r s e g u n d o c o r r e s p o n d e a u n a s 3 x 1 0 ^ d e s i n t e g r a c i o n e s p o r año. E n u n a m u e s t r a d e 6 X 1 0 ^ * partículas, e s t o c o r r e s p o n d e a u n tiempo d e v i d a d e 6 X 1 0 ^ 7 3 X 1 0 ' = 2 X l O ' " * años. E s t o e s y a u n f a c t o r 5 0 0 m a y o r q u e e l límite o b t e n i d o a l u s a r e l c u e r p o h u m a n o c o m o detector.

P e r o n i s i q u i e r a e s t e límite e s l o b a s t a n t e p r e c i s o , y a q u e , c o m o i n s i n u a m o s , casi t o d a s las c u e n t a s q u e a t r i b u i m o s a l a desintegración d e p r o t o n e s s e debían, e n r e a l i d a d , a l a i n f l u e n c i a d e l o s r a y o s cósmicos. E n l a práctica, descubriríamos e s t e h e c h o c o n sólo o b s e r v a r q u e n u e s t r o c o n t a d o r G e i g e r seguía marcando una cuenta por segundo aproximadamente tanto si e s t a b a e n l a m u e s t r a d e a g u a c o m o s i n o . E s t o n o s llevaría a sospechar q u e los chasquidos n o e ra n e n realidad e l registro d e d e s i n t e g r a c i o n e s y podríamos v e r i f i c a r e s t a hipótesis c o n sólo s i t u a r e l c o n t a d o r b a j o u n a p i l a d e l a d r i l l o s d e p l o m o , p a r a p r o t e g e r i o d e l o s r a y o s cósmicos. E l número d e c u e n t a s disminuiría r a d i c a l m e n t e , t a n t o c o n e l c o n t a d o r d e n t r o d e l a g u a c o m o f u e r a d e e l l a . L l e g a m o s así a l a conclusión d e q u e , si q u e r e m o s r e a l i z a r u n i n t e n t o s e r i o p a r a d e t e c t a r l a r a d i a c t i v i d a d a s o c i a d a c o n l a desintegración d e l protón, e s m e j o r q u e e n c o n t r e m o s a l g u n a m a n e r a d e a l e j a r l o s r a y o s cósmicos d e l área e x p e r i m e n t a l . E l único m o d o d e h a c e r l o e s d i s p o n e r 155

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

p o r e n c i m a d e l a p a r a t o la c a n t i d a d suficiente d e m a t e r i a p a r a q u e ésta a b s o r b a l o s r a y o s cósmicos ( y l a s partículas p r o d u c i d a s e n sus colisiones) y l o sm a n t e n g a alejados d e l o s i n s t r u m e n t o s .

D a d o e l p o d e r d e penetración d e l o s r a y o s cósmicos, l a única f o r m a práctica d e o b t e n e r u n a protección a d e c u a d a e s s i t u a r todo el experimento dentro d e una mina.

D e h e c h o , e l m e j o r límite e n e l tíempo d e v i d a d e l protón a n t e s d e l a c t u a l interés s o b r e e l t e m a s e o b t u v o c o m o r e s u l t a d o s e c u n d a r i o d e u n e x p e r i m e n t o diseñado p a r a r e g i s t r a r i n t e r a c c i o n e s e n t r e r a y o s cósmicos y n e u t r i n o s a g r a n p r o f u n d i d a d bajo e l suelo. Este e x p e r i m e n t o l o realizaron grupos d e l a Case Western Reserve University, d elaUniversity of Califomia en Irvine y d ela University of Witwatersrand, y e lconjunto d e i n s t m m e n t o s consistía e n 2 0 t o n e l a d a s d e m a t e r i a l i n s t a l a d o e n u n a m i n a d e o r o a más d e 3 kilómetros d e p r o f u n d i d a d e n Sudáfrica. Después d e a n a l i z a r s u s r e s u l t a d o s d e u n m o d o s i m i l a r e n e s e n c i a ( p e r o m u c h o más c o m p l i c a d o ) a n u e s t r o análisis d e l i t r o d e a g u a , l o s e x p e r i m e n t a d o r e s l l e g a r o n a l a c o n clusión d e q u e e l üempo d e v i d a d e l protón tenía q u e s e r m a y o r q u e 1 0 * años. D i g o " m a y o r q u e " p o r q u e n o o b s e r v a r o n ningún h e c h o q u e p u d i e r a a s i g n a r s e a l a desintegración d e u n protón, y l a s e n s i b i l i d a d d e s u s i n s t r u m e n t o s e r a t a l q u e h u b i e r a n o b s e r v a d o e s t o s h e c h o s s i l a v i d a d e l protón f u e r a m e n o r q u e 1 0 ^ " años.

E s t e t i e m p o e s t a n l a r g o q u e r e s u l t a prácticamente i n i m a g i n a b l e . R e c o r d e m o s q u e l a e d a d d e l U n i v e r s o e s d e "sólo" u n o s 10'° años. S i u n a p e r s o n a h u b i e r a e s t a d o v i v a d e s d e e l B i g B a n g , sólo s e habrían d e s i n t e g r a d o h a s t a a h o r a 1 0 0 m i l l o nes d e p r o t o n e s d e s ucuerpo, u n a masa m u c h o m e n o r q u e l a d e u n a célula y a p r o x i m a d a m e n t e i g u a l a l a s d e u n o s c u a n t o s v i r u s o a u n c e n t e n a r d e moléculas d e proteínas c o r r i e n t e s . E n términos d e diseño e x p e r i m e n t a l , u n b e m p o d e v i d a t a n l a r g o s i g n i f i c a q u e s i q u e r e m o s o b s e r v a r u n a desintegración d e p r o tón p o r año t e n e m o s q u e a n a l i z a r y v i g i l a r u n a m u e s t r a d e 1 0 ^ " p r o t o n e s . E s t o e s más o m e n o s 1 , 6 7 x 1 0 ^ = 1 , 6 7 t o n e l a d a s d e m a s a , e l e q u i v a l e n t e d e u n a pequeña p i s c i n a l l e n a d e a g u a . S i q u e r e m o s m e j o r a r e s t a medición, t e n e m o s q u e o b s e r 156

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

v a r u n número d e p r o t o n e s y , p o r l o t a n t o , d e m a t e r i a p r o p o r cionalmente mayor. Ésta e r a l a situación e x p e r i m e n t a l e n 1 9 7 4 , c u a n d o S t e v e n Weinberg, H o w a r d Georgi y H e l e n Q u i n n (que estaban entonces e n l a H a r v a r d U n i v e r s i t y ) p r o p u s i e r o n e l e s q u e m a d e l a g r a n unificación e h i c i e r o n l a p r i m e r a predicción c u a n t i t a t i v a d e l tiempo d e v i d a d e l protón. S u predicción e r a q u e e l protón tenía q u e d e s i n t e g r a r s e c o n u n tíempo d e v i d a d e 10^^ años.

U n r e f i n a m i e n t o p o s t e r i o r r e d u j o e s t e número a u n o s 1 0 ^ ' años. S i n e m b a r g o , e l número e x a c t o n o e s t a n i m p o r t a n t e c o m o l a s o r p r e n d e n t e c o i n c i d e n c i a q u e s u p o n e n e s t o s cálcul o s . J u s t o c u a n d o l o s teóricos e l a b o r a b a n u n a teoría c a p a z d e p r e d e c i r e l ritino d e desintegración d e l protón, l o s e x p e r i m e n t a d o r e s t e r m i n a b a n u n tirabajo q u e m o s f r a b a q u e l o s límites h a l l a d o s p a r a e s t e p r o c e s o e r a n sólo l i g e r a m e n t e más b a j o s q u e l a predicción.

E s t o s i g n i f i c a q u e l o s e x p e r i m e n t a d o r e s sabían q u e s i p o dían diseñar u n a p a r a t o q u e fiiera s e n s i b l e a l a desintegración d e l protón a u n n i v e l d e 1 0 ^ ' ó 10^^ años, podían a s e g u r a r l a obtención d e u n r e s u l t a d o i n t e r e s a n t e . O b i e n serían c a p a c e s d e m e d i r u n n u e v o p r o c e s o f u n d a m e n t a l o b i e n demostrarían q u e l o s cálculos teórícos e r a n erróneos. ( C o m o físico teóríco q u e s o y , n u n c a h e l l e g a d o a s a b e r cuál d e e s t a s d o s p e r s p e c t i v a s e s más a t i - a c t i v a p a r a m i s c o l e g a s experímentadores, a u n q u e d e h e c h o p o c o i m p o r t a . ) L a combinación d e l desafío t e c nológico y l a s p r e d i c c i o n e s teórícas resultó s e r i r r e s i s t i b l e y s e p r o d u j o l a c a r r e r a p a r a d e t e c t a r l a desintegración d e l protón.

Antes d e considerar algunos d e los esquemas ingeniosos que s e h a n p r o p u e s t o p a r a l l e v a r a c a b o e s t a t a r e a , convendría h a c e r u n a pequeña disgresión y discutír e x a c t a m e n t e d e qué m a n e r a l a G U T p r e d i c e l a desintegración d e l protón.

M A R C O TEÓRICO E l m o d e l o d e l protón e n l a G U T e s , e n r e a l i d a d , m u y s e n c i l l o . H a y t r e s q u a r k s l i g a d o s p o r u n a interacción e n l a q u e i n 157

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

Fig.

31

t e r v i e n e e l i n t e r c a m b i o d e g l u o n e s . E n términos d e l típo d e d i a g r a m a s q u e h e m o s utílizado p a r a discutír l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s , e l protón tendría e l a s p e c t o d e l a f i g u r a 3 1 . D o s quarks u y u n quark d se m u e v e n juntos e intercambian u n gluón d e v e z e n c u a n d o . M i e n t r a s e l protón s e a e s t a b l e , e s t o es t o d o l o q u e h a y .

E n e l capítulo 7 v i m o s , s i n e m b a r g o , q u e h a y o f r o s t i p o s d e partículas q u e p u e d e n i n t e r c a m b i a r s e e n f r e l o s q u a r k s . E l bosón X e s u n a d e e l l a s . A p a r t i r d e l a s p r o p i e d a d e s d e l X , s a b e m o s que u n proceso c o m o e l que se representa e nl a figur a 3 2 e s teóricamente p o s i b l e : u n o d e l o s q u a r k s u e m i t e u n X d e carga 4 / 3y , e n e l proceso, se convierte e n u nquark anti u ( c a r g a - 2 / 3 ) . E s t e p r o c e s o , p o r s u p u e s t o , v i o l a l a conservación

LL"

d-

158

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

d e l o s b a r i o n e s , p e r o e s c o m p a t i b l e c o n l a conservación d e l a c a r g a eléctrica y l a energía. E l q u a r k a n t i u s e c o m b i n a c o n e l o b - o q u a r k u p a r a f o r m a r u n mesón n e u t i - o c o r r i e n t e , m i e n t i r a s q u e e l X i n t e r a c c i o n a c o n e l q u a r k d y p r o d u c e u n positrón.

D e n u e v o s e v i o l a l a conservación d e l o s b a r i o n e s e n e s t a i n teracción, p e r o n a d a más. E l r e s u l t a d o n e t o d e e s t a interacción e s q u e e l protón o r i g i n a l s e c o n v i e r t e e n u n mesón n e u t i - o ( c o m o e l jc°) y u n posifrón.

O t r a a l t e r n a t i v a e s l a d e l a figura 3 3 , q u e correspondería a l a desintegración d e l protón e n u n mesón n c a r g a d o p o s i t i v a m e n t e y u n a n t i n e u t i i n o . E n este caso se intercambia el X c o n carga -1-1/3.

L a razón p o r l a c u a l e l protón sería c a s i e s t a b l e q u e d a c l a r a a partir d e estos diagramas. C u a l q u i e r proceso q u e lleve a l a desintegración d e u n protón s u p o n e n e c e s a r i a m e n t e e l i n t e r c a m b i o d e u n a partícula X , y l a partícula X tiene u n a m a s a c a racterística d e l a g r a n unificación, 1 0 ' * G e V . I g u a l q u e l a d e b i l i d a d d e l a interacción débil s e a f r i b u y e d i r e c t a m e n t e a l a g r a n m a s a d e l o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s , también l a e x t i r e m a l e n titud d e l a desintegración d e l protón e s a t r i b u i b l e a l a g r a n m a s a d e l a partícula X .

159

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

E s t o s d i a g r a m a s ( y o t r o s p a r e c i d o s ) s u g i e r e n también c ó m o aparecería u n a desintegración d e u n protón e n e l l a b o r a t o r i o (véase l a f i g . 3 4 ) . U n protón e n u n a m u e s t r a a i s l a d a s e d e s i n tegrará y producirá, p o r e j e m p l o , u n n° y u n positrón. L o s d e t e c t o r e s u s u a l e s detectarán a e s t e último, m i e n t r a s q u e e l p r i m e r o recorrerá u n a c o r t a d i s t a n c i a a n t e s d e d e s i n t e g r a r s e e n d o s f o t o n e s , q u e también p u e d e n s e r d e t e c t a d o s c o n i n s t r u m e n t o s a d e c u a d o s . P o r l o t a n t o , e n e s t e c a s o , reconoceríamos l a desintegración d e l protón a l o b s e r v a r u n g r u p o d e partículas c o n u n a carga neta -I-1 que aparecen e nnuesb-o apartado sin que nada h a y a enb-ado desde e l exterior.

E s t e úUimo p u n t o e s m u y i m p o r t a n t e . S i u n a partícula s i n c a r g a ( u n n e u t r i n o , p . e j . , o u n neutrón p r o d u c i d o p o r u n a colisión d e u n r a y o cósmico c e r c a d e l e x p e r i m e n t o ) e n t r a r a e n e l a p a r a t o , podríamos t e n e r u n a situación c o m o l a d e l a f i g u r a 3 5 . E l n e u t r i n o e n t r a n t e , a l n o t e n e r c a r g a , n o sería o b s e r v a d o , a u n q u e h e m o s i n d i c a d o s u p r e s e n c i a m e d i a n t e u n a lín e a d e t r a z o s . C u a n d o e l n e u t r i n o c h o c a c o n u n protón, p r o d u c e u n positrón y u n a r e s o n a n c i a , q u e s e d e s i n t e g r a rápidam e n t e e n u n Jt° y u n neutrón. P a r t e d e l t i e m p o e l neutrón s e moverá c o n l e n t i t u d , p o r l o q u e , a m e n o s q u e s e t e n g a c u i d a 160

LA D E S I N T E G R A C I Ó N DEL PROTÓN

n F i g . 35

d o e n e l diseño d e l a p a r a t o , pasará d e s a p e r c i b i d o . S i s u c e d e así, e l e x p e r i m e n t a d o r observará e x a c t a m e n t e l o m i s m o q u e e n u n a desintegración g e n u i n a d e u n protón. E s t o i l u s t r a l a complejidad del problema.

REVISIÓN D E L O S E X P E R I M E N T O S E n l atabla siguiente, indicamos lacantidad d emateria que s e d e b e c o n f r o l a r p a r a o b s e r v a r u n a desintegración d e u n p r o tón p o r año. E n c a d a c a s o , d a m o s también l a l o n g i t u d d e l l a d o d e l c u b o d e a g u a q u e s e necesitaría p a r a c o n t e n e r t o d o s l o s protones. L a tabla muestra q u e e n seguida p o d e m o s v e m o s implicados e n cantidades prodigiosas d e materia e n e l juego d e l a desintegración d e l protón. P o r e j e m p l o , l a c a n t i d a d d e a g u a n e c e s a r i a p a r a o b s e r v a r u n a desintegración p o r año p a r a u n t i e m p o d e v i d a d e 10^^ años e s e q u i v a l e n t e a l v o l u m e n d e u n a c a s a pequeña. L o s números d e l a t a b l a n o s d a n u n a i d e a c a b a l d e l a e s c a l a d e l o s e x p e r i m e n t o s q u e s e están d e s a r r o llando e n la actualidad.

H a y d o s e s g u e m a s generales para detectar la desintegración d e l protón, q u e s e d i f e r e n c i a n p o r e l t i p o d e m a t e r i a l e s c o g i d o . U n a c l a s e , l o s l l a m a d o s d e t e c t o r e s d e n s o s , u s a n algún m a t e r i a l p e s a d o , c o m o h i e r r o u hormigón, c o m o f u e n t e d e p r o t o n e s . E s t e p r o c e d i m i e n t o tiene l a v e n t a j a d e s e r más c o m 161 11

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

pacto; u n detector d e3 0 toneladas puede caber e nuna habitación pequeña. Además, e s más fácil c o n s e g u i r q u e l o s p r o d u c t o s d e desintegración s e d e t e n g a n d e n f r o d e l v o l u m e n d e l d e t e c t o r , u n a p r o p i e d a d técnica i m p o r t a n t e . P o r o f r a p a r t e , l a densidad del material obliga a que los instrumentos para det e c t a r l o s p r o d u c t o s d e desintegración t e n g a n q u e s i t u a r s e c o n m u y p o c a separación e n t r e sí p o r t o d o e l a p a r a t o . L o s d e t e c tores d e agua requieren u n v o l u m e n m a y o r para contener e l m i s m o número d e p r o t o n e s . S i n e m b a r g o , e l a g u a m u y p u r a es n o t a b l e m e n t e fransparente.

P o r consiguiente, este tipo d e d e t e c t o r e s p u e d e n u t i l i z a r u n fenómeno l l a m a d o radiación C e r e n k o v p a r a d e t e c t a r partículas a g r a n d i s t a n c i a y n o r e q u i e r e n l a d e n s i d a d d e i n s t r u m e n t o s característica d e l o s d e t e c t o r e s densos.

Tiempo de vida supuesto (años)

10"

Masa del material (toneladas)

Lado del cubo de agua (metros)

1,67 16,7 167,0

1,19 2.56 5,51

C u a n d o u n a partícula c a r g a d a s e m u e v e a fravés d e u n m e d i o a u n a velocidad superior a l a d e l a luz e n e l m e d i o ( p e r o n o l a v e l o c i d a d d e l a l u z e n e l vacío), p r o d u c e u n a e m i sión d e l u z q u e a d o p t a l a f o r m a d e u n c o n o , t a l c o m o s e m u e s f r a e n l a figura 3 6 . E s t a emisión e s análoga a l a explosión

Partícula

Fig. 3 6

162

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

sónica e m i t i d a p o r u n avión q u e s e d e s p l a z a a m a y o r v e l o c i d a d q u e l a d e l s o n i d o . L a luz e m i t i d a d e esta f o r m a s e l l a m a radiación C e r e n k o v , e n h o n o r a l físico r u s o P a v e l C e r e n k o v , que fue galardonado con e l p r e m i o N o b e l por s u descubrim i e n t o e n 1 9 5 8 (de h e c h o , e ld e s c u b r i m i e n t o f u e realizado e n l o s años 3 0 ) . S i l a desintegración d e u n protón e n u n t a n q u e d e a g u a p r o d u c e l a emisión d e partículas rápidas, e n t o n c e s c a d a u n a d e e s t a s partículas emitirá r a d i a c i o n e s C e r e n k o v . S i e l a g u a e s s u f i c i e n t e m e n t e p u r a , l o s d e t e c t o r e s podrán r e g i s t r a r e s t a radiación a g r a n d i s t a n c i a . P o r l o t a n t o , l a v e n t a j a d e l detector d e agua e s q u e n ose requiere q u e los i n s t r u m e n t o s p a r a r e g i s t r a r l a s d e s i n t e g r a c i o n e s estén apiñados d e n s a m e n t e e n e l agua, s i n o q u e p u e d e n estar dispersos. E n algunas versiones del e x p e r i m e n t o , los detectores p u e d e n disponerse a l o largo d e las p a r e d e s d e l t a n q u e d e a g u a y dejar la m a s a central l i b r e d e obstáculos.

E n l a s figuras 3 7 y 3 8 s e m u e s t r a n u n o s e s b o z o s m u y s i m plificados del aspecto d e estos dos grandes tipos d e detectores e n operación. L a f i g u r a 3 7 c o r r e s p o n d e a u n d e t e c t o r d e n s o .

Está c o n s t i t u i d o p o r p l a c a s d e hormigón q u e c o n t i e n e n d e t e c t o r e s d e partículas. E s t o s d e t e c t o r e s s o n l a r g o s t u b o s d e g a s , de aspecto parecido a tubos fluorescentes.

C u a n d o u n a partí163

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c u l a p a s a a través d e l t u b o , s e g e n e r a u n a señal eléctrica. L o s t u b o s están d i s p u e s t o s d e m a n e r a q u e c a d a c a p a f o r m a u n áng u l o r e c t o c o n l a s i t u a d a e n c i m a . U n a partícula q u e s e m u e v a a b-avés d e l a s c a p a s excitará l o s t u b o s s u c e s i v a m e n t e , c o n l o c u a l dejará a s u p a s o u n r e g i s t r o d e s u m o v i m i e n t o . L a a l t e r n a n c i a d e l a s d i r e c c i o n e s d e l o s t u b o s p e r m i t e s e g u i r s u tcayectoria. P o r ejemplo, si se disparara e n primer lugar e l tubo m a r c a d o 1 , s e g u i d o d e l t u b o m a r c a d o 2 , sabríamos q u e l a p a r tícula había e s t a d o e n e l área d e f i n i d a p o r l a intersección de ambos tubos; e l punto marcado A .

El detector d e agua opera d e una manera algo diferente, c o m o s e m u e s t r a e n l a f i g u r a 3 8 . E n e s t e c a s o , u n a partícula e n m o v i m i e n t o a través d e l a p a r a t o e m i t e u n c o n o d e l u z q u e e s d e t e c t a d o p o r v a r i o s f o t o t u b o s . A p a r t i r d e l a posición d e e s t o s f o t o t u b o s y d e l ángulo c o n q u e l a l u z i n c i d e e n e l l o s , s e p u e d e d e d u c i r l a posición d e l a partícula.

A p r i m e r a v i s t a , p a r e c e fácil p o n e r e n m a r c h a u n e x p e r i m e n t o d e desintegración d e l protón, p o r l o m e n o s e n p r i n c i p i o . S ó l o h a y q u e e n c o n t r a r u n l u g a r subterráneo a d e c u a d o , r e u n i r l a c a n t i d a d a p r o p i a d a d e p r o t o n e s , i n s h - u m e n t a r e l sist e m a y esperar que suceda algo. S i n embargo, c o m o era d e e s p e r a r , l a r e a l i d a d d e l a situación e s muchísimo más c o m p l i c a d a q u e l a teoría. Y a h e m o s v i s t o q u e l a p o s i b i l i d a d d e q u e partículas s i n c a r g a p u e d a n e n t r a r e n e l d e t e c t o r i n t r o d u c e e l p r o b l e m a , b a s t a n t e difícil, d e s e p a r a r s u c e s o s q u e s e p a r e c e n a desintegraciones d e protones p e r o que n ol oson. Este p r o b l e m a es especialmente a g u d o cerca d e los bordes del detect o r , p u e s t o q u e t a n t o l a s c o l i s i o n e s d e r a y o s cósmicos c o m o Jas desintegraciones radiactivas n o r m a l e s del material cercano p u e d e n g e n e r a r partículas c a p a c e s d e p r o d u c i r señales s i m i l a r e s a l a s q u e s e d e t e c t a n e n l a desintegración d e u n protón.

Esto significa q u e cualquier suceso cerca d e los bordes d e l a m a s a q u e s e está c o n t r o l a n d o t i e n e q u e s e r d e s c a r t a d o , y sólo se c o n s i d e r a n fiables a q u e l l o s sucesos e n los q u e los rastros d e l a s partículas están p o r c o m p l e t o d e n t r o d e l a m a s a c e n t r a l ( e l l l a m a d o v o l u m e n fiducial) del detector.

E n e lcaso d e los detectores d e agua, esto significa q u e de164

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

b e n descartarse l o s s u c e s o s a m e n o s d e u n o s 1 , 8 m d e las p a r e d e s d e l t a n q u e d e a g u a . Según n u e s t r a t a b l a , v e m o s q u e e l v o l u m e n m a y o r d e agua q u eaparece e n ella, u n c u b o d e 5 , 5 m d e l a d o , tendría u n v o l u m e n f i d u c i a l e q u i v a l e n t e a u n c u b o d e sólo 1 , 8 m d e l a d o , o d e sólo 4 x 10^° p r o t o n e s . P o r lo tanto, e l"efecto d eborde" obliga a que, e nu n e x p e r i m e n t o real, e l v o l u m e n d e materia s e am u c h o m a y o r que los q u e se indican e n la tabla. P o r ejemplo, e l m a y o r detector d e agua q u e existe contiene unas 1 0 . 0 0 0 toneladas d e agua, que c o rresponde a u n tanque tan grande c o m o u n edificio d e cinco p l a n t a s . E s t o s u p o n e más d e 10^^ p r o t o n e s e n e l v o l u m e n fid u c i a l , s u f i c i e n t e s p a r a p r o d u c i r 1 0 0 d e s i n t e g r a c i o n e s p o r año ( u n a s 2 p o r s e m a n a ) s i e l tíempo d e v i d a e s d e 1 0 ^ ' años.

E n e lcaso d elos detectores densos, es posible u n planteam i e n t o altemativo a lp r o b l e m a del borde. E l detector, a causa d e s u tamaño r e l a t i v a m e n t e pequeño, p u e d e r o d e a r s e d e c o n t a d o r e s q u e r e g i s t r e n e l p a s o d e partículas d e s c a r r i a d a s . D e esta m a n e r a , p u e d e n identificarse l o s sucesos creados p o r e s t a s partículas y r e c h a z a r s e ( o vetarse, s i u t i l i z a m o s l a j e r g a d e l o s físicos e x p e r i m e n t a l e s ) .

E s t e e f e c t o d e b o r d e e x p l i c a p o r qué, l a p r i m e r a v e z q u e s e pretendió h a b e r d e t e c t a d o l a desintegración d e u n protón, e l h e c h o f u e a c o g i d o p o r l a c o m u n i d a d científica c o n m u c h o escepticismo o incluso simplemente con incredulidad. El experimento e r a u n a colaboración e n b - e físicos i n d i o s y j a p o n e s e s , que utilizaban u n detector denso f o r m a d o por 150 toneladas d e h i e r r o s i t u a d a s a 3 . 6 0 0 m b a j o tierra e n e l K o l a r G o l d F i e l d , e n l a I n d i a . E s t o s científicos o b s e r v a r o n a l g u n o s s u c e s o s d e l tipo d e l a figura 3 9 : d o s o más r a s t r o s q u e e m a n a n d e u n p u n t o , c o n u n o d e l o s r a s t r o s , c o m o mínimo, q u e t o c a b a e l b o r d e del detector. H a y d o s interpretaciones posibles d e este tipo d e s u c e s o : u n a e s q u e s e p r o d u j o u n a desintegración g e n u i n a d e u n protón e n e l p u n t o A ; l a o t r a e s q u e u n a partícula entró e n e l a p a r a t o d e s d e l a i z q u i e r d a , colisionó c o n u n núcleo e n e l p u n t o A y experimentó u n a desviación o b i e n p r o d u j o , e n e l p r o c e s o , o t r a partícula c a r g a d a . S i h u b i e r a h a b i d o u n c o n t a d o r a l l a d o , habría s i d o p o s i b l e d e s c a r t a r u n a d e l a s d o s a l t e m a t i 165

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Trazas

v a s y habría h e c h o f a c t i b l e u n a interpretación s i n ambigüed a d e s d e l s u c e s o . D e m o m e n t o , l o s s u c e s o s d e e s t e tipo n o p r o p o r c i o n a n u n a e v i d e n c i a sólida d e l a desintegración d e l protón.

En el fondo de la mina L a n e c e s i d a d d e p r o t e g e r d e l o s r a y o s cósmicos c u a l q u i e r e x p e r i m e n t o d e desintegración d e l protón s i g n i f i c a q u e éste d e b e l l e v a r s e a c a b o e n u n a m i n a o e n u n túnel p r o f u n d o , e n algún l u g a r b a j o u n o s c i e n t o s d e m e h - o s d e r o c a , p e r o l o b a s tante accesible para que se p u e d a instalar e l e q u i p o y m a n t e n e r s e e n f u n c i o n a m i e n t o d u r a n t e u n período d e v a r i o s años.

Decir a u n experimentador que "encuentre una mina" es una reminiscencia d e u n a vieja receta d e K e n t u c k y para e l estofad o d e o s o , q u e e m p i e z a así: «Primero, c o n s i g a u n oso.» E s más fácil d e c i r i o q u e h a c e r i o . E n E u r o p a h a y a l g u n o s túneles e n l o s A l p e s ( e s p e c i a l m e n t e l o s q u e están b a j o e l M o n t B l a n c ) que se encuentran bajo u n a cantidad d e roca suficiente para q u e d a r a l a b r i g o d e l o s r a y o s cósmicos, y l o s físicos e u r o p e o s tienen la suerte d e p o d e r instalarse e n las viejas c a v e m a s q u e f u e r o n a b i e r t a s c o m o depósitos d e e q u i p o e n e s t o s túneles.

S i n e m b a r g o , e n Norteamérica n o t e n e m o s t a n t a s u e r t e . C u a n d o surgió e l interés p o r l o s e x p e r i m e n t o s d e desintegración d e l 166

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

protón, a f i n a l e s d e l o s años 7 0 , s e desencadenó u n a f u r i o s a l u c h a a escala n a c i o n a l p a r a e n c o n t r a r sitios d o n d e trabajar, p r o c e s o q u e i m p l i c a b a n e c e s a r i a m e n t e l a búsqueda d e e s p a cio e n u n a m i n a profunda.

E n América, h a y u n a i n d u s t r i a m i n e r a floreciente, por sup u e s t o , p e r o g r a n p a r t e d e e l l a está d e d i c a d a a m i n e r a l e s superficiales, q u e p u e d e n explotarse m e d i a n t e pozos superficiales o zanjas. E se v i d e n t e q u e estas m i n a s a cielo a b i e r t o n o s o n a d e c u a d a s p a r a e l e x p e r i m e n t o d e desintegración d e l protón.

L a s m i n a s d e carbón, a u n q u e s o n m u y c o m u n e s , p r e s e n t a n u n problema diferente debido alpeligro siempre presente d e e x plosión, q u e i m p i d e e l u s o d e l t i p o d e e q u i p o electrónico q u e l o s e x p e r i m e n t a d o r e s tendrían q u e i n s t a l a r . E s t o d e j a d o s p o sibilidades: las m i n a s d esal, q u e s u e l e n t e n e r grandes c a v e m a s e x c a v a d a s d u r a n t e e l p r o c e s o d e explotación, y l a s m i n a s d e metales, c u y o v a l o r justifica e lalto coste d e excavar p r o f u n d a m e n t e e n l a tierra. A m b o s t i p o s s e u s a n e n l a a c t u a l i d a d p a r a a l b e r g a r e x p e r i m e n t o s d e desintegración d e l protón.

L a s a l e s u n o d e l o s m a t e r i a l e s más b a r a t o s q u e s e p u e d e n comprar; e n e l supermercado u n kilo vale unos 5 0 centavos.

E s t o s i g n i f i c a q u e l a s a l tiene q u e s e r extraída b a s t a n t e c e r c a d e l l u g a r d o n d e s e l a tiene q u e p r o c e s a r y u t i l i z a r y a q u e d e o b - a f o r m a l o s g a s t o s d e t r a n s p o r t e elevarían d e m a s i a d o s u c o s t e y dejaría d e t e n e r m e r c a d o . H a y u n a m i n a , o p e r a d a p o r M o r t o n S a l t , u n a división d e l a M o r t o n - T h i o k o l C o m p a n y , s i t u a d a cerca d e l a orilla del lago Erie e nO h i o . L am i n a s e extiende, e n r e a l i d a d , p o r d e b a j o d e l l a g o . C u a n d o l o s físicos d e la U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n , d e l a U n i v e r s i t y o f C a l i f o m i a e n Irw i n e y d e los B r o o k h a v e n National Laboratories e m p e z a r o n a investigar este e m p l a z a m i e n t o c o m o sitio posible para const r u i r e l m a y o r d e t e c t o r d e a g u a d e l m u n d o , pareció q u e e r a ideal e n m u c h o s aspectos: cercano a grandes centros d e c o m u n i c a c i o n e s , 6 0 0 m e t i - o s b a j o tierra y o p e r a d o p o r u n a e m presa dispuesta a colaborar e n e lproyecto. Desgraciadamente, n o había n i n g u n a cámara e n l a m i n a l o s u f i c i e n t e g r a n d e p a r a albergar e l detector.

Entonces, e nu n a d eesas casualidades q u e suceden d e vez 167

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

e n c u a n d o p a r a q u e s i g a m o s c r e y e n d o e nlos finales felices, l a D o s c o C o m p a n y , compañía d e d i c a d a a l a fabricación d e e q u i p o p e s a d o d e minería, apareció e n e s c e n a c o n u n a n u e v a máq u i n a c o n l a q u e querían h a c e r u n a demostración a M o r t o n .

S e p u s o a t r a b a j a r l a máquina y excavó c o n d i l i g e n c i a u n a c a v i d a d q u e podía c o n t e n e r u n e d i f i c i o d e c i n c o p l a n t a s . C o m o p r o d u c t o s e c u n d a r i o , l o s físicos o b t u v i e r o n s a l p o r v a l o r d e 6 0 . 0 0 0 dólares, q u e r e v e n d i e r o n a M o r t o n . E m p e z a r o n e n t o n c e s a t r a b a j a r e n l a instalación d e u n i n m e n s o r e c i p i e n t e plástico p a r a c o n t e n e r e l agua. E n agosto d e 1 9 8 2 , tras s o l u c i o n a r a l g u n o s p r o b l e m a s d e b i d o s a f i l t r a c i o n e s , e l r e c i p i e n t e s e llenó con 10.000 toneladas d e aqua purificada, se pusieron e n marc h a l o s 2 . 0 4 8 d e t e c t o r e s C e r e n k o v y empezó l a l a r g a e s p e r a d e l a señal d e l a desintegración d e l protón.

E l detector de Minnesota L o s p r o b l e m a s que t u v o q u e afrontar M a r v i n Marshak, jefe d e u n e x p e r i m e n t o d e desintegración d e l protón c e n t r a d o e n la U n i v e r s i t y o f Minnes.ota, f u e r o n a l g o distintos. E lg r u p o d e Minnesota fue e lp r i m e r o e nm o n t a r y poner en f u n c i o n a m i e n t o un e x p e r i m e n t o d e desintegración d e l protón e n Norteamérica. A l p r i n c i p i o , habían e s t a d o i m p l i c a d o s e n l a búsqueda d e u n a m i n a c u a n d o f o r m a b a n parte d e u n g r u p o m a y o r . L a hist o r i a d e las n e g o c i a c i o n e s q u e t u v i e r o n l u g a r a finales d e 1 9 7 8 y durante 1979 nos d a una idea del m o d o e n que funcionan h o y l o s g r a n d e s p r o y e c t o s d e física. L o s e q u i p o s d e l a s d i v e r s a s u n i v e r s i d a d e s q u e p a r t i c i p a b a n e n l a concepción y e l d i s e ño d e l e x p e r i m e n t o v o l a b a n a C h i c a g o , s e reunían d u r a n t e e l día y r e g r e s a b a n a c a s a e n l o s v u e l o s n o c t u r n o s , c o m o s i f u e r a n u n g r u p o d e e j e c u t i v o s d e v e n t a s . A l p r o g r e s a r las n e g o c i a c i o n e s , había a b o g a d o s y c o n t r a t o s s u f i c i e n t e s p a r a s a t i s f a c e r a l más c a u t o a s e s o r l e g a l . T e n g o q u e a d m i t i r q u e e s t a b a u n p o c o s o r p r e n d i d o d e q u e l o s físicos d e l a " t o r r e d e m a r f i l " f u n c i o n a r a n d e e s t a f o r m a , p e r o recordé e n t o n c e s q u e l o s g r a n d e s e x p e r i m e n t o s d e desintegración d e l protón t a l e s c o m o e l 168

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

d e d e b a j o d e l l a g o E r i e c o s t a b a n más d e t r e s m i l l o n e s d e dól a r e s e n f r e c o n s t r u i d o s y o p e r a r i o s , d i n e r o más q u e s u f i c i e n t e para justificar todas l a sn e g o c i a c i o n e s previas. ( T e m o q u e l a i m a g e n d e científico s o l i t a r i o frabajando e n s u laboratorio es u n a cosa del pasado, p o r l o m e n o s e n los experimentos e n g r a n e s c a l a d e l a física d e l a s partículas.)

E n c u a l q u i e r c a s o , e l g r u p o empezó a b u s c a r m i e n t r a s t a n to u nespacio adecuado e n u n a mina. Tal c o m o Marshak l o e x p l i c a : «Nos enfrentábamos c o n u n v e r d a d e r o d i l e m a . C u a n d o u n a m i n a q u e d a a b a n d o n a d a , s e d e t e r i o r a rápidamente y el coste d e renovar y m a n t e n e r u n a m i n a abandonada estaba p o r c o m p l e t o f u e r a d en u e s f r o a l c a n c e . E n las m i n a s e n a c t i v o , por ofra parte, con frecuencia s e p a g a a l o s m i n e r o s según u n s i s t e m a d e i n c e n t i v o s , p o r l o q u e t e n e r a u n g r u p o d e físicos i n t e r f i r i e n d o e n s u frabajo l e s h u b i e r a c o s t a d o d i n e r o . N o e s u n a situación e n l a q u e n o s h u b i e r a g u s t a d o enconframos.»

S u búsqueda l e s llevó a o f i c i n a s f e d e r a l e s y e s t a t a l e s d e i n s p e c t o r e s d e m i n a s , a p r o f e s o r e s d e minería y a c u a l q u i e r a q u e pudiera c o n o c e r u n sitio a d e c u a d o para s u e x p e r i m e n t o .

E n t o d o s l o s s i t i o s p r e g u n t a b a n : «¿Conocen u s t e d e s u n a m i n a q u e pudiéramos utilizar?» y l a r e s p u e s t a e r a s i e m p r e n o . E n t o n c e s , e n 1 9 7 8 , más o m e n o s c u a n d o e l g r u p o d e M i n n e s o t a empezó p o r s u c u e n t a , M a r s h a k recordó u n l u g a r q u e había visto e ne lnorte d e Minnesota, cerca d e laciudad d e S o u d a n , unos frescientos kilómefros a l n o r t e d e M i n n e a p o l i s . Había allí u n p a r q u e estatal p a r a c o n m e m o r a r u n a d e las p r i m e r a s m i n a s d e h i e r r o d e M i n n e s o t a , m i n a q u e había t e r m i n a d o s u s o p e r a ciones comerciales e n 1963. El estado d eMinnesota se encargaba d e s u mantenimiento y durante e l verano la visitaban g r u p o s d e turistas. E n ofras palabras, era u n a m i n a q u e estaba e n m a n t e n i m i e n t o p e r o n o e n producción, l a combinación p e r f e c t a p a r a e l e x p e r i m e n t o q u e M a r s h a k tenía e n m e n t e . L a u n i v e r s i d a d o b t u v o rápidamente e l p e r m i s o p a r a u t i l i z a r a e s t e o b j e t o u n a d e l a s cámaras d e l a m i n a , s i t u a d a u n p o c o p o r d e bajo d e los seiscientos mefros bajo e l suelo.

M i e n f r a s s e d e s a r r o l l a b a l a búsqueda, e l g r u p o d e M i n n e s o t a había d e c i d i d o q u e , p a r a a l c a n z a r s u propósito, e r a más 169

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

idóneo u t i l i z a r u n s i s t e m a d e t e c t o r d e n s o e n l u g a r d e a g u a , p o r l o q u e empezó a t r a b a j a r e n u n pequeño p r o t o t i p o ( 3 0 t o n e l a d a s ) d e l d e t e c t o r . C o n v e n c i e r o n a u n a compañía l o c a l para q u e donara u n par d e camiones d emineral d ehierro. L o s científicos l l e v a r o n e l m i n e r a l a l a u n i v e r s i d a d , c o m p r a r o n u n a hormigonera e nSears Roebuck, contrataron unos cuantos estudiantes y e m p e z a r o n a trabajar e n u nv i e j o edificio cerca d e l río M i s s i s s i p p i . M e z c l a r o n e l m i n e r a l c o n hormigón y f a b r i c a r o n 4 3 2 l o s a s , c a d a u n a d e 3 m p o r 3 0 c m p o r 4 c m ( e l tamaño d e l a l o s a venía d i c t a d o p o r l o q u e d o s e s t u d i a n t e s podían m a n e j a r s i n p r o b l e m a s ) . C a d a l o s a tenía e n s u i n t e r i o r o c h o t u b o s d e a c e r o d e l tamaño a p r o x i m a d o d e l a m a n g u e r a d e u n a s p i rador. Estos tubos iban a contener l o s contadores necesarios p a r a d e t e c t a r l o s p r o d u c t o s d e l a desintegración d e l protón. E l a p a r a t o c o m p l e t o s e transportó a S o u d a n y s e bajó a l a m i n a , d o n d e s e montó y probó. E n otoño d e 1 9 8 1 e l d e t e c t o r e m pezó a t o m a r d a t o s .

PERSPECTIVAS En enero d e 1983, el experimento d eIrvine-MichiganBrookhaven, situado e n lasminas d e salbajo e l lago Erie, anunció s u s p r i m e r o s r e s u l t a d o s . E n o c h e n t a días, n o s e había v i s t o e n e l a p a r a t o ningún s u c e s o c a n d i d a t o a s e r l a d e s i n t e gración d e u n protón. A p a r t i r d e e s t e h e c h o , l l e g a r o n a l a conclusión d e q u e e l tíempo d e v i d a d e l protón tíene q u e s e r más l a r g o d e 6 x 1 0 ^ ' años. R e s u l t a d o s más r e c i e n t e s , b a s a d o s e n u n tíempo d e observación m a y o r , h a n p u e s t o e s t e límit e c e r c a d e 10^^ años, s i n h a b e r v i s t o n i n g u n a desintegración.

L a w r e n c e Sulak, d el aUniversity o f Michigan, comentaba que, e n b a s e a e s t o s r e s u l t a d o s , s u g r u p o tardaría u n o s t r e s años e n p o n e r e s t e límite e n 6 x 10^^ años. S i n o s e o b s e r v a b a n d e s i n t e g r a c i o n e s d u r a n t e e s t e período, parecía p o c o p r o b a b l e q u e s e p u d i e r a d e t e c t a r l a desintegración d e l protón e n u n f u t u r o c e r c a n o . L a razón e s q u e a e s t e n i v e l ( q u e c o r r e s p o n d e a u n s u c e s o p o r m e s e n e l d e t e c t o r d e l l a g o E r i e ) l o s cálculos teó170

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

El detector de la desintegración del protón de Marvin Marshak es un rectángulo de treinta toneladas de losas de hormigón de taconita y 3.456 tubos, cada uno de ellos con un amplificador formado por cinco circuitos integrados. El amplificador amplía cualquier señal de la desintegración del protón. Toda la unidad está asociada a un computador conectado a un teléfono, de manera que los resultados se pueden controlar desde el exterior de la mina en la que está situado el detector, bajo seiscientos metros de roca sólida, en el norte de Minnesota. Foto de Tom Foley. coilesia del University of Minnesota News Service.

r i c o s i n d i c a n q u e empezarán a a p a r e c e r s u c e s o s i n i c i a d o s p o r n e u t r i n o s incidentes, i n d i s t i n g u i b l e s d e las d e s i n t e g r a c i o n e s d e protones. L o s contadores d ev e t o n odistinguen los neuh-inos, por l o que estos sucesos n o se p u e d e n separar d e las desint e g r a c i o n e s g e n u i n a s d e p r o t o n e s . E l límite d e l tiempo d e v i d a d e l protón q u e s e p u e d e d e t e c t a r c o n e s t e típo d e d e t e c t o r e s e s , p o r c o n s i g u i e n t e , d e 6 X 10^^ años.

M i e n h - a s t a n t o , l o s teóricos h a n a t i n a d o l a predicción teórica b a s a d a e n e l m o d e l o más s e n c i l l o d e l a G U T , e x p l i c a d o e n e l capítulo 7 . L a predicción teórica a c t u a l e s q u e e l tiempo d e 171

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Vista general de la instalación del experimento de desintegración del protón de Marshak. Foto de Tom Foley, coilesia del University of Minnesota News Service.

v i d a t i e n e q u e e s t a r e n t r e 1 0 ^ ' ^ y 10^°' años. E l h e c h o d e q u e l a predicción t e n g a u n a a m p l i t u d t a n g r a n d e s e d e b e a l a s i n c e r t i d u m b r e s r e l a c i o n a d a s c o n v a r i a s d i f i c u l t a d e s técnicas e n e l d e s a r r o l l o d e l o s cálculos. S i n e m b a r g o , l a predicción está e n relativo desacuerdo con los resultados experimentales citados a n t e s . L o s teóricos s e a p r e s u r a n a señalar, s i n e m b a r g o , q u e e s t a predicción e s e l r e s u l t a d o d e l a versión más s e n c i l l a d e l a G U T y q u e h a y o t r a s v e r s i o n e s , más c o m p l e j a s , q u e p r e d i c e n v a l o r e s d i s t i n t o s p a r a e l tiempo d e v i d a d e l protón. E n e l m o m e n t o d e e s c r i b i r e s t o ( v e r a n o d e 1 9 8 3 ) , l a situación d e l a d e sintegración d e l protón s i g u e e n e s t e e s t a d o a l g o a m b i g u o * . * Dos años más tarde la situación sigue siendo esencialmente la misma. ("N. del T.) 172

LA DESINTEGRACIÓN DEL PROTÓN

N o s e h a o b s e r v a d o n i n g u n a desintegración e n e l l a b o r a t o r i o , p e r o aún n o s e s a b e a c i e n c i a c i e r t a s i e s t e h e c h o e s s i g n i f i cativo.

SUMARIO L a G U T predice que los protones y neutrones ordinarios, q u e h a s t a a h o r a s e creía q u e e r a n a b s o l u t a m e n t e estables, p u e d e n desintegrarse. N o observamos d e ordinario estos p r o c e s o s p o r q u e s e s u p o n e q u e e l t i e m p o d e v i d a d e l protón e s m u y l a r g o , 1 0 ^ ' años o más. C u a n d o e l protón s e d e s i n t e g r a , s e t r a n s f o r m a e n u n positrón y u n mesón, y e l mesón s e d e sintegra a su vez e nu n par d e fotones. P o r l o tanto, e l p r o d u c t o final d e l a desintegración e s l a desaparición c o m p l e t a d e l protón.

D a d o q u e n i n g u n a o b r a teoría h a h e c h o u n a predicción c o m o ésta, l a detección d e l a desintegración d e l protón s e h a c o n v e r t i d o e n u n o d e l o s g r a n d e s o b j e t i v o s d e l o s físicos experimentales. E n el m o m e n t o de escribir esto, n o s e h a observ a d o e s t a desintegración, a p e s a r d e q u e s e h a n h e c h o e s f u e r zos experimentales m u y i m p o r t a n t e s para tratar d e conseguirl o . E s t o s i g n i f i c a q u e e l t i e m p o d e v i d a d e l protón e s a l g o más l a r g o d e l o p r e d i c h o p o r l a teoría, a u n q u e e s r e l a t i v a m e n t e sencillo modificar l a G U T para acomodarse a los resultados experimentales.

TERCERA PARTE C o n u n a comprensión d e l a teoría d e l a g r a n unificación, tenemos la capacidad d e predecir e l comportamiento d e la m a t e r i a a energías m u y a l t a s . N o s v i m o s o b l i g a d o s a d e j a r n u e s t r a discusión s o b r e e l B i g B a n g c u a n d o estábamos aún a u n m i l i s e g u n d o d e l m o m e n t o d e l a creación, y a q u e e n a q u e l p u n t o s e agotó n u e s t r a c a p a c i d a d p a r a d e s c r i b i r l a s i n t e r a c c i o n e s d e l a s partículas e n t r e sí. S i n l a s teorías d e l a g r a n u n i f i cación, sería i m p o s i b l e d a r e l p a s o s i g u i e n t e e n e l tiempo. E n la tercera parte, gracias a n u e s t r o n u e v o c o n o c i m i e n t o , a v a n z a m o s p o r e s t e t e r r i t o r i o a n t e s i n e x p l o r a d o . N u e s t r o guía será l a teoría, y a q u e l a s t e m p e r a t u r a s serán t a n e l e v a d a s q u e n o hay posibilidad d e q u e se puedan reproducir e n nuestros lab o r a t o r i o s e n u n f u t u r o r a z o n a b l e . N u e s t r o v i a j e n o s llevará tentadoramente cerca d e nuestro objetivo d e alcanzar e l m o m e n t o d e l a creación.

175

9.

El momento de la creación '- •-

-

•

Helaba hasta la misma China.

Helaba aniba hasta la Luna.

A mil grados bajo cero, se heló mi amado trapero.

«El t r a p e r o helado» BALADA POPULAR D E N U E V A INGLATERRA

CONGELACIONES MÚLTIPLES E l f a c t o r más i m p o r t a n t e d e l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o e s q u e éste s e enfría a m e d i d a q u e s e e x p a n d e . P u e s t o q u e l a m a t e r i a se c o m p o r t a d e f o r m a m u y distinta a t e m p e r a t u r a s diferentes, no essorprendente q u ee lUniverso haya presentado aspectos diferentes e n distintos m o m e n t o s d e l pasado. L am e j o r analogía e s u n a n u b e d e v a p o r c u a n d o s u t e m p e r a t u r a b a j a : p r i m e r o v e r e m o s u n g a s , l u e g o e l g a s s e condensará e n g o t a s d e líq u i d o y , p o r último, s i l a t e m p e r a t u r a a m b i e n t e e s s u f i c i e n t e m e n t e b a j a , v e r e m o s q u e e l líquido s e c o n v i e r t e e n h i e l o sól i d o . E s t e úlbmo c a m b i o , d e líquido a sólido, r e c i b e e l n o m b r e d e congelación. S i n e m b a r g o , p a r a n u e s t r a descripción d e l U n i v e r s o primitivo, u s a r e m o s esta palabra c o nu nsentido liger a m e n t e diferente. S i e m p r e q u e l am a t e r i a d e u nsistema s e r e o r d e n e e n r e s p u e s t a a u n a disminución d e l a t e m p e r a t u r a , d e c i m o s q u e e l s i s t e m a h a e x p e r i m e n t a d o u n a congelación e n e l s e n b d o q u e h e m o s d a d o a e s t a p a l a b r a d e s d e e l capítulo 2 .

Así, t a n t o l a condensación d e l v a p o r e n a g u a c o m o l a t r a n s f o r mación d e l a g u a e n h i e l o c o n s t i t u y e n u n a congelación.

E n e l capítulo 2 d i s c u t i m o s d o s d e e s t a s c o n g e l a c i o n e s e n l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o . E r a n l a formación d e núcleos a p a r t i r 177

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

d e partículas e l e m e n t a l e s 3 m i n u t o s después d e l B i g B a n g y l a formación d e átomos a p a r t i r d e e l e c t r o n e s l i b r e s y núcleos u n o s 5 0 0 . 0 0 0 años más t a r d e . E n l a p r i m e r a e t a p a , l a t e m p e r a t u r a d e l U n i v e r s o a n t e s d e l a congelación e r a t a n a l t a q u e c u a l q u i e r núcleo q u e l l e g a r a a f o r m a r s e habría s i d o d e s t r u i d o e n l a s c o l i s i o n e s . Después d e l o s 3 m i n u t o s , l a t e m p e r a t u r a d e l U n i v e r s o e r a más b a j a , d e m o d o q u e l a energía d e l a s c o l i s i o n e s e r a m e n o r q u e l a r e q u e r i d a p a r a r o m p e r u n núcleo d e s pués d e s u formación. P o r l o t a n t o , l a congelación d e l a s p a r tículas e n núcleos n o p u d o o c u r r i r h a s t a q u e l a f u e r z a d i s r u p t i v a d e b i d a a l a s c o l i s i o n e s f u e l o b a s t a n t e pequeña p a r a s e r s o b r e p a s a d a p o r l a s i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s a t r a c t i v a s . S e podría d e c i r a l g o m u y p a r e c i d o d e l a formación d e átomos a p a r t i r d e núcleos y d e e l e c t r o n e s , e x c e p t o q u e e n e s t e c a s o l a ligazón s e debía a l a interacción electromagnética e n l u g a r d e l a f u e r t e . C a d a congelación d i o l u g a r a u n a n u e v a e r a d e l a h i s t o r i a del Universo, e nl aque l af o r m a p r e d o m i n a n t e d emateria era d i f e r e n t e d e l a q u e había s i d o a n t e s .

H a y o t r o a s p e c t o d e l a congelación además d e l r e o r d e n a m i e n t o d e l amateria. C u a n d o e l agua se congela e nhielo, s u simetría s u b y a c e n t e c a m b i a . E n e l a g u a líquida v e m o s l o m i s m o —moléculas d e a g u a q u e s e m u e v e n a l a z a r — c u a l q u i e r a q u e s e a l a dirección e n q u e m i r e m o s . P o r e l c o n t r a r i o , e n e l hielo h a y determinadas direcciones del espacio que son distintas d e l a sotras, h e c h o q u e s e p o n e d e m a n i f i e s t o c u a n d o s e o b s e r v a u n c o p o d e n i e v e . A m b o s e f e c t o s —reordenación d e l a m a t e r i a y c a m b i o d e l a simetría— v a n j u n t o s . E n u n a c o n gelación o r d i n a r i a , c o m o l a d e l a g u a e n h i e l o , e x i s t e también u n a d i f e r e n c i a d e energía e n t r e e l c o n j u n t o d e moléculas l i b r e s d e a g u a a O °C y l a e s t r u c t u r a c r i s t a l i n a d e l h i e l o a l a m i s m a t e m p e r a t u r a . E s t a d i f e r e n c i a d e energía d e b e e x t r a e r s e d e l s i s t e m a p a r a q u e e l a g u a s e c o n g e l e y d e b e añadirse a l s i s t e m a p a r a f u n d i r e l h i e l o . P o r e s t a razón u n r e f r i g e r a d o r n e c e s i t a energía eléctrica p a r a h a c e r c u b i t o s d e h i e l o y e s t o s c u b i t o s d e h i e l o a b s o r b e n c a l o r d e u n a b e b i d a . L a s c o n g e l a c i o n e s e n las q u e o c u r r e t a l d i f e r e n c i a d e energía l o s físicos l a s d e n o m i n a n transiciones d efase d ela p r i m e r a especie. E n la naturaleza h a y 178

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

a l g u n a s t r a n s i c i o n e s — l a más común d e l a s c u a l e s e s l a q u e i n t e r v i e n e e n l a formación d e u n imán c o r r i e n t e — e n l a s q u e l a reordenación d e l a m a t e r i a y e l c a m b i o d e simetría a s o c i a d o c o n l a congelación n o v a n acompañados d e u n a liberación d e energía. S o n l a s q u e s e d e n o m i n a n t r a n s i c i o n e s d e f a s e d e l a s e g u n d a especie. E ng e n e r a l , las c o n g e l a c i o n e s q u e s u p o n e n l a aparición d e n u e v a s f o r m a s d e m a t e r i a ( c o m o átomos y núcleos) s o n t r a n s i c i o n e s d ep r i m e r a especie, m i e n t r a s q u e e n las que intervienen fuerzas son d e segunda especie.

P o d e m o s g e n e r a l i z a r e l c o n c e p t o d e congelación p a r a i n c l u i r l o s p r o c e s o s d e unificación s i t e n e m o s e n c u e n t a q u e , c u a n d o d o s f u e r z a s s e u n i f i c a n , c a m b i a l a simetría f u n d a m e n t a l d e l a n a t u r a l e z a . E s t o e s análogo a l c a m b i o d e simetría d e l agua cuando se congela e n hielo, aunque las congelaciones d e f u e r z a s n o s u p o n e n u n a reordenación f u n d a m e n t a l d e l a m a t e r i a c o m o l a q u e o c u r r e e n l a formación d e átomos, núc l e o s o c r i s t a l e s d e h i e l o . C u a n d o h a b l e m o s d e l a congelación de u n a fuerza, nos referiremos, p o r lo tanto, a lproceso p o r e l q u e s e p i e r d e l a unificación d e l a s d o s f u e r z a s c u a n d o l a t e m p e r a t u r a d i s m i n u y e p o r d e b a j o d e l p u n t o e n q u e l a energía d e colisión e s m e n o r q u e l a n e c e s a r i a p a r a l a unificación.

L a t e m p e r a t u r a a la q u e s e congela u n a fuerza d e p e n d e d e l a m a s a d e l a s partículas q u e s e i n t e r c a m b i a n p a r a g e n e r a r l a .

E s t o , a s u v e z , d e p e n d e d e l fenómeno d e r o t u r a espontánea d e l a simetría d i s c u t i d a e n l o s capítulos 6 y 7 . C u a n d o l a e n e r gía d e l a s c o l i s i o n e s e s m u c h o m a y o r q u e l a energía d e l a m a s a d e l a s partículas p e s a d a s q u e i n t e r v i e n e n e n l a u n i f i c a ción, s e pondrá d e m a n i f i e s t o e n t o n c e s l a v e r d a d e r a simetría d e l a f u e r z a . P o r e j e m p l o , l a simetría s u b y a c e n t e d e l a i n t e r a c ción electrodébil r e q u i e r e q u e e l fotón ( c o n m a s a n u l a ) y l o s bosones vectoriales (con masas cercanas a los 1 0 0G e V ) se c o m p o r t e n c o m o m i e m b r o s d e l a m i s m a f a m i l i a d e partículas sin masa. Esto requiere u n a t e m p e r a t u r a m u y alta. E n e l centro d e las estrellas, las t e m p e r a t u r a s d e n u e s t r a e r a p r o p o r c i o n a n energías d e colisión m e n o r e s d e l 1 0 % d e 1 G e V . i n c l u s o 1 m i l i s e g u n d o después d e l B i g B a n g l a s t e m p e r a t u r a s e s t a b a n p o r d e b a j o d e 1 G e V . P o r t a n t o , e n ningún m o m e n t o d e l p e 179

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

ríodo d e l a h i s t o r i a q u e h e m o s e x p l o r a d o h a s t a a h o r a l a t e m p e r a t u r a h a s i d o l o s u f i c i e n t e a l t a p a r a p r o p o r c i o n a r energías c o m p a r a b l e s a l a m a s a d e unificación d e 1 0 0 G e V d e l a i n t e r acción electrodébil. P a r a e n c o n t r a r t a l e s t e m p e r a t u r a s , d e b e m o s b u s c a r e n e l p r i m e r m i l i s e g u n d o . E s t o también e s válido, p o r supuesto, para lamasa m u c h o m a y o r implicada e nla unificación d e l a f u e r z a f u e r t e c o n l a electrodébil ( 1 0 ' * G e V ) .

Si e m p e z a m o s e n e l Big B a n g y nos m o v e m o s hacia delante e n e lt i e m p o , e s p e r a m o s v e r u n a serie d e congelaciones.

A l g u n a s d e e l l a s supondrán l a aparición d e n u e v o s t i p o s d e m a t e r i a , m i e n t r a s q u e e n o t r a s intervendrán f u e r z a s . F u e r z a s q u e s o n idénticas e n f r e sí a t e m p e r a t u r a s m u y a l t a s e x p e r i m e n tarán u n a r o t u r a espontánea d e simetría a l b a j a r l a t e m p e r a t u r a y s e diferenciarán. C a d a congelación, s e a d e m a t e r i a o d e f u e r z a , inaugurará u n a n u e v a e r a d e l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o .

Esto significa q u e esperamos que e lp r i m e r m i l i s e g u n d o m u e s t r e l a m i s m a distribución g e n e r a l d e períodos d e q u i e t u d c o n períodos p u n t u a l e s d e rápido c a m b i o , q u e y a h e m o s v i s t o q u e ocurrían d u r a n t e l o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años s i g u i e n t e s .

La congelación de los quarks (10~^ segundos) C o m o cabía e s p e r a r , l a e r a d e l a s partículas surgió a p a r t i r d e u n a congelación. E n t r e l o s 1 0 ~ * y l o s 1 0 ^ s e g u n d o s ( e s d e c i r , e n t r e 1 m i c r o s e g u n d o y 1 m i l i s e g u n d o después d e l B i g B a n g ) , l a s partículas e l e m e n t a l e s s e c o n d e n s a r o n a p a r t i r d e u n m a r d e quarks calientes. E lm o m e n t o exacto d e esta c o n gelación e s o b j e t o d e c i e r t o d e b a t e teórico e n l a a c t u a l i d a d , p e r o l a mayoría d e teóricos l o sitúan e n t r e l o s 1 0 ~ ^ y 1 0 * s e gundos. E n cualquier caso, es claro que c u a n d o e l U n i v e r s o tenía 1 m i l i s e g u n d o d e e d a d , c a s i t o d o s l o s q u a r k s habían s i d o i n c o r p o r a d o s e n u n a partícula e l e m e n t a l f a m i l i a r . A l g u n o s q u a r k s s e habrían c o m b i n a d o c o n a n t i q u a r k s p a r a f o r m a r m e s o n e s , m i e n t r a s q u e o t r o s l o habrían h e c h o c o n o t r o s d o s quarks con carga d e color apropiado para formar bariones. A p a r t i r d e l a discusión d e l c o n f i n a m i e n t o d e l o s q u a r k s e n e l c a 180

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

pítulo 7 , s a b e m o s q u e u n a v e z l o s q u a r k s s e h a n i n c o r p o r a d o e n partículas, jamás p u e d e n v o l v e r a e s c a p a r . L o s cálculos teóricos p a r e c e n i n d i c a r q u e a t e m p e r a t u r a s m u y a l t a s l o s q u a r k s n o están c o n f i n a d o s d e e s t a f o r m a , p e r o , a l b a j a r l a t e m p e r a t u r a , las f u e r z a s r e s p o n s a b l e s d e l c o n f i n a m i e n t o p r e v a l e c e n y l o s q u a r k s s e c o n d e n s a n e n partículas. E s t a c o n d e n s a ción p u e d e c o n s i d e r a r s e c o m o u n a congelación d e l o s q u a r k s .

L o s d e t a l l e s d e c ó m o ( y a qué t e m p e r a t u r a ) s u c e d e e s t o e s o b j e t o d e d e b a t e e n t r e l o s teóricos, p e r o n o h a y d u d a d e q u e e x i s t e u n a c i e r t a t e m p e r a t u r a críbca p o r e n c i m a d e l a c u a l l o s q u a r k s n o están c o n f i n a d o s e n partículas y p o r d e b a j o d e l a c u a l sí l o estarán. C a b e s u p o n e r así q u e l o s q u a r k s l i b r e s h a brían d e s a p a r e c i d o d e l U n i v e r s o a n t e s d e t r a n s c u r r i r 1 m i l i s e g u n d o después d e l B i g B a n g .

N o o b s t a n t e , e n c u a l q u i e r p r o c e s o t a n caótico c o m o l a s primeras etapas del Big B a n g p o d e m o s esperar que ocurran a l g u n o s s u c e s o s anómalos. P u e d e h a b e r u n o s c u a n t o s q u a r k s q u e , p o r a l g u n a razón, n o l l e g u e n a e n c o n t r a r l o s compañeros apropiados con quien combinarse. Tales quarks permanecerían c o m o partículas l i b r e s y recorrerían e l U n i v e r s o c o m o o t r o s t a n t o s h o l a n d e s e s e r r a n t e s e n b u s c a d e compañeros. L o s físicos l l a m a n a e s t a s partículas q u a r k s fósiles. L a búsqueda d e partículas fósiles s e discutirá e n e l capítulo 1 2 .

L a e r a q u e precedió i n m e d i a t a m e n t e a l a congelación d e los quarks l a l l a m a r e m o s era d e los quarks. S e caracteriza p o r l a p r e s e n c i a d e q u a r k s l i b r e s , además d e l e p t o n e s y f o t o n e s .

E n e s t a e r a n o h a y ningún c a m b i o i m p o r t a n t e e n l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s . Seguiríamos o b s e r v a n d o c u a t r o f u e r z a s d i s t i n t a s q u e g o b i e r n a n l a s i n t e r a c c i o n e s d e l a m a t e r i a , y n o tendríam o s n i n g u n a dificultad para identificadas con fuerzas que observamos h o y e n nuestros laboratorios.

La congelación electrodébil ( 1 0 ' ' ° segundos) L a e r a d e l o s q u a r k s e m p i e z a 1 0 " ' ° s e g u n d o s después d e l B i g B a n g , c o n l a congelación d e l a s f u e r z a s eléctiica y débil.

181

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

A l o s 10~'° s e g u n d o s , e l U n i v e r s o s e habrá e n f r i a d o a p r o x i m a damente a unos 10.000 billones d e grados. P o r encima d e e s t a t e m p e r a t u r a , h a y s u f i c i e n t e energía e n l a s c o l i s i o n e s e n t r e partículas p a r a c r e a r b o s o n e s v e c t o r i a l e s ; p o r d e b a j o d e e s t a t e m p e r a t u r a n o h a y s u f i c i e n t e energía p a r a h a c e r l o . O t r a f o r m a d e d e c i d o e s q u e , a n t e s d e l o s 10~'° s e g u n d o s , l a energía d e colisión e x c e d e l o s 1 0 0 G e V , m i e n t r a s q u e después d e l o s 1 0 '° s e g u n d o s n o l o h a c e . E n e l capítulo 6 v i m o s q u e 1 0 0 G e V e s l a energía e n l a q u e s e m a n i f i e s t a e n l a n a t u r a l e z a l a u n i d a d s u b y a c e n t e d e l a s i n t e r a c c i o n e s electromagnética y déb i l . P o r t a n t o , l o s 1 0 " ' ° s e g u n d o s m a r c a n e l último m o m e n t o e n q u e s e observó e s t a unificación y e l i n s t a n t e crítico d e l a tiransición e n q u e l a s f u e r z a s débil y electromagnética s e c o n gelaron e n s u f o r m a actual.

L l a m a r e m o s e r a electrodébil a l p e r í o d o q u e e m p e z ó 1 0 ^ ^ * s e g u n d o s después d e l B i g B a n g y terminó a l o s 1 0 " ' ° s e gundos. Esta era se diferencia d e la era d e los quarks que l a s i g u e e n u n a s p e c t o . D u r a n t e l a e r a electrodébil, l a s i n t e r a c c i o n e s e n t r e partículas están g o b e m a d a s p o r t r e s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s ( e n l u g a r d e c u a t r o ) ; las i n t e r a c c i o n e s f u e r t e , e l e c t r o débil y g r a v i t a t o r i a .

U n espectador q u eobservara e l proceso por e l cual la f u e r z a electrodébil s e congeló e n l a s f u e r z a s débil y e l e c t r o magnética vería c ó m o e l U n i v e r s o v a d e u n e s t a d o d e a l t a s i meh-ía a o t r o d e simetría más b a j a . Observaría también q u e , m i e n t r a s q u e a n t e s d e l o s 1 0 '° s e g u n d o s s e c r e a n m u c h o s b o s o n e s v e c t o r i a l e s c o m o partículas l i b r e s , e s t a producción s e d e t i e n e . L o s m e s o n e s v e c t o r i a l e s q u e existían e n e l i n s t a n t e d e l a congelación s e d e s i n t e g r a r o n rápidamente, p o r l o q u e u n a v e z b i e n a d e n t r a d o s e n l a e r a d e l o s q u a r k s y a n o había m e s o n e s v e c t o r i a l e s c o m o partículas l i b r e s . Seguían d e s e m p e ñando, p o r s u p u e s t o , e l p a p e l d e partículas i n t e r c a m b i a d a s e n l a interacción débil. P o r c o n s i g u i e n t e , e n l o q u e s e r e f i e r e a l o s m e s o n e s v e c t o r i a l e s y a l a interacción débil, e l U n i v e r s o h a p e r m a n e c i d o e n s u e s t a d o a c t u a l d e s d e l a e d a d d e 10~'° s e gundos.

182

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

L a congelación G U T (10"^* s e g u n d o s ) E n e l m o d e l o c o n v e n c i o n a l d e l B i g B a n g , l a e r a electrodéb i l e m p i e z a 1 0 ^ * s e g u n d o s después d e l a creación. L a e n e r gía d i s p o n i b l e e n l a s c o l i s i o n e s e n e s t e i n s t a n t e e r a d e u n o s 1 0 ' * G e V , l a energía d e l a g r a n unificación d i s c u t i d a e n e l c a pítulo 7 . L a t e m p e r a t u r a e r a d e 1 0 ^ * K e l v i n , q u e e s c a s i i m p o s i b l e d e i m a g i n a r . E s t a congelación e s c o n m u c h o e l a c o n t e c i m i e n t o más i n t e r e s a n t e d e t o d o s l o s q u e h e m o s d i s c u t i d o h a s t a a h o r a , p o r u n a s e r i e d e r a z o n e s . D e s d e finales d e l o s años s e s e n t a h e m o s t e n i d o c o n o c i m i e n t o d e l a unificación electrodébil, p e r o l a i d e a d e q u e l a teoría d e l a g r a n u n i f i c a ción podía a p l i c a r s e a l a cosmología e s m u c h o más r e c i e n t e .

P o r c o n s i g u i e n t e , l a g e n t e aún está e x c i t a d a c o n l a i d e a y e s difícil n o s e n t i r a l g o d e e s t a excitación a l l e e r l o q u e s e p u b l i c a e n e s t e c a m p o . Además, n u e s t r o c o n o c i m i e n t o d e l a c o n g e l a ción G U T e s aún t a n r e c i e n t e q u e q u e d a p o r r e s o l v e r u n a g r a n cantidad d e detalles. N o s e n c o n t r a m o s e nla frontera d el o q u e se c o n o c e d e l B i g B a n g y t o d a s las f r o n t e r a s d e l c o n o c i m i e n t o s o n e x c i t a n t e s . Además, e s t a congelación e s d e n a t u r a l e z a más compleja que cualquier otro acontecimiento acaecido durante e l p r i m e r m i l i s e g u n d o , y m u c h o d e l o q u e o c u r r e más t a r d e viene determinado por l o sucedido a 1 0 ^ * segundos. N o es d e extrañarse q u e h a y a r e c i b i d o r e c i e n t e m e n t e t a n t a atención p o r p a r t e d e l o s físicos.

E n a l g u n o s a s p e c t o s e s t a congelación e s m u y p a r e c i d a a l a d e l o s 10"'° s e g u n d o s . A n t e s d e l o s 1 0 ^ * s e g u n d o s las f u e r z a s f u e r t e y electrodébil e s t a b a n u n i f i c a d a s , p o r l o q u e sólo había dos fuerzas fundamentales que g o b e m a b a n e l c o m p o r t a m i e n t o d e l a m a t e r i a . E n e s a e r a , l a energía d e l a s c o l i s i o n e s e r a t a n a l t a q u e s e podían p r o d u c i r c o p i o s a m e n t e b o s o n e s X , l a s p a r tículas a s o c i a d a s a l a g r a n unificación. Después d e 1 0 ^ * s e g u n d o s , l a f u e r z a f u e r t e s e congeló a p a r t i r d e l a s o t r a s d o s y n o s dejó c o n l a s fres f u e r z a s características d e l a e r a elecfrodéb i l . A l m i s m o tiempo, l a t e m p e r a t u r a d e l U n i v e r s o , q u e s e e n f r i a b a rápidamente, había d e s c e n d i d o p o r d e b a j o d e l p u n t o e n q u e s e podían c r e a r partículas X e n l a s c o l i s i o n e s . E s t a s p a r 183

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

tículas, s i n ningún m e d i o p a r a r e a b a s t e c e r s u población, s e d e s i n t e g r a r o n rápidamente y d e s a p a r e c i e r o n d e l a e s c e n a , p a r a n o r e a p a r e c e r jamás. L a comprensión d e e s t a desintegración, t a l c o m o v e r e m o s más t a r d e , h a s i d o útil p a r a r e s o l v e r e l p r o b l e m a d e l a antímateria q u e d i s c u t i m o s e n e l capítulo 3 .

S i h e m o s o b s e r v a d o cómo s e h i e l a u n l a g o o u n c h a r c o e n invierno, p o d r e m o s comprender ofro aspecto importante d e la congelación d e l a f u e r z a f u e r t e a l o s 1 0 ~ ^ * s e g u n d o s , p o r l o m e n o s tal c o m o l odescriben algunas versiones d e l aG U T . E n u n lago, n o se f o r m a d e golpe una capa d e hielo, sino que e m p i e z a simultáneamente e n v a r i o s p u n t o s y s e e x t i e n d e a partir d e estos p u n t o s hasta cubrir t o d a l a superficie. E n l a s teorías q u e e s t a m o s d e s c r i b i e n d o , l a congelación d e l a f u e r z a fuerte se p r o d u j o d e f o r m a m u y parecida, y e l n u e v o nivel d e simetría r e d u c i d a s e estableció e n p r i m e r l u g a r e n pequeños volúmenes d e l e s p a c i o y después s e extendió h a s t a l l e n a d o t o d o . C u a n d o l a congelación o c u r r e d e e s t a f o r m a , c a b e e s p e r a r q u e s e p r o d u z c a n i r r e g u l a r i d a d e s e n e l r e s u l t a d o final. P o r e j e m p l o , s i s e t r a t a d e l a formación d e u n a c a p a d e h i e l o , l o s e j e s d e simetría d e l o s c r i s t a l e s q u e c r e c e n a l r e d e d o r d e u n c e n t r o apuntarán, c o n t o d a p r o b a b i l i d a d , h a c i a u n a dirección d i s t i n t a d e l o s e j e s d e simefría a s o c i a d o s c o n o t i - o c e n t r o c e r c a n o , t a l c o m o s e m u e s h - a e n l a figura 4 0 . C u a n d o e l h i e l o q u e s e e x t i e n d e a p a r t i r d e e s t o s d o s c e n t r o s s e u n e , habrá u n a región d o n d e e l e j e d e simetría c a m b i a d e u n a dirección a

Eje de simetría F i g . 40

184

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

o t r a . E l r e s u l t a d o e s u n a disposición c o m o l a q u e s e m u e s t r a a laderecha d e l a figura 40, e nla que unas regiones con dif e r e n t e s d i r e c c i o n e s d e simetría s e e n c a j a n c o m o p i e z a s d e u n rompecabezas.

C a d a u n a d e las piezas d e l r o m p e c a b e z a s r e c i b e e l n o m b r e d e d o m i n i o , y l a s r e g i o n e s d o n d e c a m b i a l a dirección d e s i m e tría s e d e n o m i n a n p a r e d e s d e l d o m i n i o . L a s p a r e d e s d e d o m i n i o s o n u n e j e m p l o d e defecto del cristal, algo q u e i m p i d e q u e e l h i e l o n o s e a u n único c r i s t a l p e r f e c t o . L o s metalúrgicos h a n l l e v a d o a c a b o e s t u d i o s e x h a u s t i v o s d e las clases d e defectos q u e p u e d e n o c u r r i r e n l a n a t u r a l e z a y r e s u l t a q u e e l fenómeno d e l a s p a r e d e s d e d o m i n i o e s sólo u n a d e l a s f o r m a s e n q u e u n cristal p u e d e ser d e f e c t u o s o . Otras, c o m o los p l a n o s d e cliv a j e d e u n d i a m a n t e , s o n a l g o más c o m p l i c a d o s d e d e s c r i b i r , pero son, sin embargo, comunes.

L a congelación G U T p u e d e a n a l i z a r s e d e m a n e r a p a r e c i d a a u n cristal. Y d e l m i s m o m o d o q u e u n cristal real p u e d e t e n e r d e f e c t o s , l a congelación d e l a f u e r z a f u e r t e p u e d e p r o d u c i r d e fectos e n e l U n i v e r s o . Resulta q u e h a y p r e c i s a m e n t e tres clases de defectos que se p u e d e n f o r m a r e n e l Universo a los 1 0 ^ * segundos. Las paredes d e d o m i n i o —estructuras bidimension a l e s e x t e n s a s e n e l e s p a c i o — s o n u n a d e éstas. L a s o t i - a s d o s , q u e r e s u l t a n m u c h o más i n t e r e s a n t e s , s o n d e f e c t o s d e p u n t o y defectos d e cuerda.

Los defectos d e p u n t o son justo l oque s un o m b r e indica: p u n t o s d e l e s p a c i o d o n d e c a m b i a l a simetría. E n l a figura 4 1 s e m u e s t r a u n e j e m p l o d e d e f e c t o d e p u n t o . E n u n a línea c u a l q u i e r a q u e p a s e p o r e l p u n t o , l a simetría c a m b i a a b m p t a m e n t e . U n a c u e r d a e s u n a línea u n i d i m e n s i o n a l q u e s e p a r a r e g i o n e s d o n d e l a simetría e s d i f e r e n t e . E n l a figura 4 2 s e m u e s t r a u n tipo d e c u e r d a .

C u a n d o se congela l afuerza fuerte, esperamos, p o r lo tant o , q u e e l r e s u l t a d o final s e a u n u n i v e r s o q u e c o n t e n g a d e f e c tos e n f o r m a d e cuerdas, puntos y paredes d e dominio. L a teoría p r e d i c e q u e e s t o s d e f e c t o s serán m u y m a s i v o s . ( E s t e h e c h o p u e d e i n t e r p r e t a r s e c o m o u n a acumulación d e m a t e r i a a l r e d e d o r d e l o s d e f e c t o s d u r a n t e l a congelación.) L o s d e f e c t o s 185

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Fíg.

41

F i g . 42

de punto, por ejemplo, se supone que tienen u n a masa d e alr e d e d o r d e 10'* G e V . A t o d o s los efectos, estos p u n t o s n o s aparecerían c o m o partículas o r d i n a r i a s p e r o d e m a s a m u y e l e v a d a . L o único p o c o h a b i t u a l d e e l l a s e s q u e s e s u p o n e q u e l l e v a n u n a c a r g a magnética a i s l a d a . E n o t r a s p a l a b r a s , s e c o m portarían c o m o e l p o l o n o r t e o e l p o l o s u r d e u n imán. U n a partícula así s e l l a m a m o n o p o l o magnético, y sería o f r o e j e m p l o d e partícula fósil. D i s c u t i r e m o s s u i m p o r t a n c i a e n e l capítulo 1 2 .

L o s d e f e c t o s d e c u e r d a tienen también u n a m a s a c o n s i d e rable: u n a l o n g i t u d d e esta cuerda^ p r i m o r d i a l l osuficiente larg a p a r a a t r a v e s a r u n átomo pesaría u n millón d e t o n e l a d a s . E n e l capítulo 1 1 v e r e m o s q u e l a s c u e r d a s p u e d e n j u g a r u n p a p e l i m p o r t a n t e e n l a resolución d e l p r o b l e m a d e l a formación d e l a s g a l a x i a s . E l t e r c e r típo d e d e f e c t o , l a s p a r e d e s d e d o m i n i o , n o h a n r e c i b i d o m u c h a atención h a s t a l a f e c h a , p o r l o q u e p o c o h a y que decir acerca del papel que p u e d e n haber jugado en e l desarrollo del Universo, si es que realmente h a n tenido alguno.

C o m o s e v e , l a congelación G U T f u e u n a s u n t o c o m p l i c a d o . N o sólo s e s e p a r a r o n l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s , s i n o q u e d u r a n t e e l p r o c e s o s e f o r m a r o n n u e v o s típos d e e s t i u c t u r a s a gran escala e n e l U n i v e r s o . P o r l o m e n o s dos d e estas estmc186

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

t u r a s ( p u n t o s y c u e r d a s ) , p u e d e n h a b e r desempeñado u n p a p e l i m p o r t a n t e e n e r a s p o s t e r i o r e s . P o r último, e s t a c o n g e l a ción m a r c a e l p u n t o después d e l c u a l y a n o s e p u d i e r o n c i e a r más partículas X e n l a s c o l i s i o n e s , partículas c u y o i n t e r c a m b i o p r o v o c a l a desintegración d e l protón. L a s partículas X p r e s e n t e s e n e l m o m e n t o 1 0 ~ ^ * s e g u n d o s s e d e s i n t e g r a r o n rápidam e n t e y jamás s e h a n v u e l t o a o b s e r v a r c o m o partículas l i b r e s .

L l a m a r e m o s a e s t e período q u e e m p i e z a 1 0 ^ ^ s e g u n d o s y t e r m i n a 1 0 ~ ^ * s e g u n d o s después d e l B i g B a n g l a e r a G U T , o e r a d e l a teoría d e l a g r a n unificación. E s u n a e r a c o n t e m p e r a t u r a s m u y a l t a s y u n a energía d e l a s c o l i s i o n e s q u e varía d e s d e 1 0 ' ' G e V a l príncipio h a s t a 1 0 ' * G e V a l final. E s u n a m a g n i t u d difícil d e i m a g i n a r , p e r o a m o d o d e comparación d i r e m o s q u e l a energía d e m o v i m i e n t o d e u n j u g a d o r d e fútbol americano que corre a toda velocidad es d e unos l O ' * G e V , d i e z v e c e s m e n o r q u e l a energía a s o c i a d a c o n l a t e m p e r a t u r a más b a j a d e l a e r a G U T . S i i m a g i n a m o s t o d a e s t a energía c o n c e n t r a d a e n l a colisión e n t i - e partículas n o m u c h o m a y o r e s q u e u n protón, p o d e m o s h a c e m o s c i e r t a i d e a d e l o q u e sucedía e n aquel tiempo.

D a d o q u e l a s partículas X podían p r o d u c i r s e c o p i o s a m e n t e durante l aera G U T , los procesos e nq u e los quarks s e convertían e n l e p t o n e s y v i c e v e r s a e r a n b a s t a n t e c o m u n e s . ( E n e l c a pítulo 8 , d i s c u t i m o s a l g u n o s p r o c e s o s d e e s t e t i p o e n e l c o n t e x t o d e l p r o b l e m a d e l a desintegración d e l protón.) E s t o s i g n i f i c a q u e l a s partículas, a l c o l i s i o n a r u n a s c o n l a s o t r a s , p o dían c a m b i a r d e i d e n t i d a d fácilmente. C u a n d o s e p r o d u c e e s t a situación, l o s físicos d i c e n q u e l a s partículas i n t e r c a m b i a b l e s s o n e n r e a l i d a d idénticas, d e l a m i s m a m a n e r a q u e diríamos q u e e l h e c h o d e c a m b i a r d e u n chándal d e p o r t i v o a u n t r a j e de etiqueta n oafecta l a identidad subyacente d e u n individuo p a r t i c u l a r . P o r l o t a n t o , d u r a n t e l a e r a G U T sólo había d o s c l a s e s d e partículas: f e r m i o n e s ( l e p t o n e s y q u a r k s , q u e a h o r a s e c o n s i d e r a n idénticos) y b o s o n e s (partículas X , g l u o n e s , m e s o n e s v e c t o r i a l e s y f o t o n e s ) . C o n sólo d o s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s e n operación, e s t e u n i v e r s o p r i m i t i v o e r a m u y s i m p l e c o m p a rado c o n e lnuestro. D e hecho, es u n a regla general que cuan187

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

t o más r e t r o c e d e m o s e n e l t i e m p o , m e n o s c o m p l e j o s e v u e l v e el U n i v e r s o .

El estado d e conocimiento actual d e l a era G U T n o es e n absoluto c o m p l e t o . A u n q u e existe u nacuerdo general sobre l a s características príncipales q u e h e m o s d i s c u t i d o h a s t a a h o r a , h a y a l g u n o s p u n t o s q u e e n l a a c t u a l i d a d están s i e n d o d e b a t i d o s p o r l o s teórícos. A l g u n o s d e e s t o s p u n t o s s o n d e n a t u r a l e z a técnica; o t r o s s o n más f u n d a m e n t a l e s . E n t i - e l o s p u n t o s técnicos, está l a cuestíón d e qué t i p o d e simetría tenía e x a c t a m e n t e e l U n i v e r s o d u r a n t e e s t a f a s e . E n e l capítulo 6 v i m o s q u e l a s simetí-ías j u e g a n u n p a p e l i m p o r t a n t e e n l a d e t e r m i n a ción d e l c o m p o r t a m i e n t o d e l a s f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s y q u e e l l e n g u a j e matemático a p r o p i a d o p a r a d e s c r i b i r l a s simetrías e s l a teoría d e l o s g r u p o s . L a j e r g a d e l a teoría d e l o s g r u p o s p u e d e c a l i f i c a r s e , c o m o mínimo, d e esotérica, p e r o c u a n d o l o s físicos d i s c u t e n s i l a simetría a p r o p i a d a d u r a n t e l a e r a G U T e s l a Sü(5), l a S O ( I O ) , l a £7 ó c u a l q u i e r o t r a , e n r e a l i d a d , d e b a t e n qué tipo d e simetría d e s c r i b e d e h e c h o l a s i n t e r a c c i o n e s s u b yacentes.

U n p r o b l e m a más f u n d a m e n t a l e s e l q u e atañe a l r i t m o d e expansión d e l U n i v e r s o d u r a n t e e s t e período. E n e l m o d e l o c o n v e n c i o n a l del B i g B a n g , n o existe u n a diferencia radical c o n r e s p e c t o a l tipo d e expansión d e l a s e r a s p o s t e r i o r e s , p e r o h a y a l g u n a s teorías n u e v a s q u e p r e d i c e n a l g o m u y d i s t i n t o .

E s t a s teorías s u g i e r e n q u e h u b o u n período e n q u e e l U n i v e r s o s e expandió c o n m u c h a r a p i d e z . E s t a s i d e a s s o n t a n i m p o r t a n t e s q u e l a s c o n s i d e r a r e m o s c o n más d e t a l l e e n e l capít u l o 1 0 . D e m o m e n t o , señalaremos q u e a m e d i d a q u e n o s a c e r c a m o s a las f r o n t e r a s d e l c o n o c i m i e n t o , c a d a v e z s e h a c e m e n o s p o s i b l e s e r dogmáticos a c e r c a d e l o s d e t a l l e s d e l a h i s toria del Universo.

E l t i e m p o d e P l a n c k (10"^

segundos)

L a s i n c e r t i d u m b r e s teóricas e n l a descripción d e l a e r a G U T son insignificantes por c o m p l e t o c o m p a r a d o con l o que 188

-

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

n o s e s p e r a e n e l h i t o d e l o s 1 0 " ^ s e g u n d o s después d e l B i g Bang. Este hito es e l l l a m a d o t i e m p o d e Planck, e n h o n o r a M a x P l a n c k , e l físico alemán q u e f u e u n o d e l o s p i o n e r o s d e l a mecánica cuántica.

E n e s t e t i e m p o , l a energía d e l a s c o l i s i o n e s había a l c a n z a d o l o s 1 0 ' " * G e V , l a energía a p r o x i m a d a d e u n t r e n d e c a r g a l a n z a d o a 1 0 0 k m / h c o n c e n t r a d a e n partículas a i s l a d a s . E l m i s -

- Temperatura

10-" g

seg

Tiempo de Planck

1 0 " seg

Congelamiento de la fuerza fuerte

Era electrodébil

10-'° seg

Congelamiento de las fuerzas débil y electromagnética Era de los quarks

10-"

Congelamiento de los quarks en partículas

seg

Era de las partículas 3 min

Formación de los núcleos Era del plasma

500.000 años

Formación de los átomos Era de los átomos

10'° años

Presente Fig.

43

189

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

m o género d e a r g u m e n t o s q u e p r e d i j e r o n l a s d o s u n i f i c a c i o n e s a n t e r i o r e s n o s i n d i c a q u e e n e s t a c l a s e d e energías l a i n t e n s i d a d d e l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a pasaría a s e r c o m p a r a b l e a l a d e l a f u e r z a fuerte-electrodébil. S i l a n a t u r a l e z a s e c o m p o r t a d e l a f o r m a e s p e r a d a , éste sería e l b e m p o d e l a p r i m e r a c o n g e lación, e l tíempo e n q u e l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a s e separó d e l a s demás.

L a s d i f i c u l t a d e s p a r a p e n e f r a r más allá d e l tiempo d e Planck s o n prodigiosas, tal c o m o v e r e m o s c u a n d o discutamos l o s i n t e n t o s teóricos d e u n i f i c a r l a g r a v e d a d c o n l a s demás f u e r z a s e n e l capítulo 1 3 . S i n e m b a r g o , s i e s t o s i n t e n t o s t i e n e n éxito, l o s p r i m e r o s 1 0 ^ s e g u n d o s d e l a v i d a d e l U n i v e r s o h a brían s i d o u n período s e n c i l l o y b e l l o e n e x t r e m o . Habría r e a c c i o n e s q u e convertirían b o s o n e s e n f e r m i o n e s y v i c e v e r s a , p o r l o q u e habría u n s o l o t i p o d e partícula. L a unificación d e t o d a s l a s c u a t r o f u e r z a s dejaría sólo u n tipo básico d e interacción.

E l U n i v e r s o tendría, p o r t a n t o , l a s i m p l i c i d a d s u p r e m a : t o d a s l a s partículas serían d e l m i s m o tipo e interaccionarían e n f r e sí a fravés d e u n a s o l a c l a s e d e f u e r z a . P a r a e l físico, e s t a situación e s t a n b e l l a y e l e g a n t e e n sí q u e , s e n c i l l a m e n t e , l a i d e a tiene q u e s e r cierta. P o r supuesto, q u e d a p o r ver si l a naturaleza siente l o m i s m o .

E n cualquier caso, nuesfro c o n o c i m i e n t o actual del U n i v e r s o prímitivo s e r e s u m e e n l a f i g u r a 4 3 .

10.

Inflación Oh, por

si t u v i e r a encima

de

las alas los

de

muros

un de

esta

ángel, prisión

volaría.

CANCIÓN POPULAR D E L O S APALACHES

EL

E F E C T O T Ú N E L CUÁNTICO

El principal problema s i nresolver q u e encongamos e n e l capítulo 3 , c u a n d o i n t e n t a m o s r e c o n s t m i r l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o h a s t a e l m o m e n t o d e l a creación, f u e e l d e l r i t m o d e e x pansión d u r a n t e y j u s t o después d e l a e r a G U T . P a r a c o m prender l o q u eestamos debatiendo, t e n e m o s que c o n o c e r u n a d e l a s p r o p i e d a d e s más extrañas d e l a m a t e r i a q u e p r e d i c e l a mecánica cuántica: e l e f e c t o túnel.

Si lanzamos u n a canica dentro d e u n cuenco, tal c o m o se m u e s t r a e n l a f i g u r a 4 4 , p u e d e n s u c e d e r d o s cosas. S i l a c a n i c a tiene u n a v e l o c i d a d s u f i c i e n t e q u e l e p e r m i t a r e b a s a r e l b o r d e d e l c u e n c o , l o abandonará y seguirá s u c a m i n o . S i n o tiene s u f i c i e n t e energía p a r a h a c e r i o , quedará a t r a p a d a .

S i n o e x i s t i e r a r o z a m i e n t o , seguiría r o d a n d o a r r i b a y a b a j o e n el cuenco, t a lc o m o se indica a l a derecha.

F i g . 44

191

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

Fig.

45

P o d e m o s r e p r e s e n t a r e s t a situación u t i l i z a n d o a l g o q u e l o s físicos l l a m a n u n d i a g r a m a d e n i v e l d e energía. E n l a f i g u r a 4 5 se m u e s t r a e l d i a g r a m a e n e l caso d e l c u e n c o y l a canica. L a línea c u r v a , c u y a f o r m a e s n e c e s a r i a m e n t e l a m i s m a q u e l a d e l c u e n c o , r e p r e s e n t a l a energía q u e s e n e c e s i t a p a r a l l e v a r l a c a nica hasta ese p u n t o particular, e n contra d e l a fuerza que l a g r a v e d a d e j e r c e h a c i a a b a j o . L a energía d e l a c a n i c a s e r e p r e s e n t a c o n u n a línea r e c t a h o r i z o n t a l . E s t a línea e s l a energía total que c o m u n i c a m o s a l a canica c u a n d o l a p o n e m o s e n e l c u e n c o . S i c o n s i d e r a m o s s u m o v i m i e n t o d e vaivén, l a i n t e r s e c ción d e l a línea r e c t a c o n l a c u r v a e n l a f i g u r a 4 5 r e p r e s e n t a e l p u n t o más a l t o q u e a l c a n z a c a d a v e z l a c a n i c a . S i s u p o n e m o s l a a u s e n c i a d e r o z a m i e n t o , l a energía t o t a l d e l a c a n i c a n o c a m b i a e ns u m o v i m i e n t o ;esto e s l o q u e s e indica al represent a r l a energía p o r u n a línea r e c t a e n l a figura. L o q u e sí s u c e d e al r o d a r la canica arriba y abajo es q u e c a m b i a la f o r m a e n q u e s e m a n i f i e s t a l a energía. E n e l p u n t o más b a j o d e l c u e n c o , e s t a energía e s p o r c o m p l e t o energía d e m o v i m i e n t o , o energía c i nética, m i e n t r a s q u e e n e l p u n t o más a l t o d e s u t r a y e c t o r i a e s 192

INFLACIÓN

sólo energía d e posición, o energía p o t e n c i a l . E n l o s p u n t o s i n t e r m e d i o s h a y u n a m e z c l a d e e s t o s d o s t i p o s d e energía. E l h e c h o d e q u e l a c a n i c a esté a t r a p a d a e n e l c u e n c o p u e d e d e d u c i r s e d e l a f i g u r a a l o b s e r v a r q u e l a línea h o r i z o n t a l q u e r e p r e s e n t a l a energía d e l a c a n i c a está p o r d e b a j o d e l a energía necesaria para elevar l a canica hasta e l borde del cuenco.

E n nuesfra experiencia c o n los objetos familiares, es t o d o l o q u e podríamos d e c i r d e l a c a n i c a y e l c u e n c o . U n a v e z l a c a n i c a q u e d a a f r a p a d a , l o estará p a r a s i e m p r e . Podríamos s e ñalar q u e l a energía d e l a c a n i c a e s más a l t a q u e l a q u e tendría s i e s t u v i e r a e n r e p o s o e n c i m a d e l a m e s a d o n d e está e l c u e n c o , d e m a n e r a q u e s i l a c a n i c a p u d i e r a e s c a p a r , rodaría alejándose del cuenco. D e todos m o d o s , esto es irrelevante, m i e n tras l a canica siga confinada.

S i n e m b a r g o , s i c a m b i a m o s l a c a n i c a p o r u n electrón, n u e s b - o s c o n c e p t o s f a m i l i a r e s y a n o n o s s i r v e n d e guía. S i a l g o h a n a p r e n d i d o l o s físicos, e s q u e h a y u n a d i f e r e n c i a e n o r m e e n t r e e l c o m p o r t a m i e n t o d e u n o b j e t o macroscópico, c o m o u n a c a n i c a , y u n o microscópico, c o m o e l elecfrón. P a r a u n electrón, e l h e c h o d e q u e l a partícula t e n g a más energía q u e la necesaria p a r a estar e n c i m a d e l a m e s a e s e x t r e m a d a m e n t e s i g n i f i c a t i v o , y a q u e l a s l e y e s d e l a mecánica cuántica i n d i c a n q u e e x i s t e c i e r t a p r o b a b i l i d a d d e q u e e l elecfrón p u e d a e s c a par del cuenco.

Esta fuga n oes algo que p o d a m o s describir c o n facilidad.

P o r e j e m p l o , l a s l e y e s d e conservación d e l a energía excluirían u n a s e c u e n c i a d e a c o n t e c i m i e n t o s e n l o s q u e e l elecfrón r o d a ra lentamente p o r e l cuenco y pasara p o r encima del borde.

U n a i m a g e n más p r e c i s a d e l a predicción d e l a mecánica cuánüca sería p e n s a r q u e e l electrón s e f i l t r a o e s c a p a p o r u n túnel a través d e l a p a r e d d e l c u e n c o . U n a v e z f u e r a , s e e n confraría e n u n a z o n a d o n d e s u energía e s más a l t a q u e l a d e s u s a l r e d e d o r e s . E n e s t e p u n t o , e l elecfrón caería, c o n v i r t i e n d o s u energía p o t e n c i a l e n energía d e m o v i m i e n t o . E n t o n c e s r o daría y s e alejaría d e l c u e n c o .

P o r l o t a n t o , u n a partícula cuántica n o quedará c o n f i n a d a etemamente e nu n contenedor, sino que finalmente escapará 193

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d e él p o r e f e c t o túnel. S i quisiéramos s a b e r l o q u e tardaría e s t e p r o c e s o , tendríamos q u e u s a r l a formulación matemática d e l a mecánica cuántica p a r a o b t e n e r u n a r e s p u e s t a . S i sólo q u e r e m o s t e n e r u n a noción d e c ó m o l o p u e d e p r e d e c i r l a m e cánica cuántica, t o d o l o q u e n e c e s i t a m o s e s e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e , d i s c u t i d o e n e l capítulo 5 . R e c o r d e m o s q u e e s t e p r i n c i p i o e s t a b l e c e q u e s i A £ e s l a i n c e r t i d u m b r e e n l a energía d e u n a partícula y A t l a i n c e r t i d u m b r e e n e l tiempo e n q u e p o s e e e s t a energía, t e n e m o s : A£ • A t > h d o n d e

h

es la constante d e Planck.

E s t a relación i n d i c a q u e e s p o s i b l e q u e u n s i s t e m a cuántico v i o l e l a l e y e s t r i c t a d e conservación d e l a energía, s i e m p r e q u e s e r e s t a b l e z c a e l b a l a n c e d e energía e n u n i n t e r v a l o d e b e m p o más c o r t o q u e At. U n p r o c e s o así jamás podría d e t e c t a r s e d e m a n e r a directa, incluso n i e nprincipio, p o r lo que si ocurriera, n o s e violaría n i n g u n a l e y d e l a física. P o r l o q u e r e s p e c t a a l electrón e n e l c u e n c o , e s t o s i g n i f i c a q u e h a y c i e r t a p r o b a b i l i d a d d e q u e , d u r a n t e c o r t o s períodos d e tíempo, a d q u i e r a u n a energía a d i c i o n a l s u f i c i e n t e p a r a s i t u a r i o p o r e n c i m a d e l b o r d e . L a energía a d i c i o n a l está i n d i c a d a p o r A £ e n l a figura 4 5 .

D e a c u e r d o c o n n u e s t r a comprensión d e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e , r e c o r d e m o s q u e n o e s i m p o s i b l e q u e e l elecfrón t e n g a e s t a energía e x t r a , s i e m p r e q u e l a t e n g a d u r a n t e u n tiempo suficientemente corto. Puesto q u en o p o d e m o s descartar la p o s i b i l i d a d d e q u e s e v i o l e l a conservación d e l a energía e n e s t a e s c a l a d e fiempo, t e n e m o s q u e p r o c e d e r e n e l s u p u e s t o d e q u e e s t e p r o c e s o p u e d e o c u r r i r . S i e l elecfrón t i e n e u n a energía a d i c i o n a l A £ d u r a n t e u n tiempo A t y s i e s t e t i e m p o e s s u f i c i e n t e p a r a q u e e l electrón p a s e p o r e n c i m a d e l b o r d e d e l c u e n c o , c u a n d o e l elecfrón d e v u e l v a s u energía a d i c i o n a l y r e g r e s e a s u e s t a d o o r i g i n a l , estará f u e r a d e l c u e n c o . U n o b s e r v a d o r q u e c o n t e m p l e e l p r o c e s o verá e l elecfrón d e n f r o d e l c u e n c o y d e r e p e n t e , e n u n tiempo d e m a s i a d o c o r t o p a r a m e 194

INFLACIÓN

d i r l o , l o verá f u e r a . Parecerá c o m o s i e l electrón h u b i e r a p a s a d o p o r u n túnel a través d e l c u e n c o , l o q u e d a n o m b r e a l f e nómeno.

A p a r t i r d e e s t a discusión r e s u l t a e v i d e n t e q u e l a c a p a c i d a d d e u n a partícula p a r a p r e s e n t a r e l e f e c t o túnel d e p e n d e d e l a f o r m a e n q u e esté c o n f i n a d a . S i l a c a n t i d a d d e energía n e c e saria para pasar p o r e n c i m a e s m u y grande, e lt i e m p o d u r a n t e e l c u a l l a partícula p u e d e p o s e e r e s t a energía e s pequeño y l a p r o b a b i l i d a d d e q u e l a partícula p u e d a s a l i r e s r e d u c i d a . L a curva del cuenco o cualquier otro m e c a n i s m o restrictivo e n u n d i a g r a m a d e energía r e c i b e e l n o m b r e d e b a r r e r a d e p o t e n c i a l .

C u a n t o más a l t a e s l a b a r r e r a d e p o t e n c i a l m e n o s fácil e s q u e l a partícula e s c a p e . D e l m i s m o m o d o , u n p o t e n c i a l b a j o p e r o a m p l i o también h a c e más difícil e l e f e c t o h i n e l , y a q u e a u m e n t a l a d i s t a n c i a q u e d e b e r e c o r r e r l a partícula e n e l tiempo p e r mitido A i .

E x i s t e n e n l a n a t u r a l e z a m u c h o s e j e m p l o s d e l e f e c t o túnel cuántico. A l g u n o s t r a n s i s t o r e s , p o r e j e m p l o , u s a n e s t e e f e c t o para que los electrones se desplacen d e u n a parte del dispos i t i v o a l a o t r a . O t r o e j e m p l o , u n p o c o más fácil d e i m a g i n a r , e s l a desintegración d e a l g u n o s núcleos, c o m o e l d e l u r a n i o .

E s t o s núcleos s e d e s i n t e g r a n c o n l a emisión d e u n a partícula constituida p o r dos p r o t o n e s y dos neutrones. Este conjunto, c o n o c i d o c o m o partícula a l f a , e s e n r e a l i d a d e l núcleo d e u n átomo d e h e l i o c o r r i e n t e . P o d e m o s i m a g i n a r e l p r o c e s o d e d e sintegración t a l c o m o s e m u e s t r a e n l a figura 4 6 : l a partícula a l f a s e e n c u e n t r a a t r a p a d a e n e l núcleo y r e t e n i d a allí p o r l a f u e r z a f u e r t e . P a r a e s c a p a r d e l u r a n i o , s u energía tendría q u e

^ r r e r a de potencial Energía de la partícula a

Fíg.

46

195

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

s e r más a l t a q u e l a b a r r e r a c r e a d a p o r d i c h a f u e r z a . L a a n a l o gía c o n e l c u e n c o y l a c a n i c a r e s u l t a e v i d e n t e .

L o q u e s u c e d e e n e l núcleo d e u r a n i o e s q u e l a partícula a l f a escapará f i n a l m e n t e p o r e f e c t o tónel, y convertirá s u e n e r gía p o t e n c i a l e n energía d e m o v i m i e n t o u n a v e z l o h a y a h e c h o . U n o b s e r v a d o r q u e v i g i l a r a e l núcleo vería u n a d e s i n t e g r a ción espontánea: e l núcleo d e u r a n i o emitiría d e r e p e n t e u n a partícula a l f a e n rápido m o v i m i e n t o y s e convertiría, e n e l p r o c e s o , e n u n núcleo d e t o r i o . E n e l c a s o d e l u r a n i o , l a c a n t i d a d d e energía n e c e s a r i a p a r a s u p e r a r l a b a r r e r a e s t a n a l t a y e s t a barrera es tan amplia, q u eresulta m u y poco probable q u e o c u r r a e l e f e c t o túnel. Ésta e s l a razón d e q u e l a v i d a m e d i a d e l núcleo d e u r a n i o s e a d e v a r i o s m i l e s d e m i l l o n e s d e años.

O t r o s núcleos tienen b a r r e r a s más b a j a s y p o r c o n s i g u i e n t e tiempos d e v i d a más c o r t o s . Añadiremos d e p a s a d a q u e e l e f e c t o túnel d e partículas a l f a e s sólo u n a d e l a s m u c h a s f o r m a s e n q u e p u e d e o c u r r i r l a desintegración r a d i a c t i v a . O t i - a s f o r m a s s o n p a r e c i d a s a l a desintegración d e l protón d i s c u t i d a e n e l capítulo 8 , q u e s e p r o d u c e a ti-avés d e l i n t e r c a m b i o d e partículas v i r t u a l e s .

A u n q u e h e m o s e m p e z a d o n u e s t r a discusión s o b r e e l e f e c t o túnel c o n e l e j e m p l o mecánico d e l c u e n c o y d e l a c a n i c a , d o n d e l a energía p o t e n c i a l a s o c i a d a c o n l a b a r r e r a e r a e s t r i c t a m e n t e g r a v i t a t o r i a , e s o b v i o q u e e l e f e c t o hínel será u b i c u o a n i v e l cuántico y q u e l o s a r g u m e n t o s b a s a d o s e n e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e p u e d e n a p l i c a r s e a c u a l q u i e r s i s t e m a cuántic o . E n l a desintegración a l f a d e l u r a n i o , p o r e j e m p l o , l a b a r r e r a d e p o t e n c i a l q u e tiene q u e s u p e r a r l a partícula p a r a e s c a p a r d e l núcleo e s p r o d u c i d a p o r l a f u e r z a f u e r t e y n o p o r l a g r a v e d a d . E n e l c a s o d e l h - a n s i s t o r , l a s f u e r z a s eléctricas d e l o s átomos d e l m a t e r i a l s o n l a s q u e p r o d u c e n l a b a r r e r a q u e tien e n q u e a t i - a v e s a r l o s e l e c t i - o n e s p o r e f e c t o túnel. A n i v e l d e los q u a r k s , s o n las f u e r z a s enh-e c a r g a s d e coloj- las q u e p r o d u c e n u n a barrera d epotencial q u e i m p i d e a los quarks aband o n a r l a s partículas e l e m e n t a l e s . E n e s t e c a s o , s i n e m b a r g o , l a b a r r e r a tiene u n a a l t u r a i n f i n i t a , p o r l o q u e l o s q u a r k s n o p u e den escapar nunca.

196

INFLACIÓN

E L F A L S O VACÍO El segundo concepto importante que tenemos que domin a r a n t e s d e d i s c u t i r e l ritmo d e expansión d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o e s e l d e l f a l s o vacío. I g u a l q u e b u e n a p a r t e d e l a física q u e g o b i e r n a l o s p r i m e r o s 1 0 ^ * s e g u n d o s d e l U n i v e r s o , ésta e s u n a i d e a m u y a b s t r a c t a q u e s e c o m p r e n d e m e j o r e n términos d e u n a analogía c o n s i s t e m a s más s i m p l e s y f a m i l i a r e s . L a analogía q u e u t i l i z a r e m o s aquí será l a d e l imán d e h i e r r o c o rriente.

T o d o átomo d e h i e r r o p u e d e c o n s i d e r a r s e c o m o u n d i m i n u t o imán c o n u n p o l o n o r t e y u n p o l o s u r . E l c a m p o magnético d e u n f r a g m e n t o c o r r i e n t e d e h i e r r o m a g n e t i z a d o , c o m o el q u e se usa p a r a sujetar notas e nl a p u e r t a d e l a n e v e r a o e l q u e f o r m a l a a g u j a d e u n a brújula, e s s i m p l e m e n t e l a s u m a t o t a l d e l o s c a m p o s magnéticos a s o c i a d o s c o n c a d a átomo d e h i e r r o . U n e f e c t o a g r a n e s c a l a c o m o éste sólo e s p o s i b l e s i u n g r a n número d e átomos están a l i n e a d o s d e f o r m a q u e s u s p o l o s n o r t e estén e n l a m i s m a dirección. C u a n d o s u c e d e e s t o , d e c i m o s q u e h a y u n a magnetización n e t a d e l h i e r r o .

Si c o n s i d e r a m o s a h o r a u n a pieza d eh i e r r o q u e h asido cal e n t a d a y n o s p r e g u n t a m o s qué a s p e c t o tiene l a energía d e l s i s t e m a , o b t e n d r e m o s u n gráfico c o m o e l d e l a figura 4 7 . A c a u s a d e l c a l e n t a m i e n t o , t o d a alineación d e l o s i m a n e s atómic o s quedará d e s t i x i i d a . L o s i m a n e s atómicos apuntarán h a c i a d i r e c c i o n e s a l a z a r y n o habrá u n a magnetización n e t a . E s t a s i tuación s e m a n i f i e s t a e n e l gráfico p o r e l h e c h o d e q u e l a energía mínima p a r a e l s i s t e m a — a q u e l l a h a c i a l a c u a l l a s l e y e s d e l a física n o s d i c e n q u e e l s i s t e m a evolucionará— e s e l e s t a d o d e magnetización n e t a c e r o . S i q u e r e m o s d a r u n a m a g netización a l s i s t e m a t e n e m o s q u e a c t u a r d e s d e e l e x t e r i o r y a l i n e a r a l g u n o s d e l o s i m a n e s atómicos. A l l l e v a r a c a b o e s t a t a r e a , e s t a r e m o s añadiendo n e c e s a r i a m e n t e l a energía i n d i s p e n s a b l e p a r a crear las a l i n e a c i o n e s , p o r l o q u e e l h i e r r o c a l i e n t e c o n u n a magnetización n e t a d e b e t e n e r n e c e s a r i a m e n t e u n a energía t o t a l más a l t a q u e c o n l o s átomos o r i e n t a d o s a l 197

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Energía

Energía

\ Magnetización Fig.

47

a z a r . L o s físicos r e p r e s e n t a n e l h i e r r o c o n u n a c u r v a d e e n e r gía c o m o l a d e l a f i g u r a 4 7 , e x a c t a m e n t e d e l a m i s m a m a n e r a q u e l a c a n i c a e n e l c u e n c o ; l a única d i f e r e n c i a e s e l s i g n i f i c a d o q u e a t r i b u i m o s a l a c u r v a d e energía p o t e n c i a l . E n e l e j e m p l o d e l a c a n i c a , l a c u r v a r e p r e s e n t a b a l a energía q u e había q u e suministrar para superar l a fuerza d e gravedad a lobjeto d e sibiar la canica e n u n p u n t o determinado.

S u p o n g a m o s a h o r a q u e d i s m i n u i m o s l a energía d e l h i e r r o d e j a n d o q u e s e enfríe. A l a t e m p e r a t u r a d e u n o s 8 0 0 °C ( c o n o c i d a c o m o t e m p e r a t u r a d e C u r i e ) , l a c u r v a d e energía e x p e rimentará u n a súbita transformación. Pasará d e s e r u n a c u r v a cóncava c o m o l a d e l a i z q u i e r d a d e l a f i g u r a 4 7 , a t e n e r u n a f o r m a más i r r e g u l a r c o m o l a d e l a d e r e c h a . E n e s t e c a s o , e l e s t a d o d e mínima energía n o c o r r e s p o n d e a u n a magnetización cero, s i n o a d e t e r m i n a d o v a l o r distinto d ecero. E l p r o c e s o responsable del cambio d e l acurva d e potencial es simple: a la t e m p e r a t u r a d e C u r i e , l a interacción e n t i - e l o s átomos e s d e t a l especie q u eellos m i s m o s tienden a alinearse, proceso q u e p r o d u c e u n c a m p o magnético. N o s e n e c e s i t a n i n g u n a i n t e r vención d e s d e f u e r a p a r a c o n s e g u i r e s t a alineación; s e p r o d u c e espontáneamente c u a n d o l a t e m p e r a t u r a e s l a c o r r e c t a . L a ti-ansición d e s d e u n a colección d e s o r d e n a d a d e átomos a l c o n j u n t o d e átomos a l i n e a d o s q u e c o n s t i t u y e u n imán e s l o q u e h e m o s l l a m a d o u n a fransición d e f a s e d e s e g u n d a e s p e c i e . N o h a y u n c a m b i o g l o b a l d e l a energía d e l s i s t e m a e n e l p r o c e s o .

198

INFLACIÓN

s i n o e l e s t a b l e c i m i e n t o d e u n o r d e n e n t r e l o s átomos, c o n l a c o n s i g u i e n t e redistribución d e energía e n t r e éstos y e l c a m p o magnético.

C a b e señalar d e p a s a d a q u e e s t e análisis d e l a formación d e u n imán n o s p r o p o r c i o n a o f r a m a n e r a d e c o n s i d e r a r e l p r o c e s o d e r o t u r a espontánea d e l a simefría d i s c u t i d o e n l o s c a pítulos 6 y 7 . P o r e n c i m a d e l a t e m p e r a t u r a d e C u r i e e x i s t e e n e l s i s t e m a u n a l t o g r a d o d e simefría. T o d a s l a s d i r e c c i o n e s s o n i g u a l e s , e n e l s e n t i d o d e q u e e n c u a l q u i e r dirección q u e m i r e m o s , n o v e m o s n i n g u n a magnetización n e t a . P o r d e b a j o d e l a t e m p e r a t u r a d e C u r i e h a y u n a dirección p r i v i l e g i a d a d e l e s p a c i o : l a dirección d e f i n i d a p o r l o s p o l o s n o r t e y s u r d e l imán. A l a t e m p e r a t u r a d e C u r i e s e r o m p e l a simefría s i n n i n g u n a i n terferencia d e agentes exteriores, hecho q u e explica e l u s o d e la p a l a b r a

espontánea.

A u n q u e l o s físicos n o s u e l e n u s a r e s t e tipo d e l e n g u a j e , h a y ofra m a n e r a d e describir e l estado m a g n e t i z a d o del hierro.

S i n o s dejáramos g u i a r p o r n u e s f r a intuición s o b r e e l c o m p o r tamiento del hierro p o r encima d e la temperatura d e Curie, deberíamos i n s i s t i r e n q u e e l v e r d a d e r o e s t a d o f u n d a m e n t a l d e l h i e r r o tiene q u e s e r e l a s o c i a d o c o n u n a magnetización c e r o . S i éste f u e r a e l c a s o , diríamos q u e p o r d e b a j o d e l a t e m peratura d e C u r i e e l hierro c a e e n u n falso estado f u n d a m e n t a l , u n e s t a d o d e energía mínima, s i n d u d a , p e r o u n e s t a d o q u e n o c u m p l e e l r e q u i s i t o i n t u i t i v o d e magnetización c e r o .

E s t a f o r m a d e c o n s i d e r a d o e s i m p o r t a n t e a l fratar d e l U n i v e r s o primitivo.

P a r a h a c e r l a fransición d e u n imán a l U n i v e r s o d u r a n t e l a e r a G U T , t e n e m o s q u e r e e m p l a z a r e l c a m p o magnético f a m i l i a r p o r o f r o m e n o s c o n o c i d o . E s t e c a m p o magnético, l l a m a d o c a m p o d e H i g g s e n h o n o r a s u c r e a d o r , e l físico británico P e ter Higgs, tiene l a propiedad d e desaparecer a temperaturas m u y a l t a s , c u a n d o s e u n i f i c a n l a s f u e r z a s f u e r t e y elecfrodébil.

P o r d e b a j o d e l a t e m p e r a t u r a análoga a l a t e m p e r a t u r a d e C u rie ( u n a t e m p e r a t u r a a l c a n z a d a p o r e l U n i v e r s o a l o s 10~^* s e gundos), se establece e ne lUniverso u n c a m p o d e Higgs neto y s e r o m p e l a simefría. L a c u r v a d e energía d e l U n i v e r s o e n 199

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

función d e l c a m p o d e H i g g s s e m u e s t r a a l a i z q u i e r d a d e l a f i g u r a 4 8 p a r a t e m p e r a t u r a s características d e t i e m p o s a n t e r i o res a l o s 10"^* segundos, y es parecida a l a curva correspondiente para e l hierro p o rencima d e latemperatura d e Curie.

A temperaturas elevadas esperamos q u ee l Universo tenga u n c a m p o d e Higgs neto cero, igual q u eesperamos q u ee l hierro a t e m p e r a t u r a s e l e v a d a s t e n g a u n a magnetización n e t a c e r o .

A l e x p a n d i r s e , e l U n i v e r s o s e enfría, y p o r d e b a j o d e u n a t e m p e r a t u r a críbca l a c u r v a d e energía s e c o n v i e r t e e n l a q u e s e m u e s t r a a l a d e r e c h a d e l a f i g u r a 4 8 . E s l a análoga a l a c u r v a para e l h i e r r o p o r d e b a j o d e l a t e m p e r a t u r a d e C u r i e . E l estad o d e energía mínima d e l U n i v e r s o n o c o r r e s p o n d e a u n v a l o r c e r o d e l c a m p o d e H i g g s , t a l c o m o sería p a r a t e m p e r a t u r a s más a l t a s , s i n o a u n d e t e r m i n a d o v a l o r d i s b n t o d e c e r o . D e l m i s m o m o d o q u e e n e l h i e r r o a p a r e c e espontáneamente u n c a m p o magnético, e n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o apareció espontán e a m e n t e u n c a m p o d e Higgs. E lU n i v e r s o entra e ne l estado i n d i c a d o p o r e l p u n t o m a r c a d o A e n l a figura 4 8 , u n e s t a d o q u e l o s físicos l l a m a n f a l s o vacío. E l n o m b r e s e d e b e a q u e n o e s e l e s t a d o d e energía más b a j o q u e podría t e n e r e l s i s t e m a .

E s a distinción p e r t e n e c e a l v a l l e más b a j o , m a r c a d o B . E l U n i v e r s o , i g u a l q u e l a c a n i c a e n e l c u e n c o , está a t i - a p a d o e n u n p o z o d e p o t e n c i a l e n A , d e l c u a l , según l a física clásica, n o p u e d e e s c a p a r h a c i a u n n i v e l d e m e n o r energía, d e l m i s m o m o d o q u e según l a física clásica l a c a n i c a n o p u e d e a l c a n z a r la m e s a e n n u e s t r o e j e m p l o inicial.

E n e l f a l s o vacío, l a m a y o r p a r t e d e l a energía d e l U n i v e r s o está i n m o v i l i z a d a e n e l c a m p o d e H i g g s y m u y p o c a a p a r e c e c o m o m a t e r i a e n e l s e n t i d o o r d i n a r i o . E s t o e s análogo a l a conversión d e u n a p a r t e d e l a energía d e l o s átomos d e h i e r r o e n energía d e l c a m p o magnético e n u n imán.

EL M O D E L O INFLACIONARIO E l e f e c t o túnel cuántico y e l f a l s o vacío s e c o m b i n a n p a r a d a r l u g a r a a l g u n a s d e l a s teorías más i n t e r e s a n t e s d e h o y s o 200

INFLACIÓN

Energía

Fig.

48

b r e e l U n i v e r s o p r i m i t i v o . E s t a s teorías r e c i b e n e l n o m b r e g e nérico d e teorías d e l U n i v e r s o i n f l a c i o n a r i o . S u i d e a básica e s q u e e l U n i v e r s o e n f r a e n u n e s t a d o d e f a l s o vacío c o m o e l q u e a c a b a m o s d e discutír m u y p o c o después d e l B i g B a n g y d e s pués e s c a p a d e él p o r e f e c t o túnel. ( E s t o p u e d e i m a g i n a r s e c o m o u n p r o c e s o p o r e l q u e l a s partículas d e l U n i v e r s o e s c a p a n u n a a u n a p o r e f e c t o túnel.) R e s u l t a q u e c u a n d o e l U n i v e r s o está e n e l f a l s o vacío, s e e x p a n d e ( s u f r e u n a inflación) c o n m u c h a más r a p i d e z d e l o q u e cabría e s p e r a r , q u e e s d e d o n d e s u r g e e l n o m b r e d e l a teoría.

El h e c h o d e si e l U n i v e r s o llega a entrar e n u n estado d e f a l s o vacío d e p e n d e d e s i a p a r e c e e l típo p e c u l i a r d e p o z o ejemplarizado por e l p u n t o A d e la figura 4 8 e n la curva d e energía p o t e n c i a l . L a r e s p u e s t a a e s t a cuestíón d e p e n d e d e l o s d e t a l l e s d e l a s hipótesis q u e l o s teóricos e s t a b l e c e n s o b r e l a s i n t e r a c c i o n e s e n e l U n i v e r s o e n f r e e l tíempo d e P l a n c k y l a congelación G U T . P u e s t o q u e n o h a y m a n e r a d e m e d i r e s a s i n t e r a c c i o n e s a t a n a l t a s energías, n o e x i s t e n i n g u n a r e s p u e s t a " c o r r e c t a " d e l o s e x p e r i m e n t o s . P e r o , s i e m p r e q u e u n teórico n o c o m e t a algún e r r o r e x t r a o r d i n a r i o , c o m o p o r e j e m p l o , p r o d u c i r u n a teoría q u e v i o l e l a simetría g a u g e básica, tíene l i b e r t a d p a r a c a m b i a r l o s parámefros d e s u p o t e n c i a l a v o l u n t a d .

Sería c o m o s i l o s teóricos q u e fratasen d e e x p l i c a r e l o r i g e n d e l o s i m a n e s n o p u d i e r a n v e r jamás ningún átomo d e h i e r r o n i ningún imán, y p u d i e r a n e s c o g e r , p o r t a n t o , c u a l q u i e r v a l o r 201

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

q u e q u i s i e r a n p a r a d e s c r i b i r l a s i n t e r a c c i o n e s e n t r e l o s átomos.

Esta escasez d e restricciones significa que d e b e m o s c o m p a r a r l a s teorías p o r s u c a p a c i d a d p a r a p r o d u c i r r e s u l t a d o s s a t i s f a c torios y para evitar conh-adicciones con hechos conocidos del U n i v e r s o . P a r e c e s e r q u e l a s teorías q u e p r e d i c e n l a p r e s e n c i a d e f a l s o s vacíos s a t i s f a c e n e s t e c r i t e r i o .

E n e s t a s teorías, e l U n i v e r s o e n t i - a r e a l m e n t e e n e l e s t a d o d e f a l s o vacío. L a m a y o r p a r t e d e l a energía s e d e s t i n a a l a creación d e l c a m p o d e H i g g s . L a s e c u a c i o n e s d e l a r e l a t i v i d a d general, c u a n d o se aplican a u n sistema d e este tipo, predicen u n c o m p o r t a m i e n t o b a s t a n t e extraño. E n l u g a r d e l tipo d e e x pansión n o r m a l d e l U n i v e r s o , e n e l q u e e l r a d i o a u m e n t a d e u n a f o r m a b a s t a n t e p a u s a d a a l c o r r e r d e l tiempo, l a expansión será m u c h o más rápida. D e h e c h o , l a teoría p r e d i c e q u e e l r a d i o d e c u r v a t u r a d e l U n i v e r s o aumentará e x p o n e n c i a l m e n t e .

L a diferencia entre e la u m e n t o n o r m a l y e lexponencial es sorp r e n d e n t e . S i l a expansión d e l U n i v e r s o f u e r a n o r m a l ( e s d e cir, s i e s t u v i e r a g o b e m a d a p o r las m i s m a s e c u a c i o n e s d u r a n t e l a congelación G U T q u e d u r a n t e e l tiempo p o s t e r i o r ) , cabría e s p e r a r u n a u m e n t o d e s u tamaño d e o c h o v e c e s d u r a n t e e l tiempo e n que e l U n i v e r s o se encuenh-a e n e l estado d e falso vacío. E n c a m b i o , n o s e n f r e n t a m o s c o n u n a situación e n l a q u e e l U n i v e r s o d o b l a s u tamaño c a s i s e t e n t a v e c e s e n u n i n t e r v a l o d e sólo u n o s 1 0 ~ ^ * s e g u n d o s . E s t a hiperexpansión e s l a q u e l l a m a m o s inflación d e l U n i v e r s o . L a s teorías q u e p r e d i c e n e s t e tipo d e expansión rápida s e l l a m a n i n f l a c i o n a r i a s .

D e l m i s m o m o d o que u n a canica ordinaria n o puede escap a r jamás d e u n c u e n c o o r d i n a r i o , e l U n i v e r s o n o podría a b a n d o n a r n u n c a e l e s t a d o d e f a l s o vacío s i o b e d e c i e r a l a s l e y e s d e l a física clásica. S a b e m o s , s i n e m b a r g o , q u e u n a c a n i c a mecanicocuántica podría e s c a p a r p o r e f e c t o túnel f u e r a d e l cuenco y ,exactamente d elamisma manera, imaginamos que el Universo experimenta e l m i s m o efecto, que l o lleva fuera d e l e s t a d o d e f a l s o vacío. A l h a c e r i o , s e e n c u e n b - a e n u n a situación e n l a q u e s u energía e s más a l t a q u e l a c u r v a d e energía p o t e n c i a l . I g u a l q u e l a c a n i c a convertía s u e x c e s o d e energía e n o t r a f o r m a , también s e c o n v i e r t e e s t e e x c e s o d e 202

INFLACIÓN

energía d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o . L a única d i f e r e n c i a e n t r e e l U n i v e r s o y l a canica es q u e e lp r i m e r o convierte s uexceso d e energía e n m a s a e n l u g a r d e energía d e m o v i m i e n t o . D e h e cho, e n los m o d e l o s inflacionarios l a m a y o r parte d e l a m a s a s e c r e a c u a n d o l a energía d e l c a m p o d e H i g g s s e " v u e l c a " d e s pués q u e e l U n i v e r s o e s c a p e d e l f a l s o vacío.

A u n q u e e s t e m o d e l o e s m u y d i s t i n t o d e l a expansión s u a v e y u n i f o r m e d e l a i m a g e n n o r m a l del Big Bang, n odeja d e ser r a z o n a b l e . Después d e t o d o , h e m o s v i s t o u n a congelación t r a s o t r a e n l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o , y cabría e s p e r a r q u e p o r l o m e n o s u n a d e e l l a s t u v i e r a u n e f e c t o e n l a expansión g l o b a l .

E s t o e s e s p e c i a l m e n t e c i e r t o e n e l período p r i m i t i v o q u e d i s c u t i m o s aquí, e n e l q u e l a a l t a d e n s i d a d d e m a t e r i a y l a a l t a t e m p e r a t u r a producirían e f e c t o s q u e y a n o o b s e r v a m o s e n n u e s t r a e r a a c t u a l , fría y d i l u i d a .

P o r l o tanto, desde nuesti-o p u n t o d e vista, e l m o d e l o i n f l a c i o n a r i o tiene d o s c o n s e c u e n c i a s i m p o r t a n t e s p a r a n u e s t r a i m a g e n d e l U n i v e r s o e n t r e e l tiempo d e P l a n c k y l a c o n g e l a ción G U T . P r i m e r o , i m p l i c a q u e e l U n i v e r s o e n e l tiempo d e P l a n c k e r a m u c h o más pequeño d e l o q u e hubiéramos p e n s a d o a l e x t i - a p o l a r s i m p l e m e n t e h a c i a a f r a s l a expansión u n i v e r s a l o b s e r v a d a . S i n o f u e r a así, e n t o n c e s l a inflación h u b i e r a creado u n universo m u c h o m a y o r que e l q u ecreemos q u e existía a l o s 1 0 " ^ * s e g u n d o s .

S e g u n d o , e l p r o c e s o cuántico d e l e f e c t o túnel y l a s u b s i g u i e n t e creación d e m a t e r i a , c o n s i d e r a d o a c t u a l m e n t e c o m o u n " v o l c a d o " d e energía c u a n d o e l s i s t e m a e m e r g e d e l a b a r r e r a d e p o t e n c i a l , n o s p r o p o r c i o n a u n a h e r r a m i e n t a teórica p a r a fratar l a cuestión d e l a c a n t i d a d d e m a t e r i a d e l U n i v e r s o .

I g u a l q u e p o d e m o s c a l c u l a r l a energía p o t e n c i a l q u e u n a c a n i c a convertirá e n energía d e m o v i m i e n t o c u a n d o e s c a p a p o r e f e c t o túnel a fravés d e l c u e n c o , p o d e m o s también c a l c u l a r l a c a n t i d a d d e energía q u e s e c o n v i e r t e e n m a s a c u a n d o e l U n i v e r s o a b a n d o n a e l f a l s o vacío. Ésta e s l a p r i m e r a indicación d e q u e podríamos s e r c a p a c e s d e u s a r l a s teorías d e l a g r a n u n i ficación p a r a t r a t a r c u e s t i o n e s v e r d a d e r a m e n t e f u n d a m e n t a l e s de la estructura del Universo.

203

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

EL N U E V O M O D E L O INFLACIONARIO L o q u e h e m o s d e s c r i t o h a s t a a h o r a e s u n a teoría d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o e n e l q u e s e p r o d u c e l a inflación a c a u s a d e l a p r e s e n c i a d e u n f a l s o vacío y d e l e f e c t o túnel. E n e s t a s teorías, l a inflación d e l U n i v e r s o o c u r r e d u r a n t e l a e t a p a d e f a l s o v a cío. C o m o cabría e s p e r a r , s i n e m b a r g o , ésta n o e s l a única teoría q u e e x a m i n a n l o s físicos i n t e r e s a d o s e n c o m p r e n d e r l a congelación G U T . A f i n a l e s d e 1 9 8 2 , A l a n G u t h , d e l M I T , e l creador del m o d e l o original inflacionario, propuso una imagen a l t e r n a t i v a d e l p r o c e s o , q u e s e tituló " n u e v o m o d e l o i n f l a c i o nario".

El n u e v o m o d e l o inflacionario difiere d e l o q u eh e m o s discutido hasta ahora e n d o s puntos importantes. Primero, a u n q u e h a y a u n f a l s o vacío, desempeña u n p a p e l m u c h o m e n o s c r u c i a l e n e l n u e v o m o d e l o i n f l a c i o n a r i o q u e e n l a v i e j a teoría.

Segundo, e ne l n u e v o m o d e l o inflacionario, e l Universo entero se congela e n u nsolo d o m i n i o , por l oq u en oes necesario q u e s e f o r m e l a e s t r u c t u r a g m m o s a d e l a figura 4 0 . V a m o s a considerar estos d o s puntos p o r separado.

E l tipo d e e s t r u c t u r a e n v a l l e s y montañas d e l a c u r v a d e energía d e l a f i g u r a 4 8 g a r a n t i z a q u e e l U n i v e r s o permanecerá e n e l f a l s o vacío d u r a n t e algún tiempo. E n e l n u e v o m o d e l o inflacionario, se c a m b i a n las interacciones q u ese postulan e n t r e l a s partículas, d e f o r m a q u e l a c u r v a d e energía tiene u n a s p e c t o más p a r e c i d o a l q u e s e m u e s t r a e n l a figura 4 9 . U n p e queño v a l l e c e r c a d e l c e r o s e c o m b i n a c o n u n a p e n d i e n t e m u y l a r g a q u e c a e l e n t a m e n t e h a c i a u n mínimo. E n e s t e c a s o , l a s partículas e s c a p a n c o n m u c h a r a p i d e z p o r e f e c t o túnel d e l s o m e r o f a l s o vacío, p e r o l u e g o c o n v i e r t e n l e n t a m e n t e s u energía e n masa a l "ir r o d a n d o cuesta abajo p o r la colina d e l a energía". R e s u l t a q u e l a s c o n d i c i o n e s d u r a n t e e s t e l e n t o p r o c e s o s o n t a l e s q u e s e p r o d u c e u n a rápida inflación, i g u a l q u e e n e l modelo viejo.

U n o d e l o s p r o b l e m a s d e l a i d e a d e u n a congelación d e l U n i v e r s o e n d o m i n i o s s e p a r a d o s e s q u e l a mayoría d e v e r s i o 204

INFLACIÓN

Campo de Higgs Fig.

49

n e s d e l a teoría p r e d i c e n e n t o n c e s l a creación d e m u c h o s m o n o p o l o s magnéticos. E n r e a l i d a d , a l g u n a s p r e d i c e n q u e t e n dría q u e h a b e r t a n t o s m o n o p o l o s c o m o p r o t o n e s e n e l U n i v e r s o . E n e l capítulo 1 2 d i s c u t i r e m o s c o n d e t a l l e l a búsqueda d e m o n o p o l o s , p e r o s a b e m o s q u e s i están p r e s e n t e s e n e l U n i v e r s o d e h o y , n o l o están e n g r a n número. E n e l n u e v o m o d e l o inflacionario, las interacciones q u econducen a l a curva d e energía d e l a f i g u r a 4 9 p r e d i c e n también u n p r o c e s o d e c o n gelación m u c h o más s u a v e y p o r l o t a n t o m e n o s d e f e c t o s d e t o d o tipo, incluidos los m o n o p o l o s .

C o m o y a d i j i m o s a l p r i n c i p i o d e e s t a discusión, l o s d e t a l l e s d e c ó m o ocurrió l a congelación G U T s o n todavía u n t e m a d e v i v o d e b a t e e n f r e l o s científicos. E s p e r o q u e e s t a b r e v e c o m paración d e d o s teorías d i s t i n t a s dará a l g u n a i d e a d e c ó m o s e l l e v a a c a b o e s t e d e b a t e y d e qué tipos d e c a m b i o s p u e d e n s u f r i r n u e s t r a s teorías c o n e l d e s a r r o l l o d e n u e v a s i d e a s .

205

11.

Resolviendo los problemas del Big Bang

Todo es para el bien en el mejor de los mundos

posibles.

VOLTAIRE

Cándido E n e l capítulo 3 d e s c r i b i m o s l a s c u a t r o d i f i c u l t a d e s básicas del m o d e l o n o r m a l d e lB i gBang. A m e n o s q u erecurramos a hipótesis a r b i t r a r i a s , e s i m p o s i b l e e x p l i c a r : 1 ) l a a u s e n c i a d e a n t i m a t e r i a e n e l U n i v e r s o , 2 ) l a formación d e g a l a x i a s , 3 ) l a n a t u r a l e z a isótropa d e l a radiación d e f o n d o cósmica y 4 ) p o r qué e l U n i v e r s o está t a n c e r c a d e s e r c e r r a d o . Señalamos e n tonces q u e nada e nnuestro c o n o c i m i e n t o d e lasleyes d e l a física q u e habían o p e r a d o e n e l U n i v e r s o d e s d e q u e tenía 1 m i l i s e g u n d o d e e d a d podía d a m o s u n a explicación d e e s t o s fenómenos. Señalamos también q u e c u a l q u i e r explicación t e n dría q u e i m p l i c a r u n o s p r o c e s o s físicos q u e t u v i e r o n l u g a r e n el transcurso d e este crucial p r i m e r m i l i s e g u n d o .

A h o r a y a h e m o s estudiado la historia del Universo l o mejor q u e p o d e m o s h a s t a e l b e m p o d e P l a n c k . S a b e m o s muchísimo más d e s u evolución q u e h a c e u n a década. Y a e s h o r a d e v o l ver a examinar esos cuatro problemas a l aluz d e nuestros c o nocimientos nuevos.

EL

P R O B L E M A D E L A ANTIMATERIA

A l p r i n c i p i o d e l a e r a d e l a s partículas, y a había u n a p r e ponderancia d e materia sobre anbmateria e ne lUniverso. Este 207

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

desequilibrio n o e r aentonces tan sorprendente c o m o l o es a h o r a . E n lugar d e l a actual ausencia ( o casi ausencia) d e a n t i m a t e r i a , a 1 m i l i s e g u n d o había a p r o x i m a d a m e n t e m i l m i l l o n e s y u n p r o t o n e s p o r c a d a m i l m i l l o n e s d e antíprotones. U n o b s e r v a d o r q u e v i v i e r a e n a q u e l t i e m p o n o s e habría s o r p r e n d i d o t a n t o p o r e s t a asimetría f u n d a m e n t a l c o m o n o s s o r p r e n d e m o s h o y , p e r o e l protón d e más p o r c a d a m i l m i l l o n e s d e p a r e s d e p r o t o n e s y a n b p r o t o n e s es e l r e s p o n s a b l e d e t o d o s l o s o b j e t o s materiales que v e m o s e n e l Universo. El problema que debem o s a f r o n t a r es, p o r t a n t o , c o m p r e n d e r cómo p u d o h a b e r s u r g i d o este l i g e r o d e s e q u i l i b r i o d u r a n t e las c o n g e l a c i o n e s s u c e s i v a s d e l U n i v e r s o a n t e r i o r e s a l a e r a d e l a s partículas.

Si empezamos con u n universo e n que materia y antimateria aparecen e n cantidades iguales, h a y algunos principios f u n d a m e n t a l e s d e l a física q u e p a r e c e n i n d i c a r q u e n u n c a p o d r e m o s generar u nexceso d e materia o d e antimateria. Virt u a l m e n t e t o d a s l a s r e a c c i o n e s d e partículas q u e p o d e m o s o b s e r v a r e n e l l a b o r a t o r i o s o n simétricas e n t r e m a t e r i a y a n t i m a t e r i a . E s d e c i r , s i u n a reacción p r o d u c e u n protón a d i c i o n a l , producirá también u n antiprotón a d i c i o n a l , d e m o d o q u e e l número bariónico n e t o ( p r o t o n e s m e n o s a n t i p r o t o n e s ) d e l U n i verso p e r m a n e c e constante. S i este h e c h o fuera u n i v e r s a l m e n t e c i e r t o , e n t o n c e s l a única m a n e r a d e p r o d u c i r e l U n i v e r s o q u e v e m o s hubiera sido que e ne lBig Bang se hubiera creado una cantidad p r e p o n d e r a n t e d e materia. S i n e m b a r g o , d al a casualidad que l aG U T , asociada con algunos tirabajos experimental e s m u y p r e c i s o s , n o s m u e s t r a cómo s o l u c i o n a r e s t e p r o b l e m a .

L a razón d e q u e l o s físicos m u e s t r e n u n a f u e r t e t e n d e n c i a a c r e e r e n l a a b s o l u t a simeti-ía e n t r e m a t e r i a y a n t i m a t e r i a tiene q u e v e r c o n a l g o l l a m a d o simetiría C P T . E s t a simeti-ía p u e d e imaginarse d e l a manera siguiente: supongamos que m i r a m o s u n a película d e u n a reacción e n t i - e partículas y l u e g o c a m b i a m o s c a d a partícula p o r s u antipartícula, d a m o s v u e l t a a l a p e lícula d e m a n e r a q u e l a d e r e c h a y l a i z q u i e r d a s e i n t e r c a m b i e n y l a p a s a m o s h a c i a atrás. E l t e o r e m a C P T e s t a b l e c e q u e l a s l e y e s d e l a n a t u r a l e z a q u e s e d e d u c e n d e l a película r e s u l t a n t e d e e s t a s m a n i p u l a c i o n e s serán i n d i s t i n g u i b l e s d e l a s q u e s e d e 208

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

rivan d e l a película o r i g i n a l . E s u n a aseveración m u y f u e r t e e n física, y a q u e t o d a s l a s teorías q u e o b e d e c e n e l p r i n c i p i o d e r e l a t i v i d a d y l o s p o s t u l a d o s básicos d e l a mecánica cuántica, tienen q u e p r e d e c i r e s t e r e s u l t a d o . L a s fres o p e r a c i o n e s d e s c r i t a s s e d e n o m i n a n : 1 ) conjugación d e c a r g a ( e s l a C d e CPT y c o r r e s p o n d e a c a m b i a r partículas p o r antipartículas), 2 ) p a r i d a d , o P ( i n t e r c a m b i o d e r e c h a - i z q u i e r d a ) y 3 ) inversión t e m p o r a l o T ( p a s a r l a película h a c i a atrás). A n t e s d e 1 9 5 4 , l o s fís i c o s creían q u e l a m a n e r a c o m o s e obtenía l a simetría C P T e n l a n a t u r a l e z a e r a q u e c a d a u n a d e l a s fres o p e r a c i o n e s , e n sí y p o r sí m i s m a , r e p r e s e n t a b a u n a simefría i n t a c t a . Así, l a operación d e p a r i d a d , q u e i n t e r c a m b i a d e r e c h a e i z q u i e r d a , s e creía q u e i m p l i c a b a q u e n o había m a n e r a d e d i s t i n g u i r e n t r e d e r e c h a e i z q u i e r d a a n i v e l d e l a s i n t e r a c c i o n e s d e l a s partícul a s , q u e t o d a s l a s l e y e s d e l a física tendrían e l m i s m o a s p e c t o vistas directamente o vistas e n u n espejo. P e r o e n 1954, d o s jóvenes físicos teóricos, T . D . L e e y C . N . Y a n g , d e l a C o l u m b i a U n i v e r s i t y , señalaron e n u n b r i l l a n t e artículo q u e , a u n q u e l a mayoría d e l a s i n t e r a c c i o n e s d e l a n a t u r a l e z a p a r e c e q u e t e n g a n lugar d e f o r m a tal q u e la p a r i d a d q u e d a intacta, n o h a y razón p a r a q u e e s t o t e n g a q u e s e r s i e m p r e así. E r a d e l t o d o p o s i b l e q u e l a n a t u r a l e z a n o f u e r a i n v a r i a n t e b a j o l a operación d e p a r i d a d . T o d o l o q u e s e requería e s q u e s i n o l o e r a , s e t e n dría q u e v i o l a r también l a conjugación d e c a r g a , l a inversión d e tiempo o a m b a s . L a s v i o l a c i o n e s a s o c i a d a s c o n l a s d i f e r e n t e s simefrías s e tendrían q u e c o m b i n a r d e f o r m a t a l q u e s e a n u l a r a n e n f r e sí y d e j a r a n l a n a t u r a l e z a i n v a r i a n t e b a j o l a o p e ración C P T c o m b i n a d a . C u a n d o s e verificó e n e l l a b o r a t o r i o l a c o n j e t u r a d e L e e y Y a n g s o b r e l a r o t u r a d e p a r i d a d , éstos s e c o n v i r t i e r o n e n l o s h o m b r e s más jóvenes d e l a h i s t o r i a ( e n 1957) galardonados con e l p r e m i o Nobel.

D u r a n t e u n tiempo después d e l a caída d e l a p a r i d a d , l o s físicos c r e y e r o n q u e t o d o s l o s e f e c t o s d e l a violación d e p a r i d a d serían c o m p e n s a d o s p o r v i o l a c i o n e s d e l a conjugación d e c a r g a , d e m a n e r a q u e l a operación c o m b i n a d a q u e h e m o s l l a m a d o C P sería u n a b u e n a simefría. S i e s t o f u e r a c i e r t o , s i g n i ficaría q u e l a s l e y e s d e l a física o b t e n i d a s d e l a observación d i 209

EL

M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

r e c t a d e r e a c c i o n e s serían i n d i s t i n g u i b l e s d e l a s o b t e n i d a s d e l a observación d e r e a c c i o n e s e n l a s q u e l a s partículas h a n s i d o s u s t i t u i d a s p o r antipartículas y l a d e r e c h a p o r l a i z q u i e r d a . P o r otra parte, c o m o sabemos que C P T bene que ser u n a buen a simetría, e s t o implicaría q u e l a n a t u r a l e z a t i e n e q u e e x h i b i r l a s m i s m a s l e y e s t a n t o s i viéramos l a película h a c i a d e l a n t e c o m o h a c i a atrás. S i éste f u e r a e l c a s o , l a s l e y e s d e l a n a t u r a l e z a serían r e a l m e n t e siméfricas e n t r e partículas y antipartícul a s y n o habría n i n g u n a p o s i b i l i d a d d e q u e s e d e s a r r o l l a r a u n universo c o m o e l nuestro a partir d e u n o que tuviera a l c o mienzo igual cantidad d e materia y d e antimateria.

E n 1964, James C r o n i n y V a l Fitch, d e la Princeton University, a n u n c i a r o n los resultados d e u n a serie d e cuidadosos e x p e r i m e n t o s q u e d e m o s t i - a b a n q u e p o r l o m e n o s u n fenómen o d e l a n a t u r a l e z a — l a desintegración d e u n a partícula l l a m a d a mesón K°L— n o e r a i n v a r i a n t e b a j o l a operación C P . C o n c l a r i d a d , l a n a t u r a l e z a h a o p t a d o p o r m a n t e n e r l a C P T válida, p e r o h a d i s p u e s t o l a s c o s a s d e f o r m a q u e l a s l e y e s d e l a física n o sean invariantes bajo C , P y T tomadas por separado. Por este descubrimiento, C r o n i n y Fitch c o m p a r t i e r o n e l p r e m i o Nobel e n 1980.

Este descubrimiento f u eseguido d e i n m e d i a t o p o r o t r o q u e tiene u n a relación e v i d e n t e c o n e l p r o b l e m a d e l a a n t i m a t e r i a . E l K°L s e d e s i n t e g r a más a m e n u d o e n u n positi-ón más o t r a s partículas q u e e n u n electrón más o t r a s partículas. E l K"¡ e s u n a d e l a s p o c a s partículas d e l a n a t u r a l e z a e n l a s q u e l a partícula y l a antipartícula s o n idénticas. E s , e n o t r a s p a l a b r a s , s u p r o p i a antipartícula. S i l a m a t e r i a y l a antímateria s o n s i e m p r e i n t e r c a m b i a b l e s , deberíamos e s p e r a r q u e e l K°L s e d e s i n tegrara e nm a t e r i a y a n t i m a t e r i a e x a c t a m e n t e e nl am i s m a p r o porción. C a d a v e z q u e a p a r e c e u n positrón e n t r e l o s p r o d u c t o s f i n a l e s , deberíamos e s p e r a r e n c o n t r a r o t i - a desintegración e n l a q u e a p a r e c i e r a u n electrón. E l h e c h o d e q u e e s t o n o s e a l o q u e s u c e d e s i g n i f i c a q u e aquí, p o r v e z p r i m e r a , o b s e r v a m o s u n proceso que n o m i d e l amateria y l aantimateria p o r e l mism o rasero. Esto es alentador, porque nos d aesperanza d e que p o d a m o s c o n s h r u i r n u e s t r a s teorías d e t a l m o d o q u e s e p u e d a 210

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

generar u n a preponderancia d e materia e n e l Universo primitivo.

D e h e c h o , e s t o e s l o q u e h i c i e r o n u n o s c u a n t o s teóricos a f i n a l e s d e l o s años s e t e n t a . E l r a z o n a m i e n t o e s , e n r e a l i d a d , m u y s e n c i l l o . A n t e s d e l a congelación G U T , e l U n i v e r s o e s t a b a lleno d e bosones X y quarks. Cada vez que se desintegraba u n a partícula X e n u n p u n t o , s e c r e a b a o t r a e n u n a colisión e n algún o t r o s i b o . L o m i s m o sucedía c o n l a antipartícula, e l X .

S i e l U n i v e r s o empezó c o n i g u a l c a n t i d a d d e m a t e r i a q u e d e antimateria, nada que hubiera sucedido antes d e l a congelación G U T habría d e s t r u i d o e l e q u i l i b r i o . S u p o n g a m o s , a m o d o d e e j e m p l o , q u e l a desintegración d e l o s X p r o d u j e r a 2 . 0 0 0 millones d e quarks y 1.000 millones d eantiquarks. S ise m a n t i e n e l a simetría m a t e r i a - a n t i m a t e r i a , esperaríamos q u e l a d e sintegración d e l o s X p r o d u j e r a 1 . 0 0 0 m i l l o n e s d e q u a r k s y 2 . 0 0 0 millones d e antiquarks. E lefecto neto d e l a desintegración d e l o s X y X sería, e n t o n c e s , u n u n i v e r s o q u e contendría 3.000 millones d e quarks y 3.000 millones d e antiquarks, es decir, u nu n i v e r s o sin p r e p o n d e r a n c i a d e l a m a t e r i a sobre l a a n t i m a t e r i a . S i e l U n i v e r s o e m e r g e d e l a congelación G U T e n e s t e e s t a d o , n o c o n o c e m o s ningún p r o c e s o s u b s i g u i e n t e q u e p u e d a alterar este e q u i l i b r i o . P o r l o t a n t o , si q u e r e m o s r e s o l v e r e l p r o b l e m a d e l a a n t i m a t e r i a , d e b e m o s c o n s i d e r a r c o n más d e t a l l e l a congelación G U T .

L a desintegración d e l K " L p u e , d e d a m o s a l g u n a i d e a d e c ó m o p u e d e h a b e r o c u r r i d o e s t a congelación. S a b e m o s q u e es p o s i b l e q u e p u e d a r o m p e r s e e l e q u i l i b r i o enti-e m a t e r i a y a n t i m a t e r i a e n l a n a t u r a l e z a . L o s teóricos h a n p o d i d o d e m o s t r a r q u e e l m i s m o tipo d e p r o c e s o s q u e l l e v a n a e s t e r e s u l t a d o e n l a desintegración d e l K'L p u e d e n p r o d u c i r s e e n l a d e s i n t e gración d e l a s partículas X j u s t o después d e l a congelación G U T . E n obras p a l a b r a s , d e l m i s m o m o d o q u e l a d e s i n t e g r a ción d e l K'L p r o d u c e más a n t i m a t e r i a q u e m a t e r i a , l a d e s i n tegración d e u n X y u n X p u e d e p r o d u c i r más m a t e r i a q u e a n t i m a t e r i a . N o e s difícil m o s t r a r q u e l a G U T p u e d e a r r e g l a r fácilmente e l pequeño e x c e s o d e m a t e r i a r e s p e c t o a a n t i m a t e ria q u e n e c e s i t a m o s p a r a e x p l i c a r e l U n i v e r s o a c t u a l .

211

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

L a explicación s e desan-ollaría d e l a f o n n a s i g u i e n t e . E n e l m o m e n t o d e l a congelación, había i g u a l número d e X y d e X e n e l U n i v e r s o . J u s t o después d e l a congelación, cesó l a p o s i b i l i d a d d e q u e s e p r o d u j e r a n más partículas e n c o l i s i o n e s y e m p e z a r o n a desintegrarse. S u p o n g a m o s , e n aras del razonam i e n t o , q u e l a desintegración d e u n a s o l a partícula X p r o d u jera m i l millones y u n quarks j u n t o con m i l millones d e anbq u a r k s . L a teoría p r e d i c e e n t o n c e s q u e l a c o r r e s p o n d i e n t e d e sintegración d e l X produciría m i l m i l l o n e s d e a n t i q u a r k s y m i l m i l l o n e s d e q u a r k s . E n e s t e c a s o , l a desintegración d e l p a r h a bría p r o d u c i d o u n pequeño e x c e s o d e m a t e r i a s o b r e a n t i m a teria, justo l o suficiente, d e hecho, para explicar e l U n i v e r s o o b s e r v a d o . E l r e s u l t a d o n e t o d e s u m a r t o d a s las f o r m a s p o s i b l e s d e desintegración d e l X y e l X e s q u e m u y a l p r i n c i p i o d e l a e r a electrodébil e l U n i v e r s o s e encontró c o n u n e x c e s o d e m a t e r i a s o b r e a n t i m a t e r i a , a u n q u e enb-ó e n l a e r a s i n e s t e e x c e s o . L a razón d e e s t a situación e s q u e l a s partículas X , i g u a l q u e e l K°L q u e o b s e r v a m o s e n n u e s t r o s l a b o r a t o r i o s , s e d e s i n t e g r a p o r l a vía d e u n p r o c e s o q u e v i o l a l a simetría c a s i u n i v e r s a l e n t r e m a t e r i a y antímateria. A m b o s p r o c e s o s — e l q u e p o d e m o s m e d i r y e l q u e n o — v i e n e n descritos p o r l a m i s m a teoría, p o r l o q u e p o d e m o s discutír l a desintegración d e l o s bosones X e n e l Universo primitivo sin introducir n i n g u n a h i pótesis a d h o c .

U n a vez se h a n desintegrado l o smesones X y X , y a n o e x i s t e n p r o c e s o s q u e p u e d a n c a m b i a r e l número bariónico n e t o d e l U n i v e r s o . E l e x c e s o d e m a t e r i a s o b r e antímateria q u e da congelado e n l a estructura d e l Universo. T o d o l o q u e s u c e d e e n l a s e r a s s u b s i g u i e n t e s e s q u e l a m a t e r i a y l a antímat e r i a s e a n i q u i l a n u n a a otí-a h a s t a q u e d e s a p a r e c e l a antímateria, y q u e d a u n U n i v e r s o f o r m a d o sólo p o r m a t e r i a . P o r l o t a n t o , u n a d e l a s d i f i c u l t a d e s más m o l e s t a s d e l m o d e l o c o n vencional d e Big B a n g p u e d e resolverse sic o m p r e n d e m o s los d e t a l l e s d e l o s p r o c e s o s d e partículas q u e o c u r r i e r o n c u a n d o e l U n i v e r s o tenía u n a e d a d d e 1 0 " ^ s e g u n d o s .

212

J

I

J

I

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

E L P R O B L E M A D E L A FORMACIÓN D E L A S G A L A X I A S P a r a q u e las galaxias s e f o r m a r a n p o r e l p r o c e s o d e acreción g r a v i t a t o r i a q u e d e s c r i b i m o s e n e l capítulo 3 , e r a p r e c i s o que, a lc o m i e n z o d e l a era actual, e l U n i v e r s o presentara irreg u l a r i d a d e s . E s t a s i r r e g u l a r i d a d e s habrían t o m a d o l a f o r m a d e regiones del espacio d o n d e l a densidad d e materia era super i o r a l a m e d i a . T a l e s r e g i o n e s habrían a c t u a d o c o m o núcleos a l r e d e d o r d e l o s c u a l e s s e habrían c o n d e n s a d o l a s g a l a x i a s , i g u a l q u e l a s partículas d e p o l v o d e l a i r e actúan c o m o núcleos p a r a l a condensación d e g o t a s d e lluvia P a r a p r o d u c i r e s t e e f e c t o , l a s i r r e g u l a r i d a d e s tenían q u e e s t a r p r e s e n t e s e n l a c o n gelación más r e c i e n t e , 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g .

L o s a g r u p a m i e n t o s d e m a t e r i a n o tenían q u e s e r m u y g r a n d e s . D e h e c h o , p a r a q u e l a s g a l a x i a s s e f o r m a r a n , sólo e r a necesario que hubiera regiones del espacio donde l a densidad f u e r a u n 0 , 0 1 % más a l t a d e l o n o r m a l , u n a concenb-ación m i núscula. A m o d o d e r e f e r e n c i a , u n a concentración d e d e n s i d a d d e l 0 , 0 1 % sería análoga a u n a o l a d e 3 m m d e a l t u r a e n u n lago d e 3 0 m d eprofundidad.

E l p r o b l e m a d e l a formación d e l a s g a l a x i a s n o e s , p o r t a n to, e l d e producir galaxias acabadas del t o d o antes d e l o s 5 0 0 . 0 0 0 años. T o d o l o q u e s e requería e r a q u e , e n a q u e l m o m e n t o , h u b i e r a u n a s i r r e g u l a r i d a d e s a n i v e l d e l 0 , 0 1 %, q u e hubieran sido creadas con anterioridad y que hubieran logrado sobrevivir. L a palabra clave es sobrevivir. E l Universo primitivo e r a l o q u e l o s físicos l l a m a n u n s i s t e m a disipatívo. E n e s t o s s i s t e m a s , l a s p e r t u r b a c i o n e s l o c a l e s s e atenúan rápidamente y n o s o b r e v i v e n m u c h o b e m p o . U n a b u e n a analogía e s i m a g i n a r u n a r o c a s o l i t a r i a e n m e d i o d e u n río a n c h o . L a r o c a c r e a o n das e ne l a g u a ( p e r t u r b a c i o n e s locales), p e r o a m e d i d a q u e las s e g u i m o s c o r r i e n t e a b a j o , s e atenúan y a c a b a n desvaneciénd o s e e n e l plácido f l u j o g e n e r a l . D e c i m o s q u e e l río d i s i p a l a perturbación.

E s difícil d e i m a g i n a r q u e a l g o t a n dinámico c o m o el B i g Bang funcione con suavidad y n o produzca perbirbaciones loáis

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

cales. N o c o n o z c o a nadie q u e h a y a a r g u m e n t a d o c o n seried a d q u e éste s e a e l c a s o . L o q u e s e a r g u m e n t a , s i n e m b a r g o , e s q u e c u a l q u i e r perturbación p r o d u c i d a e n e l U n i v e r s o p r i m i tivo s e desvanecerá c o m o l a s o n d a s e n e l río y dejará e l U n i v e r s o s i n l o s núcleos n e c e s a r i o s a c u y o a l r e d e d o r s e podían f o r m a r l a s g a l a x i a s . L o q u e s e r e q u i e r e n o e s t a n t o l a creación d e t a l e s núcleos e n l o s p r i m e r o s 5 0 0 . 0 0 0 años, s i n o s u p r e s e r vación d u r a n t e e s t e l a r g o período d e tiempo. E n e l m o d e l o c o n v e n c i o n a l d e B i g B a n g , e s t o s núcleos n o l o s p u e d e p r o d u c i r ningún p r o c e s o n a t i j r a l , p o r l o q u e tienen q u e p r e s e n t a r s e e n u n a hipótesis e s p e c i a l .

Sin embargo, nuesfro n u e v o conocimiento d e l a congelación G U T n o s p e r m i t e h a c e r a l g o m e j o r . S a b e m o s q u e d u r a n t e e s t a congelación s e f o r m a r o n c i e r t o s tipos d e e s t r u c t u r a s y q u e e s t a s e s f r u c t u r a s podían t e n e r u n a m a s a c o n s i d e r a b l e .

D e s d e e l p u n t o d e v i s t a d e l a formación d e l a s g a l a x i a s , l a s e s fructuras más i m p o r t a n t e s d e éstas e r a n l a s c u e r d a s , o b j e t o s unidimensionales largos y m u y masivos. Las cuerdas son u n a d e l a s c l a s e s d e d e f e c t o s q u e a p a r e c i e r o n e n l a congelación G U T y q u e d i s c u t i m o s e n e l capítulo 9 . L o s teóricos h a n fraz a d o l a h i s t o r i a d e e s t a s c u e r d a s d e s d e l o s 10""^* s e g u n d o s y han hecho algunos descubrimientos bastante interesantes. Util i z a n d o c o n c e p t o s d e l a r a m a d e l a s matemáticas c o n o c i d a c o m o topología ( e l e s t u d i o d e l a s f o r m a s ) , h a n d e m o s f r a d o que unas cuerdas c o m o lasque se muesfran e n l a figura 5 0 s o n e s t a b l e s y podría e s p e r a r s e q u e s o b r e v i v i e r a n d u r a n t e l a r g o s períodos. P u e d e h a b e r también o t r o s t i p o s i m p o r t a n t e s d e c u e r d a s e s t a b l e s ; éste e s u n c a m p o d e l a física e n t e r a m e n t e n u e v o , q u e n o h a s i d o aún e x p l o r a d o p o r c o m p l e t o .

Fig. 50 214

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

E n cualquier caso, estos estudios m u e s t r a n que es posible e n teoría q u e l o s d e f e c t o s f o r m a d o s d u r a n t e l a congelación G U T p u d i e r a n s o b r e v i v i r d u r a n t e l o s 5 0 0 . 0 0 0 años s i g u i e n t e s y tuvieran, entonces, l a masa justa suficiente para proporcion a r las c o n c e n f r a c i o n e s d e l 0 , 0 1 % n e c e s a r i a s p a r a iniciar l a condensación d e l a s g a l a x i a s . Así, e n e s t a versión d e l a c r e a ción, l a s g a l a x i a s s e f o r m a n m u y rápidamente después d e q u e l o s e l e c b - o n e s y l o s núcleos s e j u n t e n p a r a f o r m a r l o s átomos, y se evita l a dificultad planteada anteriormente. E l problema d e l a formación d e l a s g a l a x i a s , i g u a l q u e e l p r o b l e m a d e l a a n b m a t e r i a , s e r e s u e l v e c o n u n a m e j o r comprensión d e l c o m p o r t a m i e n t o del U n i v e r s o d u r a n t e s u sp r i m e r o s 10"^* segundos d e vida.

Señalemos d e p a s a d a q u e e s t a explicación p a r t i c u l a r d e l a formación d e l a s g a l a x i a s d e p e n d e d e l a formación d e d e f e c t o s . d e c u e r d a e n l a congelación G U T . S i n e m b a r g o , n o e s e s e n c i a l q u e l o s núcleos a c u y o a l r e d e d o r s e c o n d e n s a n l a s g a laxias s e f o r m e n precisamente d e esta m a n e r a . E ne l n u e v o m o d e l o inflacionario, p o r ejemplo, n o secrean defectos de cuerd a , p e r o s e f o r m a n o t r o s típos d e c o n c e n t r a c i o n e s d e m a s a p o r p r o c e s o s mecanicocuántícos d u r a n t e e s t e período d e rápid a expansión. E n a m b o s c a s o s , e l r e s u l t a d o f i n a l e s e l m i s m o : l a s g a l a x i a s s e f o r m a n rápidamente u n a v e z e l p l a s m a s e h a c o n g e l a d o e n átomos.

D e e s t e r e s u l t a d o s e d e s p r e n d e u n a lección i m p o r t a n t e , n o sólo p a r a l a física, s i n o p a r a l a c i e n c i a e n g e n e r a l . D e s d e p r i n c i p i o s d e l o s años s e t e n t a h a h a b i d o u n r e s u r g i m i e n t o d e l c r e a c i o n i s m o bíblico e n E s t a d o s U n i d o s . E s t e m o v i m i e n t o , b a j o e l n o m b r e d e c i e n c i a de ¡a creación, ha recogido una gran cantídad d e a r g u m e n t o s a c e r c a d e l o s f a l l o s d e l a teoría d e l a evolución. E s t o s a r g u m e n t o s n o s e h a n l i m i t a d o a críticas d e D a r w i n , s i n o q u e s e h a n e x t e n d i d o h a s t a i n c l u i r también t o d o e l c o n c e p t o d e l U n i v e r s o e n evolución. U n e l e m e n t o i m p o r t a n t e d e s u argumentación h a s i d o e l f r a c a s o d e l a cosmología c o n v e n c i o n a l p a r a r e s o l v e r e l p r o b l e m a d e l a creación d e l a s g a laxias.

N o obstante, con e l desarrollo d e la G U T , v e m o s que la 215

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

formación d e l a s g a l a x i a s d e j a d e s e r u n p r o b l e m a y e s s i m p l e m e n t e u n fenómeno n a t u r a l más, c o n u n a explicación p e r f e c t a m e n t e n a t u r a l . E l a r g u m e n t o íreacionista f a l l a p o r q u e s u p o n e tácitamente q u e s i u n p r o c e s o n o s e p u e d e e x p l i c a r h o y , jamás podrá s e r e x p l i c a d o e n e l f u t u r o . E s t a línea d e r a z o n a m i e n t o f a l l a e n e l c a s o d e l a formación d e l a s g a l a x i a s — c o m o f a l l a e n m u c h a s o t r a s áreas d e l a c i e n c i a d e l a c r e a c i ó n — p o r que las fronteras d e l conocimiento avanzan a m e n u d o c o n m u c h a r a p i d e z . N u n c a d a r e s u l t a d o f u n d a m e n t a r u n a posición filosófica e n l o q u e n o s a b e n l o s científicos.

EL

PROBLEMA D E L HORIZONTE

El hecho observacional q u e conduce al problema d e l horizonte e s s i m p l e : s i o b s e r v a m o s l a radiación d e f o n d o cósmica q u e llega a l a T i e r r a desde distintas direcciones, e n c o n t r a m o s q u e e s isób-opa h a s t a u n a diezmilésima. E s t o i m p l i c a q u e l a parte d e l Universo situada ahora p o rencima d e lp o l o Norte e s t u v o a l g u n a v e z e n comunicación c o n l a p a r t e s i t u a d a a h o r a p o r e n c i m a d e l p o l o S u r , y a q u e a m b a s p a r t e s tienen q u e h a b e r e s t a b l e c i d o e l e q u i l i b r i o térmico e n algún m o m e n t o d e l pasado. E lp r o b l e m a surge d e lh e c h o que, e n l a i m a g e n conv e n c i o n a l d e l B i g B a n g , n o h u b o n u n c a ningún m o m e n t o e n el p a s a d o e n e l q u e s e h u b i e r a p o d i d o establecer universalm e n t e e s t e e q u i l i b r i o , i n c l u s o n i m e d i a n t e señales q u e v i a j a r a n a l a velocidad d e l a luz.

P o d e m o s representar este p r o b l e m a c o m o se indica e n l a figura 5 1 . Trazamos e l radio d e curvatura d e lUniverso primitivo e n función d e l tiempo. E n e s t e gráfico, s e r e p r e s e n t a l a expansión u n i v e r s a l m e d i a n t e e l a u m e n t o d e l r a d i o a l t r a n s c u r r i r e l tiempo. A p a r t i r d e e s t e gráfico, p o d e m o s e n c o n t r a r e l radio d e curvatura q u ecorresponde a cualquier m o m e n t o d e l p a s a d o ( p . e j . , e l tiempo m a r c a d o c o n t , e n l a figura 5 1 ) .

Si u s a m o s este radio c o m o u n a m e d i d a a p r o x i m a d a d e l t a maño d e l U n i v e r s o e n e l i n s t a n t e U, es r e l a t i v a m e n t e s e n c i l l o d e s c u b r i r s i e l r a d i o e n e l tiempo t i e r a l o s u f i c i e n t e pequeño 216

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

para que l aluz pudiera viajar d e u n p u n t o cualquiera del U n i v e r s o a o t r o a n t e s d e q u e l a expansión d e s p l a z a r a e l p u n t o o b j e t i v o d e m a s i a d o l e j o s . E n términos d e e s t e gráfico, e l p r o b l e m a del horizonte p u e d e enunciarse d e esta m a n e r a : e ne l U n i verso primitivo, e l radio d e curvatura era demasiado grande p a r a p e r m i t i r l a comunicación e n t i - e r e g i o n e s a l e j a d a s . E n o t r a s palabras, e l Universo fue siempre demasiado grande para que se e s t a b l e c i e r a e l e q u i l i b r i o , i n c l u s o e n las p r i m e r a s e t a p a s d e s pués d e l B i g B a n g .

P e r o e n e l capítulo 1 0 v i m o s q u e e s t e a u m e n t o u n i f o r m e d e l r a d i o c o n e l tiempo q u e s e m u e s t i r a e n e l gráfico n o e s n e c e s a r i a m e n t e l o q u e sucedió e n r e a l i d a d . L a s p r e d i c c i o n e s d e l a G U T n o s p e r m i t e n h a b l a r d e u n período i n f l a c i o n a r i o a l o s 1 0 ^ s e g u n d o s , período e n q u e l a expansión f u e m u c h o más rápida q u e l a q u e s e m u e s t r a e n l a figura a n t e r i o r . D e h e c h o , e n l a figura 5 2 s e m u e s b r a e l r a d i o d e c u r v a t i j r a e n función d e l tíempo p a r a e l U n i v e r s o i n f l a c i o n a r i o . A n t e s y después d e l p e ríodo i n f l a c i o n a r i o e l r a d i o a u m e n t a c o n s u a v i d a d . S i n e m b a r g o , d u r a n t e l a inflación e l a u m e n t o e s m u y rápido. C o m o r e 217

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Fig. 5 2

f e r e n c i a , s e m u e s t r a c o n u n a línea a t r a z o s e l r a d i o c o r r e s p o n d i e n t e a l a expansión d e l B i g B a n g c o n v e n c i o n a l .

S i o b s e r v a m o s e l tiempo t i , v e m o s q u e e l r a d i o e s m u c h o m e n o r e n e l U n i v e r s o i n f l a c i o n a r i o d e l o q u e sería e n l a expansión n o r m a l . E s t o s i g n i f i c a q u e , s i r e p e t i m o s n u e s t r o análisis c o n l a v e l o c i d a d d e l a l u z p a r a u n u n i v e r s o q u e e x p e r i m e n t a inflación, e n c o n t r a m o s q u e a n t e s d e l período i n f l a c i o n a r i o sí q u e e s p o s i b l e q u e t o d a s l a s p a r t e s d e l U n i v e r s o e s t a b l e z c a n comunicación u n a s c o n o t r a s . P o r l o t a n t o , e l U n i v e r s o p u e d e m u y b i e n h a b e r e s t a d o e n e q u i l i b r i o térmic o a n t e s d e q u e e m p e z a r a l a inflación y l a s d i s t a n c i a s s e h i c i e ran demasiado grandes.

L a solución a l p r o b l e m a d e l h o r i z o n t e q u e s u r g e d e l m o d e l o i n f l a c i o n a r i o e s , p o r t a n t o , b a s t a n t e fácil d e i m a g i n a r . E n algún m o m e n t o a n t e s d e l a congelación G U T , c u a n d o e l U n i v e r s o e r a m u y pequeño, s e estableció e l e q u i l i b r i o térmico. L a p a r t e d e l U n i v e r s o q u e a h o r a está p o r e n c i m a d e l p o l o N o r t e e s t a b a e n c o n t a c t o c o n l a q u e a h o r a está p o r e n c i m a d e l p o l o S u r . E n t o n c e s , c u a n d o e l U n i v e r s o tenía a p r o x i m a d a m e n t e 218

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

1 0 " ^ ^ s e g u n d o s d e e d a d , ocunió l a inflación. E l U n i v e r s o s e expandió rápidamente, p e r o c a d a p a r t e llevó c o n s i g o e l r e cuerdo d e u n a era anterior, u n a era e n l a que todo estaba a la m i s m a t e m p e r a t u r a . O b s e r v a m o s los resultados d e este recuerdo cuando medimos elfondo d e microondas. N o encont r a m o s n i n g u n a sección d e l U n i v e r s o c u y a radiación d i f i e r a m u c h o d e l a a s o c i a d a c o n c u a l q u i e r o t r a p a r t e . L a radiación d e m i c r o o n d a s e s típica d e l a q u e e m i t e u n c u e r p o q u e s e e n c u e n t r a a l a m i s m a t e m p e r a t u r a e n t o d a s p a r t e s , y l a razón d e ello es que e n u n m o m e n t o determinado del pasado r e m o t o e l U n i v e r s o e s t u v o e n e q u i l i b r i o térmico.

Quizás u n a analogía más m u n d a n a n o s ayudaría a i m a g i n a r e l p a p e l d e l a inflación e n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o . S u p o n g a m o s que tenemos dos modelos d eu n perro, u n o que aumenta d e tamaño a l m i s m o ritmo q u e l o h a c e u n c a c h o r r o , y o t r o q u e e s e n r e a l i d a d u n g l o b o q u e p u e d e h i n c h a r s e rápidamente. S i viéramos l o s d o s m o d e l o s c u a n d o h a n a l c a n z a d o s u tamaño máximo, diríamos p r o b a b l e m e n t e q u e a m b o s h a n t e n i d o más o m e n o s e l m i s m o tamaño d u r a n t e t o d o e l período d e c r e c i m i e n t o . L a suposición sería r a z o n a b l e , p e r o sería f a l s a s i e l m o d e l o d e l g l o b o h u b i e r a s i d o h i n c h a d o e n algún m o m e n t o d e l p a s a d o . P a r a fijar las ideas, s u p o n g a m o s q u e a m b o s m o d e l o s t i e n e n a h o r a e l tamaño d e u n p e r r o d e s e i s m e s e s y q u e l a inflación ocurrió h a c e t r e s m e s e s . E n t o n c e s e l tamaño d e l g l o b o a n t e s d e l o s t r e s m e s e s sería m u c h o más pequeño q u e el del m o d e l o n o r m a l . C u a l q u i e r a r g u m e n t o basado e n l a esperanza d e u n crecimiento "normal" del m o d e l o del globo e n l o s t r e s p r i m e r o s m e s e s d e s u e x i s t e n c i a sería erróneo, p u e s t o q u e e l tamaño d e l m o d e l o d u r a n t e e s e período e r a m u c h o menor que el normal.

D e lam i s m a manera, e l Universo inflacionario era m u c h o más pequeño d e l o n o r m a l a n t e s d e t r a n s c u r r i r 1 0 ~ ^ * s e g u n d o s . E n s u e s t a d o pequeño, f u e p o s i b l e q u e l a s señales v i a j a r a n a t o d a s s u s p a r t e s y q u e s e e s t a b l e c i e r a e l e q u i l i b r i o térm i c o . L u e g o ocurrió l a inflación y e l tamaño d e l U n i v e r s o s e volvió " n o r m a l " . E l p r o b l e m a d e l h o r i z o n t e surgió a c a u s a d e h a b e r s u p u e s t o q u e podíamos e x t r a p o l a r e l tamaño d e l U n i v e r s o 219

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

e n s e n t i d o retrógrado s i n t e n e r e n c u e n t a e l b r e v e p e r o i m p o r t a n t e período i n f l a c i o n a r i o .

Podemos damos cuenta d e laimpresionante magnitud d e l o s e f e c t o s d e l a inflación e n e l U n i v e r s o s i a d v e r t i m o s q u e l a s teorías más i n f l a c i o n a r i a s p r e d i c e n q u e e n algún m o m e n t o a l r e d e d o r d e l a congelación G U T e l r a d i o d e c u r v a t u r a d e l U n i v e r s o aumentó d e s d e u n o s 1 0 ~ ^ ^ c m ( 1 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e v e c e s más pequeño q u e e l tamaño d e u n protón) h a s t a u n o s 1 0 c m , e l tamaño d e u n p o m e l o . P u e s t o q u e e s t o e s u n a e x p a n sión d e l p r o p i o e s p a c i o y n o u n m o v i m i e n t o d e l a m a t e r i a p o r e l e s p a c i o , l a inflación n o v i o l a l a s r e s t r i c c i o n e s d e l a r e l a t i v i d a d a c e r c a d e l m o v i m i e n t o más rápido q u e l a l u z .

EL

PROBLEMA D E L UNIVERSO PLANO

El p r o b l e m a d e lU n i v e r s o p l a n o n oes u n p r o b l e m a e n e l m i s m o sentido q u el o sproblemas d e l a anbmateria, d e l a formación d e l a s g a l a x i a s y d e l h o r i z o n t e . P o r e l c o n t r a r i o , e s u n a cuesbón a c e r c a d e p o r qué e l U n i v e r s o está c o n s t m i d o d e u n a m a n e r a p a r t i c u l a r y n o d e ob-a. E n c o n c r e t o , e l p r o b l e m a d e l Universo plano se refiere a l hecho bastante extraordinario d e que l a canbdad d e materia d e lU n i v e r s o es cercana a l a cantidad n e c e s a r i a p a r a d e t e n e r l a expansión u n i v e r s a l a través d e l a acción d e l a atoracción g r a v i t a t o r i a m u t u a .

N o e s u n a cuesbón q u e d e b a s e r r e s u e l t a p a r a q u e s o b r e v i v a e l m o d e l o d e l B i g B a n g . N o h a y n i n g u n a razón p r i m o r d i a l para q u e e l U n i v e r s o d e b a d e tener esta masa, p e r o t a m p o c o la h a y p a r a q u en ol a tenga. P o r l o t a n t o , e n c o n t r a r u n a s o l u ción a e s t e p r o b l e m a e s m e n o s c m c i a l p a r a e l d e s a r r o l l o d e l a cosmología q u e r e s o l v e r l o s o t o r o s . S i n e m b a r g o , e l m o d e l o i n flacionario proporciona, c o m o una especie d epremio, alguna indicación d e c ó m o s e podría r e s o l v e r e l p r o b l e m a d e l U n i v e r so plano.

V i m o s q u e e l final d e l p r o c e s o i n f l a c i o n a r i o e n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o f u e s u e s c a p a t o r i a d e l f a l s o vacío p o r e f e c t o túnel.

U n o d e l o s r e s u l t a d o s d e e s t e h e c h o f u e l a conversión d e l e x 220

RESOLVIENDO LOS P R O B L E M A S DEL BIG BANG

c e s o d e energía d e l U n i v e r s o e n m a s a . S i c o n s i d e r a m o s s e r i a m e n t e e s t a i d e a , n u e s t r a s teorías tendrían q u e p r e d e c i r e n t o n c e s cuánta m a s a s e creó e n a q u e l m o m e n t o .

E s t a predicción s e obtendría a p a r t i r d e l c o n o c i m i e n t o d e l a f o r m a d e l a c u r v a d e p o t e n c i a l , d e l n i v e l d e energía d e l f a l s o vacío y d e l a d i f e r e n c i a d e energía e n t r e e l f a l s o vacío y e l e s t a d o final d e l U n i v e r s o : l ac a n t i d a d q u e l l a m a m o s A£ e ne l c a pítulo 1 0 . S i s e c o n o c e l a c a n t i d a d d e energía d i s p o n i b l e p a r a l a conversión, e s r e l a t i v a m e n t e d i r e c t o c a l c u l a r l a c a n t i d a d d e m a t e r i a q u e tendría q u e h a b e r e n n u e s t r a e r a a c t u a l .

E s t a c a n t i d a d e s u n p r o d u c t o s e c u n d a r i o d e l o s m i s m o s cálculos q u e se requieren para describir e l p r o p i o proceso d e i n flación.

A u n q u e éste e s u n c a m p o m u y n u e v o y c u a l q u i e r r e s u l t a d o d e b e s e r c o n s i d e r a d o c o n m u c h a c a u t e l a , l o s teóricos q u e h a n o b t e n i d o valores para l amasa del U n i v e r s o d e esta m a n e ra, h a n h e c h o p o r regla general predicciones entre 0 , 0 1 y 1 0 v e c e s l a m a s a críbca n e c e s a r i a p a r a c e r r a r e l U n i v e r s o . P o r l o tanto, parece, p o r e l m o m e n t o , que si s e ajusta l a barrera d e p o t e n c i a l d e f o r m a q u e l a congelación G U T t e n g a l a s p r o p i e d a d e s c o r r e c t a s , s e o b t i e n e también l a m a s a f i n a l d e l U n i v e r s o .

E s u n b o n i t o e j e m p l o d e h a l l a z g o p o r c a s u a l i d a d y además r e d u c e l a a r b i t r a r i e d a d d e n u e s f r a descripción d e l U n i v e r s o .

12.

La búsqueda de las partículas fósfles Todo el mundo en Nueva York está buscando Una que otra vez, alguien lo encuentra.

DONALD

algo.

WESTLAKE

L a danza d e l azteca

L a historia t e m p r a n a del B i g B a n g desde e lp u n t o d e vista d e l a G U T t i e n e l a mayoría d e l o s a t r i b u t o s q u e e s p e r a m o s e n c o n t r a r e n u n a g r a n teoría científica. E s b e l l a , e l e g a n t e y s a t i s f a c t o r i a i n t e l e c t u a l m e n t e , y n o s d a u n a visión d e l f u n c i o n a m i e n t o d e l a n a t u r a l e z a q u e n i n g u n a teoría a n t e r i o r había s i d o c a p a z d e p r o p o r c i o n a r n o s . Sólo f a l t a u n i n g r e d i e n t e e n l a l i s t a d e a t i i b u t o s . E x i g i m o s q u e t o d a teoría científica esté r e s p a l d a da p o ru n c u e r p o d e confirmaciones experimentales directas, y p o c o h a y d e e s t o e n l o q u e h e m o s d e b a t i d o e n l o s últimos capítulos.

Esto n oes demasiado sorprendente. H e m o s visto q u e e l período más c r u c i a l d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o — e l q u e determinó l a m a y o r p a r t e d e l c u r s o p o s t e r i o r d e s u evolución— f u e l a congelación G U T , 1 0 " ^ ^ s e g u n d o s después d e l B i g B a n g . L a s energías d e colisión características d e e s a época e r a n t a n a l t a s q u e n o h a y p o s i b i l i d a d d e p r o d u c i r l a s e n n u e s t r o s laboratoríos, por l o m e n o s e n u nfuturo previsible. P o r consiguiente, n o p o d e m o s l l e v a r a c a b o p m e b a s d i r e c t a s e n e l laboratorío d e l o s p r o c e s o s q u e ocurríeron e n a q u e l l a ti-ansición. L a s e c u e n c i a clásica d e predicción, comprobación d i r e c t a y confirmación a q u e están a c o s t u m b r a d o s l o s físicos, n o p u e d e r e a l i z a r s e e n este caso. N o s v e m o s reducidos, p o r tanto, a c o m p r o b a r nues223

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

t r a s teorías s o b r e e l U n i v e r s o p r i m i t i v o d e u n a m a n e r a i n d i recta.

Y a h e m o s visto u n b u e n e j e m p l o d ep r u e b a indirecta cuand o d i s c u t i m o s e l d e s c u b r i m i e n t o d e l a radiación d e m i c r o o n d a s cósmicas. E n e s e c a s o , v i m o s q u e l a liberación d e r a d i a ción q u e siguió a l a formación d e l o s átomos 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g s e podía d e t e c t a r h o y e n l a radiación d e m i c r o o n d a s q u e llega a l a T i e r r a d e s d e t o d a s las d i r e c c i o n e s .

U n a f o r m a d e i m a g i n a r l a radiación e s c o n s i d e r a r l a u n e c o d e l B i g B a n g , a l g o q u e f u e c r e a d o h a c e m u c h o tiempo p e r o q u e n o h a d e s a p a r e c i d o y q u e aún p o d e m o s l l e g a r a d e t e c t a r . D e la m i s m a m a n e r a , p o d e m o s b u s c a r vestigios d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o p a r a c o m p r o b a r l a s teorías G U T . H a y u n a l a r g a h i s t o r i a d e búsquedas d e d o s d e e s t o s v e s t i g i o s , a u n q u e l a s búsquedas e s t a b a n m o t i v a d a s p o r c o n s i d e r a c i o n e s más g e n e r a l e s q u e l a s de c o m p r o b a r ideas sobre e l U n i v e r s o primitivo. L o s vestigios c i t a d o s s o n l o s q u a r k s y l o s m o n o p o l o s magnéticos.

Se supone q u el o s quarks desaparecieron d e l Universo c u a n d o s e c o n g e l a r o n e n partículas e l e m e n t a l e s 1 m i l i s e g u n d o después d e l B i g B a n g . S i n e m b a r g o , cabría e s p e r a r q u e a l g u n o s q u a r k s n o e s t u v i e r a n c e r c a d e l o s compañeros a d e cuados y perdieran la oportunidad d e combinarse.

Estos q u a r k s estarían aún p r e s e n t e s e n e l U n i v e r s o y , s i f u e r a n s u f i c i e n t e m e n t e a b u n d a n t e s , sería p o s i b l e d e t e c t a d o s e n n u e s t r o s l a b o r a t o r i o s . U n r e s u l t a d o p o s i t i v o e n l a búsqueda d e q u a r k s prestaría a p o y o a l a i d e a d e l a n a t u r a l e z a c o m p u e s t a d e l a s partículas e l e m e n t a l e s y reforzaría así n u e s t r a f e e n l a c r o m o dinámica cuántica. P u e s t o q u e e s t a teoría e s u n e l e m e n t o i m p o r t a n t e d e l a g r a n unificación, e l d e s c u b r i m i e n t o d e u n q u a r k l i b r e n o s proporcionaría c i e r t a e v i d e n c i a e x p e r i m e n t a l , a u n q u e indirecta, d e que nuestra i m a g e n del Universo primitivo c o m o u n a serie d e congelaciones sucesivas e s correcta.

E l n e g a t i v o d e e s t a proposición, s i n e m b a r g o , n o e s n e c e s a r i a m e n t e c i e r t o . E n e l capítulo 7 v i m o s q u e l a G U T p r e d i c e q u e , e n n u e s t r a e r a p r e s e n t e , l o s q u a r k s deberían e s t a r c o n f i n a d o s d e n h r o d e partículas e l e m e n t a l e s . P o r l o t a n t o , e l f r a c a s o e n l a búsqueda d e q u a r k s l i b r e s n o significaría t e n e r q u e d u d a r 224

LA B Ú S Q U E D A DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

d e n i n g u n a teoría a c t u a l . P a r a e x p l i c a r e s t e r e s u l t a d o sólo s e ría n e c e s a r i o a r g u m e n t a r q u e e l número d e partículas fósiles r e s u l t a n t e s d e l p r o c e s o d e combinación e n e l p r i m e r m i l i s e g u n d o es demasiado escaso para que se detecte e n u n experímento d a d o . N o h a y n i n g u n a indicación teórica s o b r e e l núm e r o d e q u a r k s fósiles q u e debería h a b e r , p o r l o q u e s i e m p r e q u e d a esta escapatoria.

L a situación e s l i g e r a m e n t e d i s b n t a e n l o q u e s e r e f i e r e a l o s m o n o p o l o s magnébcos. T a l c o m o h e m o s v i s t o , s e s u p o n e q u e l a congelación G U T p r o d u j o e s t a s partículas a través d e l m i s m o b p o d e p r o c e s o q u e p r o d u j o l a s c u e r d a s . E l número d e m o n o p o l o s que se crearon y su c o m p o r t a m i e n t o posterior son o b j e t o e n l a a c b i a l i d a d d e u n i n t e n s o d e b a t e e n t r e l o s teóricos.

N o o b s t a n t e , l a detección d e u n a partícula c o n u n a c a r g a m a g nética a i s l a d a ( e l e q u i v a l e n t e d e u n p o l o n o r t e o s u r d e u n imán), c o n u n a m a s a característica d e l a m a s a d e unificación ( l O " " G e V o más), sería s i n l u g a r a d u d a s u n a f u e r t e e v i d e n c i a d e q u e a l g o c o m o l a congelación G U T ocurrió r e a l m e n t e más o m e n o s d e l a m a n e r a que h e m o s descrito.

C o m o e n e l c a s o d e l o s q u a r k s fósiles, e l f r a c a s o e n l a búsq u e d a d e m o n o p o l o s n o refutaría n e c e s a r i a m e n t e e l m o d e l o d e l a g r a n unificación d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o . P a r a l o s m o n o p o l o s , s i n e m b a r g o , u n h - a c a s o c o n b n u a d o e n s u búsqueda r e queriría u n a explicación teórica c o n v i n c e n t e . S e s u p o n e q u e e s t a s partículas e x i s t e n y s i n o s e e n c u e n t r a n , debería h a b e r u n a b u e n a razón p a r a e l l o .

U n a d e l a s c o i n c i d e n c i a s más i n t e r e s a n t e s e n l a búsqueda d e partículas fósiles e s q u e l o s m e j o r e s c a n d i d a t o s a l d e s c u b r i m i e n t o d e l o s q u a r k s y l o s m o n o p o l o s magnéticos s o n p r o d u c to del m i s m o laboratorio (aunque fueron realizados por investigadores distintos). E l L o w T e m p e r a t u r e L a b o r a t o r y d e l a S t a n f o r d U n i v e r s i t y está b a j o l a dirección d e W i l l i a m F a i r b a n k , u n h o m b r e q u e h a d e d i c a d o u n g r a n e s f u e r z o a l a búsqueda d e l o s q u a r k s d e s d e finales d e l o s años s e s e n t a . U n j o v e n i n v e s t i g a d o r d e s u l a b o r a t o r i o , B l a s C a b r e r a , asombró a l m u n d o científico, e n 1 9 8 2 , c u a n d o anunció e l r e g i s t r o d e u n s u c e s o q u e podría s e r m u y b i e n l a p r i m e r a detección d e u n m o n o p o 225

EL

M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

l o magnético. T a n t o e l q u a r k d e F a i r b a n k c o m o e l m o n o p o l o de Cabrera h a n sido objeto d e u n intenso debate e nl a c o m u n i d a d científica y e s j u s t o d e c i r q u e n i n g u n o d e l o s d o s h a s i d o todavía a c e p t a d o s i n o b j e c i o n e s . P o r o t r a p a r t e , n i n g u n o h a s i d o d e f i n i t i v a m e n t e r e c h a z a d o . A continuación d i s c u t i r e m o s e l e s t a d o a c t u a l d e l a búsqueda d e a m b o s tipos d e partículas fósiles.

M O N O P O L O S MAGNÉTICOS D u r a n t e l a congelación G U T , y a m e d i d a q u e ésta a v a n z a ba, s e f o r m a r o n defectos e n e lU n i v e r s o . (Estos defectos s e disc u b e r o n c o n d e t a l l e e n e l capítulo 9 . ) L o s d e f e c t o s d e p u n t o s e h a n d e s c r i t o c o m o microscópicos " g i r o s d e l e s p a c i o " , l u g a r e s d o n d e c a m b i a b r u s c a m e n t e l a dirección d e l a simetría. S e rían análogos a l d e f e c t o e n u n c a m p o magnético d e l t i p o m o s t r a d o a l a i z q u i e r d a d e l a figura 5 3 , u n p u n t o d o n d e e l c a m p o magnético c a m b i a d e m a n e r a d i s c o n t i n u a e n c u a l q u i e r línea radial.

L o s defectos d e p u n t o e n e l Universo primitivo p u e d e n e x a m i n a r s e teóricamente. P o r e j e m p l o , s i ti-azamos u n a s u p e r ficie i m a g i n a r i a a l r e d e d o r d e u n d e f e c t o , t a l c o m o s e m u e s t r a a l a d e r e c h a d e l a figura 5 3 , p o d e m o s p r e g u n t a m o s l o q u e p r e d i c e l a teoría a c e r c a d e l c a m p o magnético e n l o s p u n t o s d e d i c h a s u p e r f i c i e . R e s u l t a q u e s i l a s u p e r f i c i e está l o s u f i c i e n t e l e j o s d e l d e f e c t o , e l c a m p o magnético a p u n t a r a d i a l m e n t e h a c i a f u e r a . Además, e l c a m p o tiene e x a c t a m e n t e l a i n t e n s i d a d q u e tendría s i u n p o l o magnético a i s l a d o e s t u v i e r a s i t u a d o e n l a posición d e l d e f e c t o . A p a r t i r d e e s t o s cálculos, l o s teóricos c o n c l u y e n q u e l o s d e f e c t o s f o r m a d o s d u r a n t e l a congelación G U T s e n o s aparecerían c o m o partículas q u e p r o d u c e n l o s m i s m o s e f e c t o s q u e u n p o l o magnético a i s l a d o . L a e x i s t e n c i a d e e s t a s partículas s e postuló h a c e c a s i u n s i g l o , y s e d e n o m i n a n m o n o p o l o s magnéticos.

H a y u n p a r d e p u n t o s d e e s t a discusión q u e s e g u r a m e n t e n e c e s i t a n e l a b o r a r s e más. ¿Cuál e s , p o r e j e m p l o , l a conexión 226

LA B Ú S Q U E D A DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

Fig.

53

e n t r e a l g o l l a m a d o d e f e c t o y u n a partícula e l e m e n t a l ? U n a b u e n a analogía d e l o q u e l o s físicos p i e n s a n d e e s t a cuesbón es i m a g i n a r u n a l a r g a c o l a d e c o c h e s e n u n e m b o t e l l a m i e n t o d e fráfico. S i e l p r i m e r c o c h e a d e l a n t a u n o s c u a n t o s m e f r o s , e l c o c h e s i g u i e n t e adelantará p a r a l l e n a r e l e s p a c i o , l u e g o l o hará e l t e r c e r o p a r a l l e n a r e l e s p a c i o d e j a d o p o r e l s e g u n d o y así s u c e s i v a m e n t e . Podríamos d e s c r i b i r e s t e p r o c e s o t a l c o m o a c a b a m o s d e h a c e r l o , t o t a l m e n t e e n términos d e l o s m o v i m i e n t o s d e l o s c o c h e s d e l a c o l a . S i n e m b a r g o , sería i g u a l m e n t e c o r r e c t o d e s c r i b i r l a situación e n términos d e l m o v i m i e n t o d e l h u e c o . Podríamos d e c i r , p o r e j e m p l o , q u e h a a p a r e c i d o u n h u e c o e n l a c o l a y s e h a m o v i d o h a c i a atrás a u n a v e l o c i d a d de tantos mefros por segundo. El hueco es e nrealidad u n defecto e n l acola d e coches, p e r o para todos los efectos p u e d e considerarse c o m o u n ae n t i d a d c o n existencia p r o p i a . D e m o d o similar e ldefecto d ep u n t o producido durante l a congelación G U T tendría e l a s p e c t o d e u n a partícula, c o n p r o p i e d a des p o c o habituales, p o r supuesto, pero, sin e m b a r g o , u n a partícula.

E l s e g u n d o p u n t o q u e n e c e s i t a u n a clarificación b e n e q u e v e r c o n l a i n t e n s i d a d d e l c a m p o magnético p r o d u c i d o p o r u n m o n o p o l o magnético. P r e g u n t a r p o r e s t e c a m p o e s e q u i v a l e n 227

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

t e a p r e g u n t a r c o n qué f u e r z a u n m o n o p o l o magnético a t r a e o r e p e l e a o t r o . A p r i m e r a v i s t a podría p a r e c e r q u e l a i n t e n s i d a d d e l a interacción electromagnética, i g u a l q u e l a d e l a c a r g a eléctrica, debería s e r u n a d§ e s a s c a n t i d a d e s d e l a n a t u r a leza q u e p o d e m o s m e d i r p e r o q u e n o p o d e m o s calcular. S i n e m b a r g o , e n 1 9 3 1 , e l p r e m i o N o b e l británico P . A . M . D i r a c mostró q u e éste n o e r a e l c a s o . U t i l i z a n d o a r g u m e n t o s b a s a d o s e n l o s p r i n c i p i o s g e n e r a l e s d e l a mecánica cuánbca, m o s tró q u e s i s e añadía l a interacción e n t r e m o n o p o l o s magnétic o s a l a t a b l a d e f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s d a d a e n l a página 8 7 , s u i n t e n s i d a d sería c o m o mínimo s e s e n t a v e c e s l a d e l a i n t e r acción f u e r t e . E n o f r a s p a l a b r a s , representaría l a f u e r z a más potente d e la naturaleza.

E n razón d e l d e s c u b r i m i e n t o d e D i r a c s e h a s u p u e s t o s i e m p r e q u e s i u n m o n o p o l o magnébco p a s a r a a fravés d e u n a p a r a t o e x p e r i m e n t a l , dejaría fras él u n a e v i d e n c i a i n c o n f u n d i b l e d e s u p r e s e n c i a . L a f u e r z a elecfromagnética a s o c i a d a c o n e l m o n o p o l o e n m o v i m i e n t o actuaría s o b r e l o s e l e c t r o n e s d e l o s átomos y l o s arrancaría d e s u s núcleos. E l r e s u l t a d o sería u n r a s f r o d e átomos d e s g a j a d o s q u e resultaría b a s t a n t e fácil d e d e t e c t a r . P u e s t o q u e l o s átomos q u e h a n s i d o d e s p o j a d o s d e sus electrones se l l a m a n iones, e l proceso p o r e l q u e u n m o n o p o l o podría a r r a n c a r l o s e l e c f r o n e s d e l o s átomos s e l l a m a ionización.

H a s t a h a c e u n o s años, t o d a s l a s búsquedas d e m o n o p o l o s magnéticos dependían d e u n a m a n e r a u o f r a d e l a i d e a d e q u e deberían i o n i z a r f u e r t e m e n t e l a matería. L o s experímentos s e planeaban para detectar directamente los restos que se esper a b a q u e e l m o n o p o l o dejaría e n s u c a m i n o , o b i e n s e suponía q u e u n m o n o p o l o a l a l c a n z a r l a T i e r r a perdería energía t a n ráp i d a m e n t e a fravés d e l p r o c e s o d e ionización q u e s e frenaría h a s t a d e t e n e r s e . E n e s t e úlbmo c a s o , e l m o n o p o l o sería c o m o u n a p i e d r a l a n z a d a e n u n a j a r r a d e m e l a z a : n o iría n u n c a m u y l e j o s d e l p u n t o d o n d e h u b i e r a a l c a n z a d o l a T i e r r a . L a lógica d e l o s e x p e r i m e n t o s diseñados p a r a a p r o v e c h a r e s t e c o m p o r t a m i e n t o e r a b u s c a r e n áreas d o n d e podía e s p e r a r s e q u e s e congregaran los m o n o p o l o s , p o r e j e m p l o , cerca d e los p o l o s 228

LA B Ú S Q U E D A DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

magnéticos o e n r o c a s l u n a r e s . T o d a s l a s búsquedas, t a n t o d i r e c t a s c o m o geológicas, h a n s i d o i n f r u c t u o s a s .

E l d e s a r r o l l o d e l a G U T h a p r o p o r c i o n a d o u n a explicación a e s t e d e s c o n c e r t a n t e f r a c a s o . H a s t a h a c e p o c o l o s físicos creían q u e l o s m o n o p o l o s magnéticos deberían t e n e r u n a m a s a d e u n o s p o c o s G e V . N o había n i n g u n a justificación s e r i a p a r a e s t a c r e e n c i a , p e r o n o había n i n g u n a partícula c o n o c i d a c o n u n a m a s a s u p e r i o r a ésta, y s i m p l e m e n t e n o s e l e había ocurrido a nadie que u n m o n o p o l o fuera radicalmente disbnto d e o t r a s partículas. U n a partícula c o n u n a c a r g a magnética s e ría a c e l e r a d a p o r u n c a m p o magnébco, i g u a l q u e l a s partículas c o n c a r g a elécbica s o n a c e l e r a d a s p o r l o s c a m p o s elécfricos.

H a y u n pequeño c a m p o magnético q u e s e e x t i e n d e p o r t o d a l a G a l a x i a . S u s orígenes n o s e c o m p r e n d e n m u y b i e n , p e r o s u s e f e c t o s p u e d e n m e d i r s e c o n f a c i l i d a d . E l c a m p o galáctico e s pequeño — u n a millonésima d e l a i n t e n s i d a d d e l c a m p o t e r r e s t r e — p e r o se extiende p o r distancias inmensas. U n m o n o p o l o magnético c o n u n a m a s a d e sólo u n o s c u a n t o s G e V sería a c e l e r a d o rápidamente p o r e l c a m p o galáctico y s e acercaría a l a T i e r r a a casi l a v e l o c i d a d d e l a luz. U n m o n o p o l o q u e s e m o v i e r a a e s a v e l o c i d a d provocaría s i n d u d a u n a g r a n c a n t i d a d d e ionización. E l f r a c a s o d e l a s búsquedas e x p e r i m e n t a l e s h i z o que m u c h o s investigadores (incluido e lautor) concluyeran que había m u y p o c o s m o n o p o l o s e n e l U n i v e r s o y t a l v e z n i n g u n o .

E l p o r qué d e e s t o seguía s i e n d o u n m i s t e r i o , p e r o parecía u n hecho firmemente establecido.

Los m o n o p o l o s G U T , con su masa enorme, cambiaron por c o m p l e t o e s t a situación. E l c a m p o galácbco aceleraría también u n m o n o p o l o p e s a d o , p e r o n o podría i m p a r t i r t e u n a v e l o c i d a d m u y elevada. P u e d e esperarse q u e l o sm o n o p o l o s G U T se acerquen a l a Tierra a u n 0,1 % d e l a velocidad d e l a luz o m e n o s , a p a s o d e t o r t u g a c o m p a r a d o c o n o t r o s r a y o s cósmic o s . A e s t a v e l o c i d a d , l o s m o n o p o l o s n o causarían m u c h o s d e s t r o z o s e n l o s átomos, s o b r e t o d o p o r q u e a l p a s a r t a n l e n t a m e n t e l o s átomos t i e n e n b e m p o d e a d a p t a r s e a l a s f u e r z a s q u e se ejercen sobre ellos. D e la m i s m a m a n e r a , u n a bala atrav i e s a u n a p u e r t a , p e r o s i ésta s e e m p u j a c o n l a m a n o , s e a b r e 229

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

l e n t a m e n t e s i n r e s u l t a r dañada. E n o t r a s p a l a b r a s , t o d a s l a s búsquedas d e m o n o p o l o s b a s a d a s e n l a i d e a d e q u e l o s m o n o p o l o s c a u s a n u n a g r a n c a n b d a d d e ionización n o d e t e c t a rían e n a b s o l u t o m o n o p o l o s G U T . E s t o s i g n i f i c a b a v o l v e r a empezar de nuevo.

E l c a m b i o e n e l e n f o q u e d e l a s búsquedas d e m o n o p o l o s t u v o l u g a r e n u n b e m p o n o t a b l e m e n t e c o r t o . Quizás u n a e x p e r i e n c i a p e r s o n a l r e f l e j e b i e n e s t e p u n t o . Escribí u n artículo e n e l q u e exponía q u e l o s m o n o p o l o s m a s i v o s s e moverían d e s p a c i o e ionizarían m u y p o c o , y l o envié a u n a p r e s b g i o s a r e v i s t a a m e r i c a n a d e física, d o n d e f u e r e c h a z a d o e n razón d e q u e s e había " d e m o s t r a d o " q u e l o s m o n o p o l o s producían m u c h a ionización. Después d e u n o s c a m b i o s s e c u n d a r i o s , mandé e l artículo a o t r a r e v i s t a . P o r a q u e l e n t o n c e s l a s i d e a s s o b r e l o s m o n o p o l o s habían c a m b i a d o t a n t o q u e f u e a c e p t a d o s i n n i n gún c o m e n t a r i o . C u a n d o apareció p u b l i c a d o , c u a t r o m e s e s más t a r d e , y a e r a a g u a p a s a d a . P a r a e n t o n c e s , t o d o e l m u n d o sabía q u e l o s m o n o p o l o s m a s i v o s n o podían h a b e r s e d e t e c t a d o e n l a s búsquedas a n t e r i o r e s d e m o n o p o l o s . U n p a r a d i g m a científico había e x p e r i m e n t a d o u n c a m b i o i m p o r t a n t e e n u n período d e m e n o s d e s e i s m e s e s .

P e r o , si n op o d e m o s detectar los m o n o p o l o s m e d i a n t e l a observación d e l o s e f e c t o s d e s u s i n t e r a c c i o n e s c o n l o s átom o s , ¿cómo p o d e m o s h a c e r i o ? R e s u l t a q u e e x i s t e o t r a i m p o r t a n t e p r o p i e d a d q u e c u a l q u i e r p o l o magnébco p o s e e . S i u n a espira d e alambre se dispone d e f o r m a que l a trayectoria del m o n o p o l o l a a t r a v i e s e , e l p a s o d e l m o n o p o l o provocará e l f l u j o d e u n a c o r r i e n t e eléctrica p o r l a e s p i r a . S i l a e s p i r a está h e c h a d e c o b r e o r d i n a r i o , l a s c o l i s i o n e s e n t r e l o s átomos d e c o bre y los electrones e n m o v i m i e n t o que consbtuyen la corriente h a c e n q u e f i n a l m e n t e l a c o r r i e n t e cese. S i n e m b a r g o , s i l a e s p i r a está h e c h a d e u n t i p o e s p e c i a l d e m a t e r i a l l l a m a d o s u p e r c o n d u c t o r , l a c o r r i e n t e n o desaparecerá y seguirá f l u y e n d o i n d e f i n i d a m e n t e . E l flujo d e c o r r i e n t e e n l a e s p i r a e s e n t o n c e s u n r e g i s t r o p e r m a n e n t e d e l p a s o d e u n m o n o p o l o magnébco.

E l p r o b l e m a c o n e s t e e s q u e m a d e detección e s q u e l o s materiales deben mantenerse a m u y baja temperatura para 230

LA B Ú S Q U E D A DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

q u e s e a n s u p e r c o n d u c t o r e s . E n u n e x p e r i m e n t o típico, b a j a s i g n i f i c a e n t r e 1 y 10° p o r e n c i m a d e l c e r o a b s o l u t o ( e s d e c i r , e n t r e - 2 6 3 y - 2 7 2 " C e l s i u s ) . E s t o s i g n i f i c a q u e l a búsqueda de m o n o p o l o s m e d i a n t e l am e d i d a d e s uefecto e nu n a espira d e a l a m b r e r e q u i e r e u n a s técnicas m u y e s p e c i a l e s , l a s a s o c i a d a s c o n e l c a m p o q u e l l a m a m o s física d e l a s b a j a s t e m p e r a t u r a s . E s t o e x p l i c a , p o r l o m e n o s e n p a r t e , p o r qué e l s u c e s o q u e e s e l c a n d i d a t o más p r o b a b l e p a r a e l d e s c u b r i m i e n t o d e u n m o n o p o l o n o s e realizó e n u n l a b o r a t o r i o d e d i c a d o a l e s t u d i o d e l a física d e l a s a l t a s energías.

B l a s C a b r e r a había diseñado u n e x p e r i m e n t o p a r a m e d i r u n a d e l a s c o n s t a n t e s f u n d a m e n t a l e s d e l a física, u n propósito q u e podía c o n s e g u i r s e m e j o r s i s e t r a b a j a b a a b a j a s t e m p e r a t u r a s . U n a p a r t e d e l a p a r a t o p a r a e s t e e x p e r i m e n t o consistía e n u n a e s p i r a d e m e t a l s u p e r c o n d u c t o r q u e medía u n o s c u a n t o s centímetros d e diámetro. S e d i o c u e n t a d e q u e s i r e g i s t r a ba l a corriente e n esta espira c u a n d o e l resto del e x p e r i m e n t o n o e s t a b a e n f u n c i o n a m i e n t o , l a e s p i r a actuaría c o m o u n d e tector d e m o n o p o l o s . P o r lo tanto, a u n q u e e lexperimento n o s e había diseñado específicamente p a r a d e t e c t a r m o n o p o l o s , s e podía l l e v a r a c a b o s u búsqueda c o m o t a r e a a d i c i o n a l . L a e s p i r a permanecería s i m p l e m e n t e e n e l a p a r a t o y s i sucedía q u e u n m o n o p o l o l a a f r a v e s a b a , e l s u c e s o quedaría r e g i s b - a d o .

L a búsqueda d e m o n o p o l o s funcionó d u r a n t e s e i s m e s e s e n e l otoño y e l i n v i e r n o d e 1 9 8 1 - 8 2 s i n n i n g u n a indicación c l a r a d e éxito. E n t o n c e s , a l a 1 h 4 5 m i n d e l a t a r d e d e l día d e s a n Valentín d e 1 9 8 2 , s i n q u e h u b i e r a n a d i e e n e l l a b o r a t o r i o , sucedió. L a c o r r i e n t e a través d e l a e s p i r a aumentó d e g o l p e j u s t o l a c a n b d a d q u e aumentaría s i u n m o n o p o l o p a s a s e a fravés d e e l l a . L a c o r r i e n t e e n l a e s p i r a , t a l c o m o s e regisfró e n u n r o l l o d e p a p e l d e gráficos, tenía e l a s p e c t o q u e s e m u e s fra a l a i z q u i e r d a d e l a f i g u r a 5 4 . E l s a l t o súbito d e l a c o r r i e n t e e s e x a c t a m e n t e l o q u e s e esperaría d e l p a s o d e u n m o n o p o l o .

El c a m b i o d e corriente, q u e e s p r o p o r c i o n a l a la altura del salt o , también c o i n c i d e c o n e x a c t i t u d .

A pesar d e esta evidencia a p a r e n t e m e n t e convincente, l a p r i m e r a reacción d e C a b r e r a f u e p r e g u n t a r s e : «¿Qué e s l o q u e 231

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

Fig.

54

h a f u n c i o n a d o mal?» P o r s u e x p e r i e n c i a e n e l l a b o r a t o r i o , s a bía q u e e n c u a l q u i e r s i s t e m a a p a r e c e n c o n f r e c u e n c i a s u c e s o s i n e s p e r a d o s , p o r l o q u e d e b e t e n e r s e c i e r t a precaución a l i n t e r p r e t a r u n h e c h o a i s l a d o c o m o éste. C a b r e r a d i o v u e l t a s a l a i d e a d e q u e quizás a l g u i e n había e n t r a d o e n e l l a b o r a t o r i o p a r a t o m a r p r e s t a d o algún e q u i p o y había g o l p e a d o e l a p a r a t o . «Después d e todo», decía, «esta p e r s o n a d e b e e s t a r a h o r a d e m a s i a d o t u r b a d a p a r a decímoslo». P a r a c o m p r o b a r e s t a f u e n t e p o s i b l e d e l s u c e s o . C a b r e r a registró l a c o r r i e n t e d e l a espira mientras golpeaba e l delicado aparato con u n destomiU a d o r . L a señal p r o d u c i d a p o r e s t e t i p o d e g o l p e s s e m u e s f r a a l a d e r e c h a d e l a f i g u r a 5 4 , y d i f i e r e c l a r a m e n t e d e l a señal d e l día d e s a n Valentín. M e d i a n t e u n p r o c e s o d e eliminación a b a s e d e m u c h a s p r u e b a s . C a b r e r a p u d o d e s c a r t a r l a mayoría d e l a s e x p l i c a c i o n e s a l t e m a b v a s y d e j a r c o m o interpretación más p r o b a b l e d e l s u c e s o e l p a s o d e u n m o n o p o l o magnébco.

A p a r t i r d e l h e c h o d e q u e v i o l a señal d e u n m o n o p o l o e n s u pequeña e s p i r a después d e 1 8 5 días. C a b r e r a llegó a l a conclusión d e q u e d e b e h a b e r u n o s s e i s m o n o p o l o s q u e a f r a viesan cada m e f r o cuadrado d e lasuperficie d e l aTierra cada día. E s t o significaría q u e e n t r e c i n c o y d i e z a f r a v i e s a n n u e s f r o c u e r p o c a d a día. (¡Es u n a s u e r t e q u e s e m u e v a n l e n t a m e n t e y n o p u e d a n c a u s a r m u c h o daño!)

E l a n u n c i o d e e s t e s u c e s o p r o d u j o u n a g r a n excitación e n fre l o s físicos y e n l a a c t u a l i d a d están e n consfrucción m u c h o s 232

LA BÚSQUEDA DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

e x p e r i m e n t o s a v a n z a d o s d e detección d e m o n o p o l o s . C u a n d o C a b r e r a h i z o s u d e s c u b r i m i e n t o , tenía u n s i s t e m a m e j o r a d o e n l a s m e s a s d e d i b u j o , q u e entró e n f u n c i o n a m i e n t o e n otoño d e 1 9 8 2 . E n l a p r i m a v e r a d e 1 9 8 3 aún n o había o b s e r v a d o u n s e g u n d o m o n o p o l o , l o q u e s i g n i f i c a q u e d e b e r e d u c i r s e e l núm e r o esbmado d e m o n o p o l o s del Universo por u n factor 1 0 c o m o mínimo, e s d e c i r , e n l u g a r d e 6 p o r m e b - o c u a d r a d o y p o r día, n o p u e d e n s e r más d e 0 , 6 .

S i los m o n o p o l o s s o n , e n realidad, p o c o abundantes, este b p o d eresultado n o es demasiado sorprendente. S e puede ten e r s u e r t e y v e r u n o a l p o c o b e m p o d e e m p e z a r l a búsqueda y l u e g o n o e n c o n t r a r n i n g u n o más d u r a n t e años. C u a n t o más se b e n e q u e e s p e r a r p a r a q u e s e p r o d u z c a e l s e g u n d o suceso, m e n o s abundantes s o n los m o n o p o l o s . Cualquiera que tenga l a afición d e b u s c a r o b j e t o s r e l a b v a m e n t e e s c a s o s ( l o s c o l e c c i o n i s t a s d e l i b r o s , p . e j . ) está f a m i l i a r i z a d o c o n e s t e h e c h o .

S i n e m b a r g o , e l r e s u l t a d o e x p e r i m e n t a l e s t a n c l a r o y e l anál i s i s d e C a b r e r a e s t a n riguroso q u e l a mayoría d e físicos cree q u e h a y u n a g r a n p r o b a b i l i d a d d e q u e este suceso fuera l a p r i m e r a v e z q u e s e h a o b s e r v a d o u n m o n o p o l o magnébco.

S i e s t a interpretación e s l a c o r r e c t a , sería m u y i m p o r t a n t e para nuesfras ideas sobre e l U n i v e r s o primitivo. E l m o n o p o l o sería u n v i s i t a n t e q u e h a l l e g a d o h a s t a n o s o t r o s d i r e c t a m e n t e d e l a congelación G U T y , m e d i a n t e e l e s t u d i o d e s u s p r o p i e dades y d e s u abundancia, p o d e m o s retinar nuestro conocimiento d e aquel acontecimiento.

S i n e m b a r g o , h a y algunas dificultades c o n esta interpretación d e l r e s u l t a d o d e C a b r e r a q u e n o tienen n a d a q u e v e r c o n su experimento. S u p o n e m o s que los m o n o p o l o s , al haber sido c r e a d o s e n las p r i m e r a s e t a p a s d e l B i g B a n g , d e b e n ser p a r e c i d o s a l a radiación d e m i c r o o n d a s e n e l s e n t i d o d e a b u n d a r por u n igual e ncualquier lugar del Universo. S i cabe esperar que u n m o n o p o l o atraviese u n m e t r o cuadrado d e l asuperfic i e t e r r e s h - e c a d a b-es días ( o c a d a d i e z días, o c a d a m e s ) , e n t o n c e s t e n e m o s q u e l l e g a r a l a conclusión, basándonos e n e s t e a r g u m e n t o , q u e también d e b e n a t r a v e s a r u n m e t r o c u a d r a d o e n c u a l q u i e r l u g a r d e l a G a l a x i a a l m i s m o ritmo. E n o t r a s p a 233

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

l a b r a s , n u e s t r a p r i m e r a impresión e s q u e p o d e m o s e x t r a p o l a r s i m p l e m e n t e e l flujo d e m o n o p o l o s e n c o n f r a d o e n l a s u p e r f i cie terrestre a lugares a l e j a d o s d e n o s o t r o s .

Si s u p o n e m o s que los m o n o p o l o s s o n tan abundantes e n nuestra galaxia c o m o parece indicar el suceso d eCabrera, surg e n a l g u n o s p r o b l e m a s teóricos. U n o d e e l l o s b e n e q u e v e r c o n l a e x i s t e n c i a d e l c a m p o rnagnébco galácbco a l q u e h e m o s a l u d i d o a n t e r i o r m e n t e . L o s m o n o p o l o s serían a c e l e r a d o s p o r e s t e c a m p o , p o r l o q u e s e transferiría energía d e l c a m p o m a g nébco a l a energía d e m o v i m i e n t o d e l o s m o n o p o l o s . E l e f e c t o d e e s t a t r a n s f e r e n c i a sería l a disminución d e l a i n t e n s i d a d d e l c a m p o . S i n o s e r e e m p l a z a l a energía t o m a d a d e l c a m p o y s i los m o n o p o l o s s o n tan abundantes c o m o parece indicar e l exp e r i m e n t o , e n t o n c e s s e extraería t o d a l a energía d e l c a m p o galácbco e n u n b e m p o c o r t o , t a l v e z u n millón d e años o m e n o s . Además, n u e s t r a s m e j o r e s i d e a s teóricas s o b r e e l o r i g e n d e l c a m p o magnébco galácbco i n d i c a n q u e sería i m p o s i b l e e n principio establecer e l c a m p o sih u b i e r a u n a cierta a b u n d a n c i a d e m o n o p o l o s magnébcos. L a extracción d e energía d e l c a m p o sería d e m a s i a d o i m p o r t a n t e ; sería c o m o fratar d e m o v e r u n coche c o n los frenos puestos. E lh e c h o d e q u e e n l a Galaxia h a y a u n c a m p o magnético q u e s e s u p o n e p e r m a n e n t e i n d i c a q u e e l número d e m o n o p o l o s q u e a t r a v i e s a u n m e f r o c u a d r a d o e n l a s u p e r f i c i e t e r r e s f r e c a d a día tendría q u e s e r m e n o r d e 0 , 0 1 ( e s d e c i r , q u e n o tendría q u e h a b e r más d e 1 c a d a c i e n días). Éste e s u n f a c t o r 6 0 0 m a y o r q u e e l número o b t e n i d o a p a r t i r d e l d e s c u b r i m i e n t o o r i g i n a l d e C a b r e r a , p e r o sólo u n f a c t o r 6 0 m a y o r q u e e l límite p r o p u e s t o p o r C a b r e r a e n e l m o m e n t o d e e s c r i b i r e s t o . E l límite e n e l número d e m o n o p o l o s d e r i v a d o d e l c a m p o magnébco galácbco s e c o n o c e c o m o límite d e P a r k e r , e n h o n o r a l astrofísico d e l a U n i v e r s i t y o f C h i c a g o , E u g e n e P a r k e r , q u e f u e q u i e n p r i m e r o l o descubrió.

A p a r t i r d e a l g u n o s cálculos r e c i e n t e s d e l a p r o p i a teoría G U T s e p u e d e o b t e n e r o f r o límite e n e l número d e m o n o p o los. D a d o q u e e s p o s i b l e c o m p r e n d e r las p r o p i e d a d e s d e los m o n o p o l o s u s a n d o la G U T , p o d e m o s predecir l o q u e les sucede a l entrar e n contacto con grandes canbdades d e materia.

234

LA B Ú S Q U E D A DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

Resulta que los m o n o p o l o s G U T p u e d e n tener l a capacid a d d e c a t a l i z a r l a desintegración d e l o s p r o t o n e s , e s d e c i r , l o s p r o t o n e s s i t u a d o s e n las p r o x i m i d a d e s d e u n o d e estos m o n o p o l o s p u e d e n t e n e r u n a p r o b a b i l i d a d m a y o r d e desintegración q u e l o s q u e n o l o están. P a r a q u e e s t e p r o c e s o t e n g a u n e f e c t o a gran escala, los m o n o p o l o s b e n e n que tener u n encuentro c e r c a n o c o n u n g r a n número d e p r o t o n e s ( o n e u f r o n e s ) , l o q u e s i g n i f i c a q u e l a catálisis será más i m p o r t a n t e e n s i s t e m a s m u y densos.

E n l a Galaxia, h a y m u c h o s sistemas e n los q u e l a materia existe e n estados d e m u y alta densidad. U n a estrella d e n e u t r o n e s , p o r e j e m p l o , p u e d e t e n e r u n tamaño d e sólo u n o s 2 0 kilómetros d e diámetro, y t e n e r , s i n e m b a r g o , l a m i s m a m a s a q u e e l S o l . U n m o n o p o l o q u e s e m u e v a a través d e u n a e s t r e l l a d e n e u t r o n e s tendrá m u c h o s e n c u e n t r o s c e r c a n o s y , p o r consiguiente, p u e d e esperarse que p r o v o q u e m u c h a s desintegraciones d e los neutrones. S i h u b i e r a tantos m o n o p o l o s e n l a Galaxia c o m o indican los resultados d e C a b r e r a y si estos m o n o p o l o s c a t a l i z a n r e a l m e n t e l a desintegración, cabría e s p e r a r e n t o n c e s q u e l a energía a d i c i o n a l añadida a l a s e s t r e l l a s d e n e u b r o n e s p o r l a s d e s i n t e g r a c i o n e s i n d u c i d a s provocaría q u e esas estrellas e m i t i e r a n grandes c a n b d a d e s d e rayos X . P o r los resultados obtenidos con los telescopios d e rayos X instalados e n satélites, s a b e m o s q u e éste n o e s e l c a s o . A u n q u e h a y u n d e b a t e teórico m u y i m p o r t a n t e s o b r e l o s d e t a l l e s d e e s t o s cálculos, e x i s t e u n c o n s e n s o g e n e r a l e n e l s e n b d o d e q u e l a s p r o p i e d a d e s o b s e r v a d a s d e las esfrellas d e n e u t r o n e s s o n i n c o n g m e n t e s c o n los resultados de Cabrera, tal vez e n u n factor d e u n billón o más. E n o f r a s p a l a b r a s , a l g u n o s teóricos a s e g u r a n q u e e l número r e a l d e m o n o p o l o s d e l a s g a l a x i a s tiene q u e s e r u n billón d e v e c e s i n f e r i o r a l a estimación d e C a b r e r a .

E s t a conclusión n o e s a c e p t a d a u n i v e r s a l m e n t e . A u n q u e s e a d m i t e q u e los m o n o p o l o s q u e e n f r a n e n contacto m u y estrec h o c o n l o s p r o t o n e s c a t a l i z a n s u desintegración, o t r a e s c u e l a d e teóricos a r g u m e n t a q u e l a s i n t e n s a s f u e r z a s elecfromagnéticas asociadas c o n e l a c e r c a m i e n t o d e u n m o n o p o l o e m p u j a rán l o s p r o t o n e s f u e r a d e s u frayectoria a n t e s d e q u e e l p r o 235

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c e s o c a t a l i z a d o r p u e d a a c t u a r . L o s cálculos q u e h a y q u e r e a lizar p a r a resolver este p u n t o s o n i n m e n s a m e n t e c o m p l i c a d o s y p u e d e t r a n s c u r r i r algún t i e m p o a n t e s d e q u e s e l l e v e n a c a b o . L a p o s i b l e catálisis d e l a desintegración d e l protón p o r los m o n o p o l o s es p r o b a b l e q u e sea u n t e m a d e debate d u r a n t e algún b e m p o .

A p a r t i r d e e s t o s a r g u m e n t o s teóricos, l l e g a m o s a l a c o n clusión d e q u e e l d e b a t e s o b r e e l s u c e s o d e C a b r e r a d e b e tener u n a d e lasexplicaciones siguientes: 1.

2.

3.

E l e x p e r i m e n t o e s erróneo ( p o c o p r o b a b l e ) , o C a b r e r a tuvo u n a suerte extraordinaria a l observar e lpaso m u y p o c o frecuente d e u nm o n o p o l o . E neste caso n ose detectarán más m o n o p o l o s d u r a n t e m u c h o b e m p o .

L o s teóricos h a n p a s a d o p o r a l t o e f e c t o s q u e podrían debilitar o invalidar sus conclusiones (ya h a sucedido antes e n situaciones similares).

L o s m o n o p o l o s n o están d i s t r i b u i d o s p o r l a G a l a x i a d e manera uniforme.

E s t a última a l t e r n a t i v a h a s i d o p r o p u e s t a i n s i s t e n t e m e n t e p o r S h e l d o n G l a s h o w , u n o d e l o s f u n d a d o r e s d e l a teoría d e l a unificación. G l a s h o w a r g u m e n t a q u e l o s m o n o p o l o s , e n r a zón d e s u m a s a , d e b e n i n t e r a c c i o n a r c o n o t r a m a t e r i a a través d e l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a y p o r l o t a n t o tenderán a e s t a r c o n c e n trados e n regiones d e alta densidad d e materia. E neste caso quedaría t o d o s o l u c i o n a d o : l a d e n s i d a d d e m o n o p o l o s e n l a región d e l a T i e r r a podría s e r s u f i c i e n t e m e n t e a l t a p a r a m e d i r l a , m i e n b - a s q u e , a l m i s m o b e m p o , habría m u y p o c o s m o n o p o l o s e n e l e s p a c i o i n t e r e s t e l a r p a r a d e s t r u i r e l c a m p o magnét i c o galáctico y l a s e s t r e l l a s d e n e u t r o n e s .

LA B Ú S Q U E D A D E Q U A R K S F Ó S I L E S L a búsqueda d e q u a r k s n o s e h a r e a l i z a d o a l o l a r g o d e t a n t o b e m p o c o m o l a búsqueda d e m o n o p o l o s , p e r o h a s i d o 236

LA B Ú S Q U E D A DE LAS PARTÍCULAS FÓSILES

m u c h o más i n t e n s a ( p o r l o m e n o s h a s t a h a c e p o c o ) * . E l r e s u l t a d o d e l a búsqueda p u e d e r e s u m i r s e e n u n a f r a s e . C o n u n a única excepción, l a s búsquedas d i r e c t a s y geológicas d e q u a r k s n o h a n p r o d u c i d o ningún r e s u l t a d o p o s i b v o .

H a s t a e l d e s a r r o l l o d e l a teoría d e l c o n f i n a m i e n t o d e l o s q u a r k s (véase e l capítulo 7 ) , e s t e h e c h o e r a c a u s a d e p r o b l e m a s c o n c e p t u a l e s m u y g r a v e s . ¿Cómo e r a p o s i b l e q u e l o s quarks fueran l o sbloques fundamentales constitutivos d el a m a t e r i a y q u e n o s e h u b i e r a n o b s e r v a d o aún e n e l l a b o r a t o r i o ?

Sería c o m o h a b l a r d e p r o t o n e s y n e u t r o n e s s i n h a b e r v i s t o n i n g u n o a i s l a d o . S i n e m b a r g o , l a teoría d e l c o n f i n a m i e n t o p r e d i c e q u e e n n u e s t r a fría e r a a c t u a l n o p o d e m o s e s p e r a r v e r quarks aislados excepto e n combinaciones sin color. Este res u l t a d o h a e l i m i n a d o p a r t e d e l a u r g e n c i a e n l a búsqueda d e los quarks, a u n q u e sigue siendo razonable hablar d e encontrar q u a r k s fósiles q u e , p o r a l g u n a razón, q u e d a r o n e x c l u i d o s d e l a congelación d e l o s q u a r k s .

W i l l i a m F a i r b a n k h a t r a b a j a d o l a r g o tíempo e n l a búsqueda de quarks y su aparato, situado e ne lm i s m o edificio que e l d e C a b r e r a , h a p r o d u c i d o e l único c a n d i d a t o s u p e r v i v i e n t e d e l a detección r e a l d e u n q u a r k . L a figura 5 5 e s u n e s q u e m a s i m p l i f i c a d o d e l a p a r a t o d e S t a n f o r d p a r a l a búsqueda d e q u a r k s .

L a lógica d e l e x p e r i m e n t o e s fácil d e d e s c r i b i r , a u n q u e d e s d e e l p u n t o d e v i s t a técnico e s b a s t a n t e difícil d e l l e v a r a c a b o .

E n p r i m e r l u g a r , s e sitúa u n a e s f e r a d e n i o b i o d e 0 , 2 5 m m d e diámetro — m á s o m e n o s e l tamaño d e u n a m o t a d e p o l v o — e n e l c a m p o magnético e s t a b l e c i d o e n t i - e d o s p l a c a s d e vidrio. A temperaturas cercanas a l cero absoluto las fuerzas magnéticas q u e s e e j e r c e n s o b r e l a e s f e r a l a e m p u j a n h a c i a a r r i b a , e n u n p r o c e s o p a r e c i d o a l q u e h a c e q u e u n imán l e vanta u n clavo. S ie l c a m p o s e ajusta d em a n e r a correcta, p u e d e h a c e r s e q u e l a f u e r z a magnética h a c i a a r r i b a a n u l e e x a c t a m e n t e l a fuerza d e gravedad hacia abajo y l abola flote e n e l e s p a c i o p o r acción d e l o s i m a n e s .

• La historia de estas búsquedas se relata en el capítulo 11 de mi libro D e los átomos a los quarks (Salvat Editores, S. A., 1985).

237

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Fig.

55

U n a v e z c o n s e g u i d o este equilibrio, e s posible m e d i r l a c a r g a t o t a l d e l a esfera s i s e a p l i c a u n v o l t a j e a las placas d e v i d r i o y s e o b s e r v a e l m o v i m i e n t o d e r e s p u e s t a d e aquélla. E n l a prácnca, e l g m p o d e S t a n f o r d n o m i d e l a c a r g a d e m a n e r a directa, sino q u e trata d ereducirla a cero. P o r e j e m p l o , si existe u n a carga p o s i b v a e n l a esfera (tal v e z a l g u n o s e l e c t r o n e s s e h a n d e s p r e n d i d o a l m a n i p u l a d a ) , s e l a "rocía" c o n c a r g a n e g a tiva p a r a a n u l a d a . S i l a esfera presenta u n a carga inicial neg a t i v a s e s i g u e u n p r o c e d i m i e n t o s i m i l a r . E l r e s u l t a d o final e s q u e la carga de l aesfera es t a n cercana a cero c o m o e s posible lograr.

S i e n l a e s f e r a sólo h a y p r o t o n e s y e l e c t r o n e s o r d i n a r i o s , e s t e p r o c e d i m i e n t o producirá finalmente u n a esfera c o n u n a c a r g a t o t a l c e r o . E n e s t e c a s o , l a e s f e r a n o responderá e n a b soluto a l voltaje d e lasplacas d e vidrio. S i n e m b a r g o , si e n algún p u n t o d e l a e s f e r a h a y u n a partícula c o n u n a c a r g a f r a c 238

LA B Ú S Q U E D A DE LAS P A R T Í C U L A S FÓSILES

c i o n a r i a , será i m p o s i b l e c o n s e g u i r u n a c a r g a n e t a n u l a añad i e n d o u n i d a d e s e n t e r a s d e c a r g a eléctrica p o s i b v a o n e g a b v a .

L a c a r g a t o t a l será s i e m p r e d e ± 1 / 3 ó d e ± 2 / 3 . U n a e s f e r a q u e se c o m p o r t e d e esta m a n e r a se dice q u ec o n b e n e u n quark.

H a y u n a analogía m u y úbl d e e s t e e x p e r i m e n t o . S u p o n g a m o s u n a c u e n t a b a n c a r i a e n l a q u e sólo s e p u e d a i n g r e s a r o r e b r a r d i n e r o e n c a n b d a d e s e n t e r a s d e dólares. S i t e n e m o s u n s a l d o p o s i b v o , p o d e m o s e m p e z a r a r e b r a r dólares p a r a r e d u c i r l o . S i e l s a l d o r e s u l t a c e r o e n algún m o m e n t o , s a b r e m o s q u e habíamos e m p e z a d o c o n u n a c a n b d a d e n t e r a d e dólares e n l a c u e n t a . P e r o s i l l e g a m o s a u n a situación e n l a q u e a l r e t i r a r u n dólar e l s a l d o r e s u l t a n e g a b v o y a l i n g r e s a r l o d e n u e v o v u e l v e a s e r posibvo, este hecho, se p u e d e ublizar c o m o evid e n c i a d e l a e x i s t e n c i a d e u n a fracción d e dólar ( p . e j . , u n c u a r t o d e dólar).

F a i r b a n k realizó l a p r i m e r a versión d e e s t e e x p e r i m e n t o e n 1 9 6 9 y enconfró u n a e s f e r a d e n i o b i o c o n u n a c a r g a d e - 0 , 3 2 , c a s i e x a c t a m e n t e u n a t e r c e r a p a r t e d e l a c a r g a d e l elecfrón.

E s t o e s , p o r s u p u e s t o , l o q u e cabría e s p e r a r s i h u b i e r a u n quark ligado a l n i o b i o d e alguna m a n e r a . S i n e m b a r g o , existían t a n t a s p o s i b i l i d a d e s d e e r r o r e n e l e x p e r i m e n t o q u e d e c i dió n o p u b l i c a r e s t e r e s u l t a d o . E n c a m b i o , dedicó b u e n a p a r t e d e l a década s i g u i e n t e a r e c o n s t m i r y m e j o r a r s u a p a r a t o .

A m e d i a d o s d e l o s años s e t e n t a inició l o s n u e v o s e x p e r i m e n t o s m e j o r a d o s y enconfró q u e e n u n d e t e r m i n a d o número d e esferas d e n i o b i o q u e d a b a n cargas fraccionarias d eu n tercio y d o s t e r c i o s , r e s u l t a d o q u e anunció e n 1 9 7 7 . D e s d e e n t o n c e s e l número d e o b j e t o s c o n c a r g a fraccionaria que se han medido e n e l S t a n f o r d L a b o r a t o r y h a a u m e n t a d o a más d e u n a d o c e n a . A p e s a r d e l o s años d e d e b a t e y e s c r u t i n i o i n t e n s o d e l a técnica e x p e r i m e n t a l , e s t e r e s u l t a d o s e h a m a n t e n i d o d e m a nera obstinada.

A l m i s m o b e m p o , n a d i e más h a t e n i d o éxito e n l a búsqued a d e l o squarks, a pesar d e q u e varios g m p o s e n t o d o e l m u n d o h a n trabajado d u r o para conseguirlo. Esto deja l a situación d e l q u a r k fósil e n e l l i m b o . E l e x p e r i m e n t o está d e m a 239

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

s i a d o b i e n h e c h o y a n a l i z a d o c o n d e m a s i a d o rigor p a r a s e r i g n o r a d o , p e r o l a f a l t a d e u n a confirmación i n d e p e n d i e n t e s i g n i f i c a también q u e n o p u e d e a c e p t a r s e s i n o b j e c i o n e s .

SUMARIO

^ -

E l e s t a d o d e l a búsqueda d e partículas fósiles c r e a d a s e n l a s p r i m e r a s e t a p a s d e l B i g B a n g e s a l g o a m b i g u o . Según a l g u n a s v e r s i o n e s d e l a G U T , s e habrían c r e a d o m o n o p o l o s magnébcos e n c a n b d a d e s c o p i o s a s 1 0 ~ ^ ^ s e g u n d o s después d e l a creación y deberían s e r aún e v i d e n t e s a n u e s t r o a l r e d e d o r .

H a y u n b u e n c a n d i d a t o a l a detección d e u n m o n o p o l o , p e r o a l g u n a s c o n s i d e r a c i o n e s teóricas s u g i e r e n q u e e n n u e s f r a g a l a x i a p u e d e n s e r m e n o s a b u n d a n t e s d e l o q u e podría i n d i c a r este e x p e r i m e n t o . Hasta q u e n o se observe ofro m o n o p o l o , n o h a y m a n e r a d e h a c e r u n a interpretación a b s o l u t a m e n t e f i r m e del suceso d e Cabrera.

L a búsqueda d e q u a r k s p r e s e n t a e l m i s m o a s p e c t o e x p e r i mental. N o se puede rechazar laevidencia d eque existen partículas c o n c a r g a f r a c c i o n a r i a p e r o a u n así tíene q u e s e r r e p r o d u c i d a i n d e p e n d i e n t e m e n t e . E s t a búsqueda e s m e n o s c m c i a l e n l o q u e s e r e f i e r e a l a s teorías s o b r e e l U n i v e r s o p r i m i t i v o , y a q u e s i e m p r e e s p o s i b l e a j u s t a r e s t a s teorías d e m o d o q u e l a p r e s e n c i a d e q u a r k s fósiles s e a t a n pequeña q u e r e s u l t e i m posible d e detectar. S i n e m b a r g o , u n resultado p o s i b v o d e l a búsqueda n o s haría sentír más s e g u r o s d e q u e n u e s f r o c o n c e p t o d e l a s partículas e l e m e n t a l e s c o m o e s f r u c t u r a s c o m p u e s t a s es correcto.

13

Más allá del tíempo de Planck: planteando las preguntas finales La respuesta es 42. .

a la vida, al Universo,

a

DOUG

todo...

ADAMS

Guía H i t c h h i k e r d e l a G a l a x i a

EL

PROBLEMA

C u a n d o s e d e s a n - o l l e u n a versión f i n a l d e l a G U T , p o d r e m o s i n v e s t i g a r e l U n i v e r s o hasta e l t i e m p o d e P l a n c k , a 10"^^ segundos d e l B i gB a n g . E lsignificado d e este t i e m p o f u e r e c o n o c i d o p o r v e z p r i m e r a p o r M a x P l a n c k , e l físico alemán q u e f u e u n o d e l o s f u n d a d o r e s d e l a mecánica cuántica. E n 1 0 ^ ^ s e g u n d o s , l a l u z p u e d e v i a j a r 3 x 10"^^ c m , m e n o s d e u n a m i l billonésima p a r t e d e l tamaño d e u n protón. L a mecán i c a cuántica i n d i c a q u e u n a partícula q u e t e n g a q u e s o n d e a r d i s t a n c i a s t a n c o r t a s t i e n e q u e t e n e r u n a energía m u y g r a n d e , u n a energía c o m p a r a b l e c o n l a energía g r a v i t a t o r i a d e d o s partículas s e p a r a d a s p o r 3 x 1 0 " ^ ^ c m . E s t o n o s l l e v a a l a c o n clusión d e q u e p a r a e s t a e s c a l a d e b e m p o y d i s t a n c i a , n o p o d e m o s d e s p r e c i a r l o s e f e c t o s d e l a mecánica cuánbca s o b r e l a f u e r z a d e g r a v e d a d . S i q u e r e m o s i r más allá d e l b e m p o d e P l a n c k , t e n d r e m o s q u e d i s p o n e r d e u n a teoría cuánbca d e l a g r a v e d a d . P o r e l m o m e n t o n o e x i s t e e s t a teoría, p e r o s e está l l e v a n d o a c a b o u n i n t e n s o e s f u e r z o teórico p a r a e n c o n t r a r una.

S i s e d e s a r r o l l a r a d i c h a teoría, podríamos e x t e n d e r n u e s t r o 241 16

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c o n o c i m i e n t o d e l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o más allá d e l t i e m p o d e P l a n c k h a s t a e l m o m e n t o m i s m o d e l a creación. E l i n t e r v a l o d e l o s p r i m e r o s 1 0 ^ ^ s e g u n d o s podría s e r m u y i n t e r e s a n t e , c o n p r o c e s o s físicos n u n c a v i s t o s e n e l U n i v e r s o d e s d e e n t o n c e s . Podría s e r también b a s t a n t e a b u r r i d o , p o c a c o s a más q u e l a extrapolación d e l o q u e y a c o n o c e m o s . N o l o s a b r e m o s h a s t a q u e s e d e s a r r o l l e l a teoría.

U n a v e z t e n g a m o s u n a teoría cuánbca d e l a g r a v e d a d , s u r g e u n a s e g u n d a cuesbón. ¿Podemos c r e a r u n a teoría d e l a n a t u r a l e z a r e a l m e n t e u n i f i c a d a , u n a teoría q u e i n c l u y a l a g r a v e d a d c o n las otras fuerzas f u n d a m e n t a l e s ? U np r o b l e m a q u e s u r g e e n e l d e s a r r o l l o d e e s t a teoría s e r e f i e r e a l a e n o r m e d i ferencia q u e existe entre los m a r c o s conceptuales d e l a relativ i d a d g e n e r a l y d e l a mecánica cuántica. E n l a r e l a t i v i d a d g e n e r a l , l a g r a v e d a d a p a r e c e a fravés d e u n p r o c e s o q u e e s e s e n c i a l m e n t e geométrico, m i e n f r a s q u e l a g r a n unificación e x i g e q u e c o n s i d e r e m o s q u e t o d a s las f u e r z a s s o n g e n e r a d a s p o r e l i n t e r c a m b i o d e partículas. P o d e m o s d i s c u t i r e l p r o b l e m a clásico d e l a órbita d e l a L u n a d e s d e e s t o s d o s p u n t o s d e v i s t a para ilusfrar esta diferencia.

S i utilizáramos l o s c o n c e p t o s d e l a r e l a t i v i d a d g e n e r a l , a l a n a l i z a r l a situación diríamos q u e l a L u n a g i r a a l r e d e d o r d e l a T i e r r a a c a u s a d e l o s e f e c t o s q u e tiene l a m a s a t e r r e s t r e s o b r e e l e s p a c i o . U n a m a n e r a fácil d e r e p r e s e n t a r e s t e e f e c t o e s i m a g i n a r e l e s p a c i o vacío c o m o u n a lámina p l a n a d e c a u c h o elástico c u a d r i c u l a d a . L a p r e s e n c i a d e l a T i e r r a c o r r e s p o n d e a l a p r e s e n c i a d e u n g r a n p e s o s o b r e l a lámina. E n l a región d e l p e s o l a lámina e x p e r i m e n t a u n e m p u j e h a c i a a b a j o y f o r m a u n a depresión, t a l c o m o s e m u e s f r a e n l a figura 5 6 . D e c i m o s q u e l a p r e s e n c i a d e l p e s o c u r v a l a s u p e r f i c i e d e l a lámina. S i r e p r e s e n t a m o s l a L u n a c o n u n a c a n i c a r o d a n d o s o b r e l a lámina, puede considerarse que e l m o v i m i e n t o d e l a L u n a e n s u órbita e s s i m i l a r a l r o d a r d e l a c a n i c a p o r l o s l a d o s d e l a d e presión c r e a d a p o r l a T i e r r a .

E l p u n t o c l a v e d e l a discusión e s q u e e n e s t e m o d e l o n o aparece e n ninguna parte e l concepto d e fuerza o d e interacción. E l m o v i m i e n t o d e l a L u n a s e e x p l i c a p o r c o m p l e t o e n 242

MÁS ALLÁ DEL TIEMPO DE PLANCK

Luna

Fig.

56

términos geométricos. L a p r e s e n c i a d e l a m a s a d e l a T i e r r a a l t e r a l a geometría d e l e s p a c i o y l o q u e e r a u n a l l a n u r a p l a n a s e c o n v i e r t e e n u n v a l l e . L a órbita d e l a L u n a s e describé e n t o n c e s e n términos d e l m o v i m i e n t o d e o t r a m a s a e n e s t a d e p r e sión. E s t a analogía c a p t a e l espíritu d e l a r e l a t i v i d a d g e n e r a l , a u n q u e l o s cálculos h a y a q u e h a c e r i o s , e n r e a l i d a d , e n u n e s p a c i o - t i e m p o d e c u a t r o d i m e n s i o n e s e n l u g a r d e u n a lámina d e g o m a elástica d e d o s d i m e n s i o n e s .

S i n e m b a r g o , s i biviéramos q u e e n f o c a r e l p r o b l e m a d e l a órbita d e l a L u n a d e s d e e l p u n t o d e v i s t a d e l a s partículas e l e m e n t a l e s , tendríamos q u e i n d a g a r a c e r c a d e l a s partículas cuyo intercambio genera la fuerza entre la Tierra y la L u n a .

H a y u n p r e c e d e n t e d e e s t a cuestión e n n u e s t i - a discusión s o b r e l a e l e c t r i c i d a d y e l m a g n e t i s m o e n e l capítulo 5 , d o n d e v i m o s q u e l a f u e r z a eléctrica e n t r e d o s partículas c a r g a d a s e s t a b a p r o d u c i d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e u n a partícula s i n m a s a d e s p i n 1 l l a m a d a fotón. S a b e m o s q u e u n a característica d e l a f u e r z a eléctrica e s q u e l a s c a r g a s i g u a l e s s e r e p e l e n e n t r e sí, mientras que las cargas distintas se atraen. Resulta que este 243

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c o m p o r t a m i e n t o e s u n a regla g e n e r a l p a r a las f u e r z a s a s o c i a d a s c o n e l i n t e r c a m b i o d e partículas d e s p i n 1 ; l a s partículas iguales b e n e n que repelerse.

E n e l caso d e l agravedad, sin embargo, e l c o m p o r t a m i e n t o e s d i s b n t o . Aquí c u a l q u i e r o b j e t o m a s i v o a t r a e a c u a l q u i e r o t r o o b j e t o m a s i v o : l a s partículas s e a t r a e n e n t r e sí, l a s a n t i p a r tículas s e a b - a e n e n f r e sí y l a s partículas a f r a e n a l a s antipartículas. N o existe u n a fuerza gravitatoria repulsiva, n oh a y "ant i g r a v e d a d " . P u e d e d e m o s f r a r s e q u e e s t a afracción u n i v e r s a l sólo p u e d e s u r g i r d e l i n t e r c a m b i o d e partículas d e s p i n O ó d e spin 2 , p e r o n o del intercambio d e spin 1 .Esto significa q u e c u a l q u i e r teoría cuánbca d e l a g r a v e d a d q u e d e s a r r o l l e m o s tendrá q u e i m p l i c a r partículas d i f e r e n t e s d e l o s f o t o n e s , g l u o nes y bosones vectoriales que h e m o s enconfrado hasta ahora.

D e h e c h o , r e s u l t a q u e l a teoría d e l a g r a v e d a d d e E i n s t e i n sólo p u e d e s e r r e p r o d u c i d a p o r u n a teoría q u e s u p o n g a e l i n t e r c a m b i o d e u n a partícula d e s p i n 2 , s i n i m p l i c a r n i n g u n a p a r tícula d e s p i n 0 . P u e s t o q u e l a r e l a t i v i d a d g e n e r a l h a s a l i d o airosa d et o d a s las p r u e b a s e x p e r i m e n t a l e s a q u e h a s i d o s o m e b d a , d a r e m o s p o r s e n t a d o q u e c u a l q u i e r teoría cuánbca d e l a g r a v e d a d supondrá e l i n t e r c a m b i o d e u n a partícula s i n m a s a d e s p i n 2 . E n e l capítulo 5 i n c l u i m o s e s t a partícula, l l a m a d a gravitón, e n n u e s f r a l i s t a d e partículas i n t e r c a m b i a d a s c u a n d o discutimos lasfuerzas fundamentales.

Si aplicamos este b p o d e ideas a lp r o b l e m a d e l aT i e r r a y l a L u n a , n u e s f r a noción d e c ó m o l a L u n a s e m a n b e n e e n s u órbita c a m b i a drásbcamente c o n r e s p e c t o a l a a s o c i a d a c o n l a teoría d e E i n s t e i n . L a f u e r z a e n f r e l a T i e r r a y l a L u n a está g e n e r a d a p o r u n flujo d e g r a v i t o n e s v i r t u a l e s q u e s e i n t e r c a m bian enfre a m b o s cuerpos. Esta fuerza es p o r completo d e n a t u r a l e z a dinámica y n o b e n e n a d a q u e v e r e n a b s o l u t o c o n l a geometría. T i e n e , s i n e m b a r g o , u n a g r a n s e m e j a n z a c o n l a s demás f u e r z a s f u n d a m e n t a l e s , p o r l o m e n o s e n q u e está g e n e r a d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e u n a partícula.

E l d e s a r r o l l o d e u n a teoría d e l a g r a v e d a d b a s a d a e n e l i n t e r c a m b i o d e g r a v i t o n e s y l a unificación d e e s t a teoría c o n l a G U T e s l a t a r e a q u e h a e m p r e n d i d o e s t a generación d e físicos 244

MÁS ALLÁ DEL TIEMPO DE PLANCK

teóricos. Q u e d a p o r v e r cuál será l a f o r m a final d e l a teoría c u a n d o a l c a n c e n s u o b j e t i v o (sie s q u e l l e g a n a ello), p e r o h a y a l g u n a s características g e n e r a l e s q u e c a b e e s p e r a r q u e t e n g a .

E s t a s características g e n e r a l e s , a s u v e z , n o s d a n c i e r t a i d e a d e l o q u e p o d e m o s e s p e r a r c u a n d o n o s m o v a m o s más allá d e l tiempo de Planck.

SUPERSIMETRÍA, S U P E R G R A V E D A D Y SUPERUNIFICACIÓN E n realidad, l a tarea q u e tenemos entre m a n o s consta d e d o s p a r t e s . U n a e s d e s a r r o l l a r u n a teoría cuántica d e l a g r a v e d a d b a s a d a e n e l i n t e r c a m b i o d e partículas; l a o t r a e s i n c o r p o r a r e s t a teoría e n l a g r a n unificación. L a situación e s s i m i l a r a l a q u e e n c o n t r a m o s a l h a b l a r d e l a unificación d e l a f u e r z a fiierte y l a electrodébil. P r i m e r o f u e p r e c i s o t e n e r u n a teoría d e l a s i n t e r a c c i o n e s f u e r t e s ( l a cromodinámica cuánbca) y l u e g o f u e n e c e s a r i o e n c o n t r a r u n a m a n e r a d e u n i f i c a r e s a teoría c o n l a d e W e i n b e r g - S a l a m p a r a l l e g a r a l a G U T . L a técnica q u e a h o r a e x p l o r a m o s s e l l a m a supersimetría, m i e n f r a s q u e l a s t e o rías cuánticas d e g r a v e d a d q u e u t i l i z a n l a supersimetría s e l l a m a n teorías d e l a s u p e r g r a v e d a d .

A u n q u e existen dificultades conceptuales para conseguir u n a unificación d e l a g r a v e d a d c o n l a s demás f u e r z a s f u n d a mentales, n oestamos del t o d o a oscuras e ncuanto a l a f o r m a de proceder. Y a h e m o s visto que e l uso del principio d e gauge n o s c o n d u j o a l a unificación d e l a s f u e r z a s débil y e l e c t r o m a g nética e n l a interacción electrodébil y a l a unificación d e l a s fiierzas electrodébil y f u e r t e e n l a G U T . C o n e s t e récord d e éxitos, r e s u l t a o b v i o q u e e l p r i m e r c a m i n o q u e h a y q u e e x p l o r a r d e b e s e r l a aplicación d e l p r i n c i p i o d e g a u g e a l a g r a v e d a d .

A m b a s unificaciones previas comparten una propiedad i m p o r t a n t e . E ncada u n a d e ellas n o sc e n t r a m o s e n u n a p r o p i e d a d q u e l l a m a m o s simetría i n t e m a y e x i g i m o s q u e n u e s t r a s teorías d e l a n a t u r a l e z a n o c a m b i a r a n a l p e r m i b r q u e e s t a p r o p i e d a d s e d e f i n i e r a d e m a n e r a arbitraría p o r o b s e r v a d o r e s s i 245

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

t u a d o s e np u n t o s diferentes del espacio. E n e lcaso d e la unificación electrodébil, e s t a p r o p i e d a d e r a l a c a r g a eléctrica ( o , más p r e c i s a m e n t e , e l s p i n isotrópico). C u a n d o h a b l a m o s d e p r o t o n e s y n e u f r o n e s , p o r e j e m p l o , i m a g i n a m o s q u e había u n a pequeña a g u j a i n d i c a d o r a e n c a d a partícula. S i l a a g u j a a p u n t a b a h a c i a a r r i b a , l a partícula e r a u n protón; s i a p u n t a b a h a c i a a b a j o , l a partícula e r a u n neutrón. E l p r i n c i p i o d e l a s i metría g a u g e i n d i c a b a q u e n u e s b r a teoría n o tenía q u e c a m b i a r si a l g u i e n s e p a s e a b a c a m b i a n d o l a s a g u j a s a l a z a r . E s t a e x i g e n c i a , j u n t o c o n e l p r o c e s o d e r o t u r a espontánea d e l a s i m e tría, f u e l o q u e n o s c o n d u j o a l a teoría d e W e i n b e r g - S a l a m d e l a interacción electrodébil.

C u a n d o q u i s i m o s u n i f i c a r l a f u e r z a f u e r t e c o n l a electrodébil, l a p r o p i e d a d relevante era e l color. E neste caso l a aguja tenía t r e s p o s i c i o n e s ( p a r a l o s t r e s c o l o r e s ) y l a teoría n o tenía q u e c a m b i a r s i e s a s a g u j a s s e movían a l a z a r . E n a m b a s u n i f i c a c i o n e s , l o s c a m b i o s teóricos q u e habrían o c u r r i d o a l m o v e r l a s a g u j a s i n d i c a d o r a s d e l a s partículas e r a n a n u l a d o s p o r u n o s c a m b i o s c o r r e s p o n d i e n t e s e n l a s partículas i n t e r c a m b i a d a s p a r a g e n e r a r l a f u e r z a . E l r e s u l t a d o n e t o f u e u n a teoría q u e e r a i n d e p e n d i e n t e d e las d e f i n i c i o n e s realizadas p o r o b s e r v a d o r e s distintos.

Así, u n a m a n e r a d e c o n s i d e r a r e l p r o c e s o d e unificación, es decir, q u e c o n v i e r t e u n a s d i f e r e n c i a s a p a r e n t e m e n t e i m p o r t a n t e s e n t r e l a s partículas e n s i m p l e s d e f i n i c i o n e s a r b i t r a r i a s . E n c i e r t o s e n b d o , e l p r o c e s o d e unificación h a c e d e s a p a r e c e r l a s características s u p e r f i c i a l e s d e l m u n d o y n o s p e r m i t e v e r l o q u e e s r e a l m e n t e i m p o r t a n t e . A l a l c a n z a r l a g r a n unificación, e s t e p r o c e s o n o s l l e v a a u n m u n d o m u c h o más s i m p l e q u e e l n u e s t r o . E n e s t e m u n d o sólo h a y d o s c l a s e s d e partículas: p a r tículas d e s p i n 1 / 2 , c o m o l o s q u a r k s y l o s l e p t o n e s , q u e e n g l o b a m o s b a j o e l término genérico d e fermiones; y partículas d e spin 1 c o m o los b o s o n e s X y los fotones, a los q u e nos referimos c o l e c t i v a m e n t e c o m o bosones. H a y dos clases d e fuerz a s q u e o p e r a n e n t r e e s t o s fipos d e partículas: l a f u e r t e - e l e c trodébil y l a g r a v i t a t o r i a .

L a s teorías d e supersimetría actúan d e m a n e r a t a l q u e 246

bo-

MÁS ALLÁ DEL TIEMPO DE PLANCK

r r a n l a distinción e n t r e b o s o n e s y f e r m i o n e s . P o r analogía c o n las otras u n i f i c a c i o n e s , p o d e m o s i m a g i n a r u n a a g u j a i n d i c a d o r a e n c a d a partícula e l e m e n t a l . S i l a a g u j a a p u n t a h a c i a a r r i b a , l a partícula e s u n fermión y s i a p u n t a h a c i a a b a j o , e s u n b o són. I g u a l q u e e n e l c a s o d e l a s o t r a s u n i f i c a c i o n e s , e x i g i m o s q u e n u e s t r a teoría n o c a m b i e c u a n d o e s t a s a g u j a s s e c a m b i e n a l a z a r , y , c o m o e n l a s demás u n i f i c a c i o n e s , e n c o n t r a m o s t a m bién q u e p o d e m o s h a c e r q u e t o d o f u n c i o n e s i s e i n t e r c a m b i a n d e t e r m i n a d o s t i p o s d e partículas p a r a p r o d u c i r l a f u e r z a básica.

E n u n e s q u e m a c o m o éste, p o d e m o s c o n s i d e r a r e l s i s t e m a partícula más a g u j a c o m o u n a superpartícula y s i e m p r e p o d e m o s i m a g i n a r i n t e r a c c i o n e s e nlas q u e los b o s o n e s s e t r a n s f o r m a n e n fermiones y viceversa, d e m a n e r a m u y parecida a c o m o l o s q u a r k s s e t r a n s f o r m a b a n e n l e p t o n e s p o r acción d e l o s b o s o n e s X . E n o t r a s p a l a b r a s , a u n q u e l o s términos bosón y fewnión todavía b e n e n u n s i g n i f i c a d o , l a s i n t e r a c c i o n e s q u e a d m i t e l a teoría d e l a supersimetría n o s p e r m i t e n c a m b i a r p a r tículas d e u n a clasificación a o t r a . P a r a u n físico, e s t o s i g n i f i c a q u e l a s d o s c l a s e s d e partículas sólo s o n , e n r e a l i d a d , a s p e c t o s d i f e r e n t e s d e u n a única e n t i d a d f u n d a m e n t a l s u b y a c e n t e .

P o r l o t a n t o , p u e d e e s p e r a r s e q u e l a supemnificación p r o d u z c a u n U n i v e r s o q u e s e a l a s i m p l i c i d a d última. S ó l o habrá u n t i p o d e partícula básica, l a superpartícula, y u n a s o l a c l a s e de fuerza que opere e n la naturaleza, l a fuerza unificada gravitatoria-fuerte-electrodébil. Así, d u r a n t e l o s p r i m e r o s 1 0 ~ ^ ^ s e g u n d o s d e s u existencia, e l U n i v e r s o fue t o d o l o simple que podía s e r . A p a r t i r d e e n t o n c e s , l a s c o n g e l a c i o n e s c a u s a d a s p o r l a expansión u n i v e r s a l h a n a c t u a d o p a r a p r o d u c i r c a d a v e z más diferenciación. S ó l o e l i n t e n s o e s f u e r z o i n t e l e c t u a l d e g e n e r a c i o n e s d e físicos n o s h a p e r m i t i d o v e r l a v e r d a d e r a s i m p l i cidad d e todo.

E l p r o b l e m a básico d e l a s teorías d e supersimetría q u e s e investigan ahora es que parecen predecir l aexistencia d e m u c h o s tipos d e partículas q u e n o s e h a n o b s e r v a d o e n e l l a b o ratorio. P o r u n a parte, esto n op u e d e ser d e m a s i a d o s o r p r e n dente, puesto que siempre se p u e d e invocar e lm e c a n i s m o d e 247

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Gravitino

Gravitón

hyvAAAA

Fig.

57

r o t u r a espontánea d e l a simetría p a r a d e c i r q u e l a m a s a d e e s t a s partículas e s m u y a l t a — t a l v e z t a n t o c o m o 1 0 " G e V — p o r l o q u e jamás s e podrían o b s e r v a r . E s t o e s l o q u e sucedió c o n l a s partículas X q u e a p a r e c i e r o n c o n l a g r a n unificación.

P o r o t r a p a r t e , l a e x i s t e n c i a d e t o d a s e s t a s partículas h a c e q u e l a teoría s e a c o m p l i c a d a .

P o d e m o s a p r e c i a r e s t e p u n t o s i c o n s i d e r a m o s l a versión más s e n c i l l a d e l a s u p e r g r a v e d a d . A b a j a s energías, l a g r a v e d a d e s u n a f u e r z a p r o d u c i d a p o r e l i n t e r c a m b i o d e u n gravitón sin m a s a d e spin 2 , tal c o m o h e m o s explicado y tal c o m o se m u e s t r a a l a i z q u i e r d a d e l a f i g u r a 5 7 . A energías más a l t a s , l a s teorías p r e d i c e n q u e o t r a partícula s i n m a s a , l l a m a d a g r a v i t i n o , empezará a a d q u i r i r i m p o r t a n c i a . L o s g r a v i t i n o s b e n e n s p i n 3 / 2 y contribuirían a l a interacción g r a v i t a t o r i a t a l c o m o s e m u e s t r a a l a d e r e c h a d e l a figura 5 7 . ( P o r r a z o n e s técnicas, l o s g r a vitinos b e n e n q u eintercambiarse p o r parejas y n o aisladam e n t e . ) D e e s t a m a n e r a , c u a n d o l o s o b j e t o s g r a v i t a n t e s están a l e j a d o s , c o m o e s e l c a s o d e l a T i e r r a y l a L u n a , e s t a s teorías p r o d u c e n l a m i s m a predicción q u e l a r e l a b v i d a d g e n e r a l n o r m a l . C u a n d o l o s o b j e t o s s e a c e r c a n m u c h o , c o m o ocurriría e n 248

MÁS ALLÁ DEL T I E M P O DE PLANCK

l a s v i o l e n t a s c o l i s i o n e s características d e l o s p r i m e r o s 1 0 " ^ ^ s e gundos, e lintercambio d egravitinos se hace importante y m o d i f i c a l a interacción g r a v i t a t o r i a , q u e a u m e n t a s u i n t e n s i d a d h a s t a s e r c o m p a r a b l e c o n l a s a s o c i a d a s a l a s demás f u e r z a s .

L a s caracterísbcas g e n e r a l e s d e u n a superunificación s e rían, e n t o n c e s , l a unificación d e l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a c o n l a s demás fijerzas f u n d a m e n t a l e s y l a introducción d e r e a c c i o n e s en las q u ese p u e d e n intercambiar fermiones y bosones, q u e tendrían c o m o r e s u l t a d o u n s i s t e m a e n e l q u e habría u n s o l o t i p o d e superpartícula. Más allá d e e s t a s características g e n e r a l e s y d e l a i d e a d e q u e l a unificación s e produciría e n e l tiempo d e P l a n c k , n o h a y d e m o m e n t o guías teóricas firmes e n e s t a área. P o r o t i r a p a r t e , e s e v i d e n t e q u e l o s físicos n o e s tán d e ningún m o d o p r e o c u p a d o s p o r l a m a n e r a d e p r o c e d e r e n e s t e último p a s o h a c i a l a teoría u n i f i c a d a final. O c u r r e sólo q u e e l p a s o e s técnicamente difícil y q u e aún n o s e h a c o m pletado.

LAS

PREGUNTAS FINALES

E s t a discusión d e l a supersimetría n o s d a u n a t e n t a d o r a v i sión d e c ó m o podría s e r l a física a l o t r o l a d o d e l a b a r r e r a d e P l a n c k . P e r o , p o r i n t e r e s a n t e q u e p u e d a s e r u n a teoría u n i f i c a d a p o r c o m p l e t o , l a p e r s p e c t i v a d e q u e e s t a teoría s e a d e s a r r o l l a d a p r o n t o n o s c o n d u c e n a t u r a l m e n t e a l a p r e g u n t a final. U n a v e zinvesfigado e l U n i v e r s o hasta e l m o m e n t o d e la creación, ¿qué n o s i m p i d e d a r e l p a s o s i g u i e n t e y p r e g u n t a r qué ocurrió a n t e s d e l B i g B a n g , p r e g u n t a r , e n e f e c t o , p o r qué existe e l U n i v e r s o ?

E s u n a p r e g u n t a q u e h a c e s e n t i r a l g o incómodos a l o s científicos. A p e s a r d e q u e c u a l q u i e r a q u e r e f l e x i o n e s o b r e l a cosmología y e l U n i v e r s o p r i m i t i v o a c a b e p o r c o n s i d e r a r e s t a p r e g u n t a y a p e s a r d e q u e c u a l q u i e r a q u e esté i n v o l u c r a d o e n l a difusión d e l o s r e s u l t a d o s d e l a c i e n c i a e n t r e e l público g e n e r a l acabará p o r e n f r e n t a r s e a e l l a , l a p r e g u n t a s u e l e e l u d i r s e de u n a u otra manera. D e hecho, p o d e m o s identificar dos m a 249

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

ñeras g e n e r a l e s d e t r a t a r e l o r i g e n último d e l U n i v e r s o , u n a d e r i v a d a d e l a filosofía d e l a c i e n c i a y o t r a d e l a r e l a t i v i d a d g e neral.

T o d a s l a s l e y e s científicas s e b a s a n e n l a observación y l a experimentación y , p o r c o n s i g u i e n t e , n i n g u n a l e y científica e s e n r e a l i d a d válida f u e r a d e l d o m i n i o e n e l q u e h a s i d o c o m probada. E sposible argumentar, por lo tanto, que la pregunta acerca del origen del Universo simplemente n o puede contest a r s e d e n t r o d e l método científico. P o d e m o s d e s c u b r i r l e y e s m e d i a n t e m e d i c i o n e s y o b s e r v a c i o n e s y p r o b a b l e m e n t e e s válido extrapolar estas leyes, tal c o m o h e m o s h e c h o , a l U n i v e r s o primitivo. Pero n o tenemos ninguna experiencia d eu n universo que n ocontenga masa y p o r lo tanto es i m p r o p i o tratar d e e x t e n d e r n u e s t r o c o n o c i m i e n t o a c t u a l a e s t a n u e v a área. L a p r e g u n t a d e l o r i g e n d e l U n i v e r s o , según e s t e a r g u m e n t o , n o p u e d e r e s p o n d e r s e p o r l o s métodos d e l a c i e n c i a y p o r l o t a n to debe serdejada sin f o r m u l a r y sin responder.

E l a r g u m e n t o d e l a r e l a t i v i d a d g e n e r a l e s a l g o más técnico.

S a b e m o s q u e , e n e l m a r c o d e e s a teoría, e l e s p a c i o - t i e m p o d e cuatro dimensiones e n que vivimos es e l resultado d e la presencia d e masa. V i m o s u n e j e m p l o d e esto c u a n d o hablamos d e l a órbita d e l a L u n a . Según e s t a m a n e r a d e c o n s i d e r a r l a s c o s a s , e l tiempo empezó c u a n d o s e creó l a m a s a , y p r e g u n t a r l o q u e ocurrió e n tiempos a n t e r i o r e s a éste s i m p l e m e n t e n o t i e n e s e n t i d o . T a l c o m o sugirió u n g m p o d e a u t o r e s , p r e g u n t a r l o q u e había a n t e s d e l B i g B a n g e s c o m o p r e g u n t a r qué h a y al n o r t e del p o l o N o r t e .

A m b a s posiciones son perfectamente defendibles; y o mism o h e a d o p t a d o varias v e c e s l a p r i m e r a a lser a p r e m i a d o p o r mis estudiantes. Sin embargo, parece u n p o c o descorazonador h a b e r l l e g a d o t a n l e j o s e n n u e s t r o e s t u d i o d e l a creación sólo p a r a d e t e n e m o s e n s e c o a l b o r d e d e l a solución d e l más i n t e r e s a n t e d e t o d o s l o s p r o b l e m a s . Además, e l r e c h a z o a e x a m i n a r e s t o , l a p r e g u n t a úlbma d e l a creación, m e p a r e c e q u e está e n a b i e r t a contradicción c o n t o d a l a t e n d e n c i a d e l e s q u e m a d e l a g r a n unificación.

H e m o s v i s t o q u e e l t e m a c e n t r a l d e l p r o c e s o d e unificación 250

MÁS ALLÁ DEL T I E M P O DE PLANCK

e s l a e x i g e n c i a d e q u e l a s l e y e s d e l a física s e a n i n d e p e n d i e n tes d e las d e f i n i c i o n e s arbitrarias h e c h a s p o r o b s e r v a d o r e s ext e r i o r e s . Podríamos a r g u m e n t a r q u e e s t a e x i g e n c i a e s u n a p r o longación lógica d e l p r i n c i p i o d e l a r e l a b v i d a d , q u e a f i r m a q u e l a s l e y e s d e l a física n o d e b e n d e p e n d e r d e l e s t a d o d e m o v i m i e n t o d el apersona que observa los sucesos. Estos dos grand e s a v a n c e s d e l a c i e n c i a d e l s i g l o XX p a r e c e n a p u n t a r e n l a m i s m a dirección: e n u n m u n d o i n c i e r t o , e l único p u n t o d e r e ferencia firme y absoluto es e l cuerpo d e conocimientos que l l a m a m o s leyes d e l a naturaleza. Estas leyes n od e p e n d e n del e s t a d o d e m o v i m i e n t o n i d e l a predisposición m e n t a l d e l o b servador y , p o r l otanto, cualquiera que observe l a naturaleza enconb-ará l a s m i s m a s l e y e s q u e h e m o s e n c o n t r a d o . P o r l o tanto, n o es u n paso demasiado grande sugerir que usemos e s t a b a s e f i r m e p a r a a n c l a r n o s c u a n d o fratamos d e e m p u j a r e l conocimiento h u m a n o hacia donde n o h a llegado nunca a n t e s . A u n q u e l a creación d e l U n i v e r s o p u e d e i m p l i c a r u n p r o c e s o q u e jamás h e m o s v i s t o ( y jamás p o d a m o s v e r ) , v a m o s a s u p o n e r q u e las l e y e s d e l a n a t u r a l e z a q u e h e m o s d e s c u b i e r t o p u e d e n usarse para reflexionar sobre esto.

Si preguntamos lo que puede haber ocurrido antes del Big B a n g , sólo c a b e n d o s p o s i b i l i d a d e s . U n a e s q u e e l U n i v e r s o s e a cíclico, c o n f a s e s c o m o n u e s t r a expansión a c t u a l e n a l t e r n a n c i a c o n períodos d e confracción. D i s c u t i r e m o s e s t a p o s i b i l i d a d c o n algún d e t a l l e e n e l capítulo 1 4 , p e r o , d e m o m e n t o , señalemos s i m p l e m e n t e q u e s i s u c e d e e s t o , l a p r e g u n t a s o b r e el principio del U n i v e r s o deja d etener i m p o r t a n c i a . E l U n i v e r s o s i e m p r e h a e x i s b d o y s i e m p r e existirá, c o n u n c i c l o fras ofro, para siempre. Este p u n t o d e vista era, p o r supuesto, e l q u e mantenían l o s a n t i g u o s filósofos.

L a ofra posibilidad es que e l Big Bang sea u n acontecim i e n t o único. E n e s t e c a s o , l a m e j o r c o n j e t u r a a c e r c a d e l o q u e l e precedió e s q u e a n t e s d e l B i g B a n g n o había n a d a , u n vacío. P e r o u n a c o s a q u e h e m o s a p r e n d i d o d e l a mecánica cuántica e s q u e n o h a y n a d a q u e s e a e s p a c i o vacío c o n n a d a e n a b s o l u t o e n él. E l p r i n c i p i o d e l a i n c e r t i d u m b r e (véase c a p . 5 ) g a r a n t i z a q u e i n c l u s o e n e l m e j o r vacío, s e c r e a n y s e 251

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

a n i q u i l a n c o n t i n u a m e n t e p a r e s v i r t u a l e s d e partículas y a n t i partículas. E s t o s i g n i f i c a q u e e l vacío e s u n s i s t e m a c o m o c u a l q u i e r o t r o y l a cuestión d e p o r qué e x i s t e e l U n i v e r s o p u e d e s e r a b o r d a d a d e u n a m a n e r a c o n s i g n i f i c a d o fisico. E l U n i v e r s o vacío ( e l vacío) tiene u n a energía q u e , e n p r i n c i p i o , podríamos calcular. D e m a n e r a parecida, e l U n i v e r s o e n e l m o m e n t o d e l a creación ( e s d e c i r , u n U n i v e r s o c o n m a s a ) tiene también u n a energía. S i e s t e úlbmo tiene u n a energía m e n o r q u e e l p r i m e r o , e l vacío será i n e s t a b l e e n u n s e n t i d o m u y r e a l . N u e s f r a comprensión d e l a s l e y e s d e l a n a t u r a l e z a e s q u e t o d o s l o s s i s t e m a s e v o l u c i o n a n h a c i a u n e s t a d o c o n l a m e n o r energía p o s i b l e y e l vacío n o e s u n a excepción a e s a r e g l a . E n p a l a b r a s d e F r a n k W i l c z e k , d e l a U n i v e r s i t y o f C a l i f o m i a e n S a n t a Bárb a r a , «tal v e z l a razón d e q u e h a y a a l g o e n l u g a r d e n a d a s e a q u e l a n a d a e s inestable».

L a i d e a d e q u e p o d e m o s d e s c r i b i r l a p r o p i a creación c o n l a s m i s m a s l e y e s d e l a n a t u r a l e z a q u e h e m o s d e s c u b i e r t o aquí y a h o r a , h a s i d o t o m a d a e n s e r i o p o r u n número s u f i c i e n t e d e g e n t e p a r a q u e p r o p o r c i o n e m o s u n a visión d e l p e n s a m i e n t o científico s o b r e e s t e t e m a . P a r t e d e l frabajo más i n t e r e s a n t e s o b r e e s t a m a t e r i a h a s i d o r e a l i z a d o p o r d o s físicos teóricos d e l a U n i v e r s i d a d l i b r e d e B m s e l a s , e n Bélgica. F r a n g o i s E n g l e r t y R . B r o u t u t i l i z a n u n a d e l i c a d a interrelación e n f r e m a t e r i a y expansión cosmológica p a r a d e s c r i b i r l a creación. E n e s e n c i a , fratan l a creación c o n l o s m i s m o s c o n c e p t o s q u e s e utilizarían p a r a d e s c r i b i r e l e q u i l i b r i o d e u n lápiz s o b r e s u p u n t a . S a b e m o s q u e e s p o s i b l e e q u i l i b r a r e l lápiz d e e s t a m a n e r a , p e r o también s a b e m o s q u e s i h a y c u a l q u i e r pequeña desviación d e l a v e r t i c a l i d a d , l a f u e r z a d e l a g r a v e d a d enfrará e n acción y desviará aún más e l lápiz. E l e f e c t o n e t o d e l a más pequeña desviación e s l a caída d e l lápiz.

P o d e m o s considerar q u e esta inestabilidad surge d e u n a e s p e c i e d e círculo v i c i o s o . P r i m e r o , e l lápiz, p o r u n a razón u o f r a , s e desvía u n p o c o d e l a v e r t i c a l . E s t o h a c e q u e l a g r a v e d a d e j e r z a u n a fijerza q u e tiende a h a c e r g i r a r e l lápiz a l r e d e d o r d e s u p u n t a , q u e a s u v e z h a c e q u e e l lápiz s e i n c l i n e más, l o q u e a u m e n t a l a s u s c e p t i b i l i d a d d e l lápiz a l a g r a v e d a d , l o 252

MÁS ALLÁ DEL T I E M P O DE PLANCK

c u a l p r o d u c e u n a desviación aún m a y o r , y así s u c e s i v a m e n t e .

E s t a e s p e c i e d e e f e c t o d e r e f u e r z o e s típico d e l o s s i s t e m a s inestables.

B r o u t y Englert argumentan que e n u n Universo sin masa e x i s t e u n a situación s i m i l a r . S i i m a g i n a m o s q u e e l e s p a c i o v a cío e s u n a lámina elásbca d e c a u c h o c o n u n a m a l l a m a r c a d a e n c i m a d e e l l a ( t a l c o m o h i c i m o s p a r a n u e s t r a descripción d e l a r e l a b v i d a d g e n e r a l ) , p o d e m o s i m a g i n a r también q u e habrá pequeñas p e r t u r b a c i o n e s e n l a lámina. C o m o mínimo, e l p r o c e s o cuánbco d e creación y aniquilación d e p a r e s producirá este efecto. B r o u t y Englert a r g u m e n t a n q u e si e n u n p u n t o c u a l q u i e r a s e i n i c i a u n a expansión d e l e s p a c i o (imaginémoslo c o m o u n e s t i r a m i e n t o microscópico d e l a g o m a ) , e l e f e c t o s e ría e l m i s m o q u e u n a pequeña inclinación d e l lápiz e n e q u i l i b r i o . E n s u teoría, l a p r e s e n c i a d e l a expansión conduciría a l a creación d e u n a pequeña c a n t i d a d d e m a t e r i a . E s t e p r o c e s o d e creación s e produciría p o r l o s m e d i o s o r d i n a r i o s d e l a m e cánica cuántica. L a m a t e r i a ocasionaría e n t o n c e s más e x p a n sión, q u e crearía más m a t e r i a , q u e a s u v e z causaría más e x pansión y así s u c e s i v a m e n t e . I g u a l q u e l a caída d e l lápiz, l a i n e s t a b i l i d a d d e l U n i v e r s o proseguiría h a s t a q u e s e h u b i e r a c r e a d o suficiente materia para q u e s uaspecto fuera e lq u e esperaríamos q u e t u v i e r a e n e l t i e m p o d e P l a n c k . E n e s t e e s q u e m a , n o h u b o B i g B a n g s i n o u n a l e n t a acumulación p r o g r e s i v a de materia hasta q u e l a densidad fue l osuficiente alta para sit u a r e l U n i v e r s o e n e l f a l s o vacío (véase c a p . 1 1 ) . A p a r t i r d e e s t e p u n t o , l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o sería idénbca a l a d e c u a l quier sistema inflacionario.

L o i n b - i g a n t e d e e s t e e s q u e m a e s q u e l a p r e g u n t a : "¿Qué sucedía a n t e s d e l B i g B a n g ? " s e r e s p o n d e c o n l a afirmación: " N o h u b o B i g B a n g . " E l tiempo n o e m p i e z a e n u n p u n t o p a r ticular s i n o q u e s e a l a r g a h a c i a ati-ás h a s t a m e n o s i n f i n i t o . H a s t a e l f i n a l d e l o q u e B r o u t y E n g l e r t l l a m a n l a época d e c r e a ción, p r o s i g u e e l p r o c e s o d e creación d e m a t e r i a a p a r t i r d e l a i n e s t a b i l i d a d básica. P e r o a n t e s d e l tiempo d e P l a n c k , s e h a a c u m u l a d o s u f i c i e n t e m a t e r i a p a r a c a m b i a r e l carácter d e l s i s t e m a y e l r e s t o d e l a expansión continúa t a l c o m o h e m o s d e s 253

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c r i t o e n l o s capítulos a n t e r i o r e s . E l p u n t o c r u c i a l e n e l U n i v e r s o p r i m i t i v o e s análogo a l m o m e n t o e n q u e e l lápiz, a l c a e r , g o l p e a l a m e s a . L a n u e v a situación p r o d u c e u n n u e v o t i p o d e comportamiento.

P o d e m o s c o m p a r a r este t i p o d e m o d e l o c o n los m o d e l o s d e B i g B a n g q u e h e m o s d i s c u t i d o m e d i a n t e u n gráfico d e l a d e n s i d a d d e l U n i v e r s o e n función d e l t i e m p o , t a l c o m o s e m u e s t r a e n l a figura 5 8 . E l B i g B a n g q u e d a d e s c r i t o p o r u n a expansión q u e e m p i e z a e n u n p u n t o i n f i n i t a m e n t e d e n s o y q u e p r o s i g u e s u a v e m e n t e a partír d e e s t e p u n t o . E n l a figur a 5 8 , e s t o s e r e p r e s e n t a p o r m e d i o d e l a línea d e s c e n d e n t e , q u e i n d i c a u n a caída u n i f o r m e d e l a d e n s i d a d a m e d i d a q u e p r o s i g u e l a expansión. ( L a d e n s i d a d tíene q u e d i s m i n u i r e n e s t e c a s o , y a q u e l a m i s m a c a n t i d a d d e m a t e r i a tiene q u e l l e nar u n v o l u m e n mayor.) Por e l contrario, e l m o d e l o inflacion a r i o d i s c u t i d o e n e l capítulo 1 1 , a u n q u e e m p i e z a también a p a r t i r d e u n p u n t o i n f i n i t a m e n t e d e n s o , a t r a v i e s a u n período d e rápida expansión c o n u n a d e n s i d a d c o n s t a n t e . E s t o e s l o q u e l l a m a m o s l a e r a i n f l a c i o n a r i a y está r e p r e s e n t a d a p o r l a lín e a h o r i z o n t a l d e l gráfico. P o r último, e l U n i v e r s o e s c a p a p o r e f e c t o túnel d e l f a l s o vacío, s e c r e a n g r a n d e s c a n t i d a d e s d e partículas y e l m o d e l o i n f l a c i o n a r i o s e v u e l v e idéntico a l m o delo normal d e Big Bang.

S i n e m b a r g o , a m b a s v e r s i o n e s d e l a creación e m p i e z a n c o n u n a singularidad, u n p u n t o e nque l amateria se e n c u e n d a en u nestado infinitamente denso. Esto puede tener sentido matemáticamente, p e r o e s difícil v e r c ó m o podríamos a p l i c a r c u a l q u i e r l e y d e l a física a e s t a situación. E l m o d e l o d e vacío i n e s t a b l e q u e a c a b a m o s d e d e s c r i b i r , p o r e l c o n t r a r i o , tendría u n incremento gradual d edensidad hasta alcanzar el estado d e f a l s o vacío, p u n t o e n e l q u e seguiría s u c u r s o c o m o e l m o d e l o inflacionario normal.

O t r o s teóricos h a n p r o p u e s t o o t i - a s vías p a r a e n f o c a r e l p r o b l e m a d e l a creación e v i t a n d o l a s d i f i c u l t a d e s a s o c i a d a s al p u n t o singular. R i c h a r d G o t t d e l a P r i n c e t o n University, p o r ejemplo, h ah-abajado e n u n m o d e l o e n e l q u e e l U n i v e r s o se c r e a c o n u n a d e n s i d a d a p r o p i a d a p a r a e l f a l s o vacío, e n l u g a r 254

MÁS ALLÁ DEL TIEMPO DE PLANCK

lO"" Fig.

10""

Tiempo

58

d e u n a d e n s i d a d n u l a o i n f i n i t a . E s t e m o d e l o vendría r e p r e s e n t a d o p o r l a línea horízontal m a r c a d a G e n l a figura 5 8 . Podría imaginarse que, e neste m o d e l o , e lU n i v e r s o v a a parar al falso vacío p o r e f e c t o túnel, p a r a v o l v e r a e s c a p a r más t a r d e d e él p o r e l m i s m o efecto.

T o d o s e s t o s m o d e l o s d e l a creación tíenen a l g o e n común: c o n s i d e r a n l a aparición d e l U n i v e r s o c o m o u n a fluctuación cuántíca, u n s u c e s o a l e a t o r i o ; u n a v e z h a o c u r r i d o e l s u c e s o , l a s l e y e s d e l a física t o m a n l a s riendas y s e d e s a r r o l l a n u e s f i - o U n i v e r s o a c t u a l . L a s l e y e s d e ia física d e s c r i b e n i n c l u s o e l p r o c e s o d e fluctuación p e r o n o d a n n i n g u n a razón i m p e r i o s a d e p o r qué e l U n i v e r s o t u v o q u e i n i c i a r s u e x i s t e n c i a . Podría s e r , e n t o n c e s , e n p a l a b r a s d e l físico E d w a r d T r y o n , q u e «nuestro U n i v e r s o e s s i m p l e m e n t e u n a d e esas cosas q u e o c u r r e n d e v e z e n cuando».

255

14.

e destino del Universo Cuando tú y y o estemos en el otro mundo, oh, cuánto, cuánto tiempo durará aún la Tierra.

RUBAIYAT D E OMAR

KHAYAM

«No se acaba hasta que YoGi

termina.»

BERRA

N i n g u n a discusión s o b r e cosmología sería c o m p l e t a s i l i m i táramos n u e s t r a atención d e f o r m a e x c l u s i v a a l a cuesbón d e l o s orígenes d e l U n i v e r s o . D a d o q u e h e m o s r a s t r e a d o n u e s t r a s raíces h a s t a más allá d e l b e m p o d e P l a n c k y q u e h e m o s v i s t o dónde s e sitúan l a s f r o n t e r a s d e l c o n o c i m i e n t o e n e s t a d i r e c ción, e s n a t u r a l q u e v o l v a m o s n u e s t r a m i r a d a e n l a dirección opuesta, hacia e l futuro. Esto cambia e l centro d e nuestra atención y e l " d e dónde v e n i m o s " p a s a a s e r e l " h a c i a dónde vamos".

L o s obstáculos, f u n d a m e n t a l e s p a r a c o n s e g u i r u n a r e s p u e s t a c l a r a a l a p r i m e r a d e e s t a s p r e g u n t a s h a n s i d o más b i e n teóricos q u e e x p e r i m e n t a l e s . H e m o s t e n i d o q u e d e s a r r o l l a r y p r o b a r teorías c a p a c e s d e d e s c r i b i r u n a s i n t e r a c c i o n e s q u e s e r e a l i z a n a energías m u c h o más a l t a s q u e l a s c o n s i d e r a d a s a n t e r i o r m e n t e . C o n l a G U T s e alcanzó u n h i t o i m p o r t a n t e e n e l c a m i n o h a c i a l a comprensión t o t a l , y h a y g r a n d e s e s p e r a n z a s d e q u e l a i d e a d e l a supersimetría n o s c o n d u z c a a u n a teoría verdaderamente unificada d elasinteracciones elementales. S e h a n r e a l i z a d o a l g u n a s p m e b a s e x p e r i m e n t a l e s d e l a s teorías u n i f i c a d a s y o t r a s están e n c u r s o d e realización, p e r o t o d a s 257 17

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

e s t a s p r u e b a s i m p l i c a n p r o c e s o s d e l a b o r a t o r i o . N o había n e cesidad, a l aplicar l o s conceptos G U T , d e obtener n u e v o s d a t o s d e observación s o b r e e l p r o p i o U n i v e r s o . L a s teorías s e requerían p a r a e x p l i c a r h e c h o s y a c o n o c i d o s ; n o p r e c i s a b a n de nuevas observaciones para guiar s u desarrollo.

C u a n d o m i r a m o s h a c i a e l f u t u r o l a situación s e i n v i e r t e . L a r e l a t i v i d a d g e n e r a l y a l g u n o s r e s u l t a d o s básicos d e l a mecánica cuánbca y d e l a termodinámica s o n s u f i c i e n t e s p a r a d e s c r i b i r e l U n i v e r s o tan lejos e n e l futuro c o m o nos es posible ver. L o que n o t e n e m o s d em o m e n t o es u n a m e d i d a lo suficiente precisa d e l a d e n s i d a d d e m a t e r i a d e l U n i v e r s o p a r a p o d e r decir c o n c e r t e z a e n t r e d o s p o s i b l e s f u t u r o s cuál d e e l l o s n o s e s p e r a .

P o r l o t a n t o , e l p r o g r e s o e n l a predicción d e l d e s b n o d e l U n i verso depende d e nuestra capacidad para mejorar nuestra hab i l i d a d d e observación, más q u e d e especulación teórica.

A pesar d e que l aTierra y e lS o l n o consbtuyen u n a parte i m p o r t a n t e d e n u e s t r a g a l a x i a y d e q u e l a Vía Láctea e s sólo u n a galaxia e n t r e m i l e s d e m i l l o n e s , t e n e m o s , sin e m b a r g o , ciert o interés e n c o n o c e r s u f u t u r o . E l S o l b e n e a h o r a u n a e d a d d e u n o s 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años. E n o t r o s 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años habrá c o n s u m i d o t o d o s u hidrógeno c o m b u s b b l e . S e convertirá e n l o q u e l o s astrónomos l l a m a n u n a g i g a n t e r o j a , y l a T i e r r a quedará s u m e r g i d a e n él. E x c e p t o e n e l c a s o d e l a s e s t r e l l a s m u y pequeñas y d e v i d a m u y l a r g a , 1 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años e s u n t i e m p o d e v i d a típico p a r a u n a e s t r e l l a . D u r a n t e e s t e período d e b e m p o , u n a e s t r e l l a t o m a h e l i o p r i m o r d i a l e hidrógeno, l o p r o c e s a e n s u h o m o n u c l e a r y m u e r e . Según l a m a s a d e l a estrella, e l p r o d u c t o final p u e d e s e r u n a e n a n a b l a n c a (éste será e l d e s b n o d e l S o l ) , u n a e s t r e l l a d e n e u t r o n e s o u n a g u j e r o n e g r o . P e r o , cualquiera q u e sea e lp r o d u c t o final d e l a evolución e s t e l a r , s i e m p r e q u e u n a e s t r e l l a c o m p l e t a e l ciclo vital, c o n s u m e u n a cierta canbdad d e m a t e r i a p r i m a .E n 4 0 . 0 0 0 ó 5 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, s u p o n e m o s q u e l a f o r m a ción e s t e l a r s e habrá frenado c o n s i d e r a b l e m e n t e r e s p e c t o a l o q u e v e m o s h o y e n día. E n n u e s t r a p r o p i a g a l a x i a , l o s astrónom o s verán q u e l a s e s t r e l l a s s e v a n a p a g a n d o , p r i m e r o l a s b r i llantes (que q u e m a n s ucombustible c o n prodigalidad y p o r l o 258

EL DESTINO DEL UNIVERSO

t a n t o m u e r e n a n t e s ) y l u e g o l a s e s t r e l l a s más m o d e r a d a s c o m o e l S o l . E l período d e formación d e e s t r e l l a s , q u e empezó c o n l a aparición d e l a s g a l a x i a s 5 0 0 . 0 0 0 años después d e l B i g B a n g , llegará a s u f i n .

LA

EXPANSIÓN U N I V E R S A L

El siguiente paso e n n u e s t r o e x a m e n del f u t u r o e s alejarnos del p u n t o d evista relativamente local d enuestra vecindad inmediata y preguntarnos sobre e l desbno del Universo c o m o u n t o d o . T a l c o m o v i m o s e n e l capítulo 1 , l a p r o p i e d a d más s o r p r e n d e n t e d e l U n i v e r s o c o m o u n t o d o e s l a expansión, c o n todas las galaxias q u e s e alejan unas d e otras. E s razonable p r e g u n t a r s e s i e s t a expansión continuará p a r a s i e m p r e o s i s e detendrá algún día.

L a m e j o r f o r m a d e c o n s i d e r a r e s t a cuestíón e s i m a g i n a r u n a pelota lanzada hacia arriba desde l a superficie terrestre.

S a b e m o s q u e a l f i n a l l a p e l o t a perderá v e l o c i d a d , s e detendrá e invertirá s u dirección a c a u s a d e l a atracción g r a v i t a t o r i a d e la T i e r r a . S i n e m b a r g o , si s e lanzara l a p e l o t a c o n u n a v e l o c i d a d s u f i c i e n t e (más d e 1 1 kilómetros p o r s e g u n d o ) , s a b e m o s q u e n o caería, s i n o q u e , p o r e l c o n t r a r i o , s e alejaría p o r e l e s p a c i o . L a cuestíón g e n e r a l d e s i l a p e l o t a volverá a c a e r a l s u e lo d e p e n d e d e dos cosas: l avelocidad c o n q u e se m u e v e yl a f u e r z a c o n q u e l a T i e r r a tíra d e e l l a . L a f u e r z a d e g r a v e d a d q u e e j e r c e l a T i e r r a d e p e n d e , a s u v e z , d e l a cantídad d e m a t e r i a q u e ésta contíene.

P o d e m o s i m a g i n a r l a expansión a c t u a l d e l U n i v e r s o d e l a m i s m a m a n e r a . U n a galaxia dada se aleja a h o r a d e nosotros a u n a v e l o c i d a d d e t e r m i n a d a , q u e p o d e m o s m e d i r . S i llegará a d e t e n e r s e y empezará a r e t r o c e d e r h a c i a n o s o t r o s d e p e n d e d e l a atracción g r a v i t a t o r i a q u e e j e r c e e l r e s t o d e l U n i v e r s o s o b r e ella. S i h a y suficiente m a t e r i a p a r a ejercer u n a fuerza l o bast a n t e i n t e n s a , p o d e m o s e s p e r a r q u e e l U n i v e r s o e n expansión e m p i e c e algún día a c o n t r a e r s e . S i n o h a y s u f i c i e n t e m a t e r i a e n e l U n i v e r s o , l a expansión p u e d e fi-enarse u n p o c o p e r o n o 259

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

s e detendrá n u n c a . L a p r i m e r a p r e g u n t a q u e d e b e m o s p l a n t e a m o s a lintentar averiguar e lfuturo del U n i v e r s o es, p o r l o tanto, sie lUniverso e s abierto, cerrado o plano.

E s t a m a n e r a p a r t i c u l a r d e a b o r d a r l a cuesbón, a u n q u e e s fácil d e i m a g i n a r , e s a l g o i m p r e c i s a d e s d e e l p u n t o d e v i s t a d e l a r e l a b v i d a d g e n e r a l . E n e l capítulo 1 3 v i m o s q u e l a f u e r z a g r a v i t a t o r i a s e i n t e r p r e t a e n términos d e l a c u r v a t u r a d e l e s p a c i o d e b i d a a l a p r e s e n c i a d e m a t e r i a . L a analogía d e l a d i s t o r sión d e u n a lámina elásbca e s u n a f o r m a fácil d e r e p r e s e n t a r e s t e m o d o d e v e r l a s c o s a s . C u a n t a más m a s a h a y , l a d i s t o r sión e s , p o r s u p u e s t o , m a y o r .

E n términos d e e s t e m o d o d e c o n s i d e r a r l a g r a v e d a d , u n u n i v e r s o c e r r a d o sería a q u e l u n i v e r s o e n e l q u e l a c a n b d a d d e m a t e r i a e s t a n g r a n d e q u e l a lámina elásbca s e e n c u e n t r a c u r v a d a s o b r e sí m i s m a , d e m a n e r a q u e ningún c u e r p o p u e d e e s tar a u n a distancia infinita d eotro. S ep u e d e n aplicar definicion e s s i m i l a r e s a l o s términos plano y abierto.

P u e d e p a r e c e r extraño q u e n o c o n o z c a m o s l o s u f i c i e n t e d e la e s t r u c t u r a d e l U n i v e r s o p a r a r e s p o n d e r esta p r e g u n t a f u n d a m e n t a l . Después d e t o d o , n u e s t r o s t e l e s c o p i o s s o n c a p a c e s d e d e t e c t a r g a l a x i a s a más d e 1 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años l u z d e d i s t a n c i a . ¿Por qué n o s u m a m o s s i m p l e m e n t e t o d a l a m a s a q u e v e m o s y o b t e n e m o s u n a respuesta?

S i s u m a m o s s i m p l e m e n t e las m a s a s e s t i m a d a s d e t o d a s las galaxias y estrellas q u e p o d e m o s observar c o n nuestros telesc o p i o s , sólo tendríamos u n pequeño p o r c e n t a j e d e l a c a n t i d a d d e matería n e c e s a r i a p a r a c e r r a r e l U n i v e r s o . Parecería q u e t u viéramos q u e c o n c l u i r q u e e l U n i v e r s o e s a b i e r t o .

P e r o e s t a afirmación e s p r e m a t u r a , y a q u e d e p e n d e d e l a hipótesis d e q u e p o d e m o s o b s e r v a r t o d a l a m a t e r i a e x i s t e n t e .

S a b e m o s q u e esto n osiempre es cierto. P o r ejemplo, alguien q u e o b s e r v e e l S i s t e m a S o l a r d e s d e o t r a e s t r e l l a vería e l S o l p o r q u e e s l u m i n o s o , p e r o p r o b a b l e m e n t e n o vería ningún o t r o d e l o s c u e r p o s m a s i v o s q u e s a b e m o s q u e están aquí: p l a n e t a s , a s t e r o i d e s , c o m e t a s , e t c . E n e l c a s o d e l S i s t e m a S o l a r , quizás esto n o sea d e m a s i a d o i m p o r t a n t e , y a q u e todos estos cuerpos sólo s u m a n u n a pequeñísima fracción d e l a m a s a d e l S o l . P e r o 260

EL DESTINO DEL UNIVERSO

a l o b s e r v a r l a s g a l a x i a s , l a situación p u e d e s e r d i f e r e n t e . P u e d e ser m u y b i e n q u e u n g r a n p o r c e n t a j e d e l a m a s a d e u n a galaxia n o s e avisible para alguien q u e l a observa c o n u n telescopio. S i l a materia q u e v e m o s n o cierra e l U n i v e r s o , tal vez l a m a t e r i a q u e n o v e m o s sí l o h a g a .

E x i s t e n v a r i o s i n d i c i o s d e q u e podría h a b e r u n a g r a n c a n b d a d d e m a t e r i a todavía s i n d e t e c t a r . U n o d e e l l o s p r o v i e n e d e l e s t u d i o d e las p r o p i a s galaxias y e l o t r o d e l e s t u d i o d e los cúmulos d e g a l a x i a s . L a s g a l a x i a s c o m o l a Vía Láctea y n u e s t r a v e c i n a más c e r c a n a , Andrómeda, b e n e n f o r m a e s p i r a l y g i r a n a l r e d e d o r d e s u c e n f r o . E l S o l , p o r e j e m p l o , braza u n g r a n círculo p o r l a Vía Láctea c a d a 2 0 0 m i l l o n e s d e años a p r o x i m a d a m e n t e . E s t a rotación e s , e n g e n e r a l , m u y c o m p l e j a , c o n p a r tes distintas d e l a galaxia q u e s e m u e v e n a v e l o c i d a d e s difer e n t e s . H a y , s i n e m b a r g o , u n a s p e c t o d e l a rotación galáctica q u e p o d e m o s estar seguros d e c o m p r e n d e r y que e s e l c o m p o r t a m i e n t o q u e debería t e n e r l a m a t e r i a e n l o s b o r d e s más exteriores del sistema. D e l m i s m o m o d o que los planetas e x t e r i o r e s , c o m o Júpiter y S a t u m o , s e m u e v e n más l e n t a m e n t e e n s u s órbitas q u e l a T i e r r a , también l a m a t e r i a d e l a f r a n j a e x t e r i o r d e u n a g a l a x i a tendría q u e m o s t r a r u n a g r a d u a l d i s m i n u ción d e v e l o c i d a d a l a u m e n t a r l a d i s t a n c i a q u e l e s e p a r a d e aquélla. D e c i m o s q u e l a rotación debería s e r k e p l e r i a n a ( e n h o n o r a l físico J o h a n n e s K e p l e r , e l p r i m e r científico q u e d e s cribió c o n d e t a l l e e l c o m p o r t a m i e n t o d e l o s p l a n e t a s e n e l S i s tema Solar).

C u a n d o hablamos d e l a"franja exterior" d eu n a galaxia e n e s t e c o n t e x t o , e s t a m o s h a b l a n d o d e l a t e n u e m a t e r i a q u e está s i t u a d a más allá d e l a e s t r e l l a más l e j a n a . E s t a m a t e r i a , e n s u m a y o r p a r t e átomos d e hidrógeno, n o e m i t e l u z , p o r l o q u e n o p u e d e observarse a simple vista n i c o n u n telescopio ordinario. Sin embargo, emite ondas radio, l o que nos permite det e c t a r s u p r e s e n c i a y d e t e r m i n a r s u v e l o c i d a d d e rotación.

Estos m a p a s radio d e lasgalaxias revelan u n h e c h o sorprend e n t e . E n l a mayoría d e g a l a x i a s , l o s filamentos d e gashidrógeno g i r a n t a n d e p r i s a c o m o l a s e s t r e l l a s y n o m u e s t r a n ningún i n d i c i o d e l e s p e r a d o c o m p o r t a m i e n t o k e p l e r i a n o . E s 261

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

c o m o s i midiéramos e l S i s t e m a S o l a r y encontráramos q u e J ú p i t e r s e movía t a n d e p r i s a c o m o l a T i e r r a .

L a única f o r m a d e e x p l i c a r e s t e h e c h o d e s c o n c e r t a n t e e s s u p o n e r q u e e l g a s hidrógeno q u e v e m o s está a f e c t a d o p o r u n a gran cantidad d e materia d e l a galaxia; materia que perm a n e c e s i n d e t e c t a r , e x c e p t o p o r s u e f e c t o s o b r e e l hidrógen o . P o r l o t a n t o , t o d a s l a s g a l a x i a s están r o d e a d a s p o r u n e x t e n s o h a l o d e m a t e r i a i n v i s i b l e , u n h a l o q u e podría m u y b i e n c o n t e n e r más m a t e r i a q u e l a s m i s m a s e s t r e l l a s . L a mayoría d e e s t i m a c i o n e s sitúan l a m a s a d e l o s h a l o s e n f r e d o s y d i e z v e c e s la m a s a visible d e l a galaxia.

L o q u e n o s i n d i c a n l o s h a l o s galácticos e s q u e n o d e b e m o s precipitarnos e n afirmar que el Universo es abierto. A u n q u e sólo p o d a m o s o b s e r v a r u n pequeño p o r c e n t a j e d e l a m a t e r i a n e c e s a r i a p a r a i n v e r t i r l a expansión u n i v e r s a l , s a b e m o s a h o r a que hay, sin duda, u n a gran cantidad d e materia e ne l Univers o q u e n o p o d e m o s v e r . S i s u p o n e m o s q u e l a mayoría d e l a s g a l a x i a s tienen h a l o s , deberíamos m u l t i p l i c a r l a c a n t i d a d d e m a t e r i a v i s i b l e p o r u n número e n f r e 2 y 1 0 p a r a t e n e r u n a i d e a d e cuánta m a s a e x i s t e r e a l m e n t e . P o r s u p u e s t o q u e a l h a c e r i o n o s q u e d a m o s aún a u n a b u e n a d i s t a n c i a d e l a c a n t i d a d crítica d e m a s a , p e r o e s t e e p i s o d i o n o s h a c e p e n s a r s i n o h a brá o f r a s m a s a s n o v i s i b l e s q u e e s p e r a n s e r d e s c u b i e r t a s .

O f r o candidato para materia n ovisible surge d e los estud i o s d e l o s asfrónomos s o b r e l o s cúmulos d e g a l a x i a s , q u e s o n grandes concentraciones d e materia que conbenen miles d e g a l a x i a s c o m o l a Vía Láctea. L a s o b s e r v a c i o n e s d e e s t o s cúmulos m u e s t r a n q u e s u población e s d e m a s i a d o d e n s a p a r a q u e s e a n a g m p a c i o n e s a l azar, p e r o q u e las galaxias q u e los constituyen se m u e v e n demasiado deprisa para permitir que e l cúmulo p e r m a n e z c a u n i d o m u c h o más d e 1 0 0 m i l l o n e s d e años, u n tiempo m u y c o r t o a e s c a l a cosmológica. L a única m a n e r a d e e x p l i c a r e l a s p e c t o d e e s t o s cúmulos ( y también a l g u n o s d e t a l l e s d e s u e s f r u c t u r a ) e s s u p o n e r q u e e n e l cúmulo h a y m u c h a más m a t e r i a d e l a q u e s e p u e d e v e r . U n cúmulo típ i c o tendría d e d i e z a c u a r e n t a v e c e s más m a t e r i a d e l a q u e s e estimaría a l t o m a r sólo e n c u e n t a l a m a t e r i a l u m i n o s a . L a 262

EL DESTINO DEL UNIVERSO

m a y o r p a r t e d e e s t a m a t e r i a estaría c o n s t i t u i d a , p o r s u p u e s t o , p o r l o s h a l o s , p e r o , a p a r t e d e éstos, e n l o s cúmulos d e g a l a x i a s h a y más m a t e r i a n o v i s i b l e , u n h e c h o q u e tendría q u e h a c e m o s más r e m i s o s a l a h o r a d e c o n c l u i r p r e c i p i t a d a m e n t e que e l Universo es abierto.

T o d a e s t a discusión d e l a m a t e r i a n o v i s i b l e c o n c i e m e a l a determinación d e l a d e n s i d a d d e m a t e r i a d e l U n i v e r s o a f i n d e q u e , s i c o n o c e m o s e l ritmo d e expansión a c t u a l , p o d a m o s d e cidir s i e l U n i v e r s o es abierto o cerrado. H a y q u e dejar claro, s i n e m b a r g o , q u e l a cuesbón también p u e d e d e c i d i r s e s i s e c o n o c e l a d e n s i d a d d e m a t e r i a y e l ritmo d e expansión e x i s t e n t e s e n cualquier m o m e n t o . S i s o m e t e m o s a consideración e l U n i v e r s o d u r a n t e e l período d e nucleosíntesis t r e s m i n u t o s d e s pués d e l B i g B a n g , p o d e m o s l l e g a r a u n a conclusión r a z o n a b l e , a u n q u e i n d i r e c t a , s o b r e e s t e t e m a . E l rítmo d e expansión e n a q u e l m o m e n t o e s fácil d e c a l c u l a r y l a d e n s i d a d d e p r o t o n e s y n e u b r o n e s p u e d e d e d u c i r s e d e l a c a n t i d a d d e deuterío y h e l i o q u e s e p r o d u j o . ( R e c o r d e m o s q u e l a producción d e d e u t e r i o e r a e l i m p e d i m e n t o e n l a creación d e l o s núcleos e n a q u e l m o m e n t o . ) E lresultado q u e se o b b e n e d e este tipo d e cálculo, a u n q u e s u j e t o a c i e r t a s c o n d i c i o n e s , c o m o l a s u p o s i ción d e q u e l a a b u n d a n c i a d e d e u t e r i o e n l a T i e r r a e s típica d e l a a b u n d a n c i a d e d e u t e r i o e n t o d a s p a r t e s , e s inequívoco. S i c o n t a m o s sólo l a m a t e r i a e n f o r m a d e b a r i o n e s , e l U n i v e r s o e s abierto. S e deduce d e esto que, si e l U n i v e r s o bene que ser cerrado, l a m a s a adicional b e n e q u e estar presente e n a l g u n a f o r m a distinta d e los protones y neuh-ones ordinarios.

Por lo tanto, toda laevidencia que tenemos parece indicar q u e l a m a s a d e l U n i v e r s o está m u y c e r c a d e l v a l o r crítico n e cesario para u n sistema apenas cerrado ( oabierto). Esta situación e s l o q u e a n t e s h e m o s l l a m a d o e l p r o b l e m a d e l U n i v e r s o p l a n o . Además, t a l c o m o m u e s f r a l a discusión d e l a m a s a o c u l ta, e lv e r d a d e r o v a l o r d e l ad e n s i d a d d em a s a e s p r o b a b l e q u e esté m u y c e r c a d e l crítico, t a l v e z d e n f r o d e u n f a c t o r 2 .

Sin embargo, si queremos hablar del futuro del Universo, e s t a afirmación n o e s l o s u f i c i e n t e c l a r a . N e c e s i t a m o s s a b e r s i l a expansión s e invertirá o n o , y , d a d o e l e s t a d o a c t u a l d e 263

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

nuestro c o n o c i m i e n t o observacional, n o p o d e m o s hacer esta distinción. P o r c o n s i g u i e n t e , t e n d r e m o s q u e c o n s i d e r a r l a s d o s altemabvas y v e rl o q u e e l futuro n o s reserva para cada u n a d e ellas.

FUTURO CERRADO E m p e c e m o s p o r s u p o n e r q u e , p o r a l g u n a razón, l a n a t u r a leza h ao p t a d o p o r esconder e l9 5 % d e l am a s a del U n i v e r s o e n l u g a r e s m u y difíciles d e e s p i a r y q u e e l U n i v e r s o e s e n r e a lidad cerrado. E n este caso p o d e m o s esperar u nfuturo espect a c u l a r . E l U n i v e r s o seguirá s u expansión d u r a n t e o t r o s 4 0 . 0 0 0 ó 5 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, p e r o c a d a v e z c o n más l e n b t u d .

Luego, c o m o l a pelota q u e vuelve a caer a l suelo, l a expansión s e invertirá y empezará u n a g r a n confracción. E n l u g a r d e u n U n i v e r s o e n e l q u e l a l u z d e l a s g a l a x i a s l e j a n a s s e desvía hacia e l r o j o (lo q u eindica q u el afuente se aleja d e nosofros), e n c o n f r a r e m o s u n U n i v e r s o e n e l q u e l a l u ze x p e r i m e n t a u n corrimiento hacia e l azul.

C u a n d o e l U n i v e r s o t e n g a d e n u e v o s u tamaño a c t u a l , d e n f r o d e u n o s 8 0 . 0 0 0 ó 1 0 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, l a T i e r r a y e l S o l estarán m u e r t o s d e s d e h a c e m u c h o t i e m p o . S i p o r e n t o n c e s aún q u e d a n s e r e s h u m a n o s , estarán v i v i e n d o , s i n d u d a , e n a m b i e n t e s artificiales alrededor d e esfrellas c u y o n a c i m i e n t o está aún i n i m a g i n a b l e m e n t e l e j o s e n e l f u t u r o . T a l c o m o h e m o s a r g u m e n t a d o , l a s g a l a x i a s serán b a s t a n t e m e n o s l u m i n o sas d e l o q u e s o n a h o r a , c o n g r a n d e s p o b l a c i o n e s d e e n a n a s blancas, esfrellas d e n e u f r o n e s y ofros objetos d e brillo m u y débil. A m e d i d a q u e p r o g r e s e l a confracción, e l c i e l o n o c t u r n o empezará l e n t a m e n t e a b r i l l a r c u a n d o l a radiación cósmica d e f o n d o inicie s u c o r r i m i e n t o hacia l a parte visible d e l especfro y , p o r úlbmo, e l c i e l o resplandecerá d e l u z , día y n o c h e . P o r e n t o n c e s , e l U n i v e r s o s e habrá confraído a m e n o s d e u n a m i lésima p a r t e d e s u tamaño a c t u a l . L o s átomos y l a s moléculas d e l e s p a c i o i n t e r e s t e l a r s e disociarán e n s u s núcleos y e l e c f r o n e s c o n s t i t u y e n t e s , y p o r último l o s p r o p i o s p l a n e t a s y e s f r e l l a s 264

EL DESTINO DEL U N I V E R S O

s e disolverán e n u n m a r u n i v e r s a l d e m a t e r i a c a l i e n t e . A p a r t i r d e e s t e p u n t o , s e repetirán l a s e t a p a s d e l B i g B a n g q u e d e s c r i b i m o s a n t e s , p e r o e n s e n b d o i n v e r s o — l o s núcleos s e d i s o ciarán e n p r o t o n e s y n e u t r o n e s , l o s p r o t o n e s y n e u f r o n e s s e disociarán e n q u a r k s — , h a s t a a l c a n z a r e l e s t a d o o r i g i n a l e n e l q u e empezó e l B i g B a n g .

E s t e m o d e l o c o n d u c e i n e v i t a b l e m e n t e a l a más f a s c i n a n t e d e l a s p r e g u n t a s : ¿La confracción u n i v e r s a l ( q u e l o s cosmólogos, m e d i o e n b r o m a , l l a m a n e l B i g C m n c h , o gran aplastam i e n t o ) irá s e g u i d a p o r o f r a expansión ( e l B i g B o u n c e , o g r a n r e b o t e ) ? E n o f r a s p a l a b r a s , ¿renacerá e l U n i v e r s o d e s u s c e n i z a s , c o m o e l a v e fénix, p a r a r e p e b r t o d o e l c i c l o ? L a i m a g e n d e u n U n i v e r s o q u e r e n a c e c a d a 1 0 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años r e sulta m u y afractiva para algunos. L a ventaja principal d e u n U n i v e r s o e n e t e r n a oscilación e s q u e n o h a y q u e p l a n t e a r s e l a s p r e g u n t a s d e p o r qué empezó y d e dónde surgió. E l U n i v e r s o s i e m p r e h a e x i s t i d o y s i e m p r e exisbrá. D e n f r o d e 1 0 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años e l U n i v e r s o volverá a e s t a r c o n s b t u i d o p o r u n gran c o n j u n t o d e galaxias q u e se separan.

Es u n a idea fascinante, p e r o antes d eirdemasiado lejos e n l a especulación, d e b o a d v e r b r q u e , c o n l a i m a g e n d e u n U n i verso oscilante, se plantean algunos p r o b l e m a s graves. P o r u n a parte, a m e n o s q u e du ra n t e alguna parte d e lciclo c a m b i e n a l g u n a s d e l a s l e y e s básicas d e l a física, e l d e s o r d e n m e d i o d e l U n i v e r s o aumentaría c o n c a d a r e b o t e , p o r l o q u e , a l f i n a l , e l s i s t e m a dejaría d e f u n c i o n a r . Y , p o r s u p u e s t o , t o d a l a idea d e las oscilaciones depende d e lapresencia d e u n a canb d a d d e m a s a s u f i c i e n t e p a r a i n v e r t i r l a expansión e i n i c i a r e l Big C r u n c h . T a l c o m o h e m o s visto, nuesfros datos actuales par e c e n f a v o r e c e r u n típo d e f u t u r o b a s t a n t e d i f e r e n t e .

FUTURO ABIERTO S i e l U n i v e r s o e s a b i e r t o o p l a n o , n o ocurrirá n i n g u n a i n versión d e l a expansión y e l f u t u r o será v e r d a d e r a m e n t e i n f i n i t o . A c o r t o p l a z o e l S o l s e apagará y l a formación d e e s f r e l l a s 265

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

disminuirá t a l c o m o h e m o s d e s c r i t o . L a s e s t r e l l a s pequeñas y d e combustión l e n t a estarán e n p r o c e s o d e extinción c u a n d o l a e d a d d e l U n i v e r s o a l c a n c e l o s 1 0 ' ' ' años, u n a s m i l v e c e s s u e d a d a c t u a l . A e s c a l a s d e b e m p o más l a r g a s , e m p i e z a n a a d q u i r i r i m p o r t a n c i a o b r a s c l a s e s d e disipación. P o r e j e m p l o , a p r o x i m a d a m e n t e c a d a 1 0 ' ^ años, p u e d e e s p e r a r s e q u e l a s e s frellas con sistemas planetarios se acerquen l o suficiente unas a o f r a s p a r a q u e l o s p l a n e t a s s e a n a r r a n c a d o s d e s u s órbitas.

L a s esfrellas d e las partes e x t e r i o r e s d e l a galaxia s e e v a p o r a rán e n u n a e s c a l a d e b e m p o d e 1 0 ' " * años, m i e n f r a s q u e l a s e s t r e l l a s d e n s a m e n t e apiñadas d e l c e n f r o galácbco s e d e s p l o m a rán e n u n a e s c a l a d e b e m p o d e 1 0 " años, m i e n f r a s q u e l a s e s t r e l l a s d e n s a m e n t e apiñadas d e l c e n f r o galáctico s e d e s p l o m a m o s u n m a r c a d a v e z más t e n u e d e radiación e n e l q u e estarán i n c r u s t a d o s aquí y allá a l g u n o s a g u j e r o s n e g r o s . D i s e m i n a d o s e n f r e e s t o s h i t o s e n l a n a d a , s e enconfrarán l o s r e s i d u o s sólidos d e las esfrellas e v a p o r a d a s y e l p o l v o y otros restos que h a y a n escapado d e la captura hasta e l m o m e n t o . E l Univ e r s o mantendrá e s t e a s p e c t o h a s t a q u e s u e d a d a l c a n c e l o s 1 0 ^ ' años.

E n este p u n t o t e n e m o s q u e p r e g u n t a m o s acerca del desb n o d e l a m a t e r i a sólida q u e q u e d a e n e l U n i v e r s o . Según l a G U T , los p r o t o n e s y n e u f r o n e s q u e c o n s b t u y e n t o d a la m a t e r i a s o n i n e s t a b l e s y s e desintegrarán c o n u n tiempo d e v i d a d e u n o s 10^^ años. S i l a m a t e r i a e s r e a l m e n t e i n e s t a b l e a e s t a e s c a l a d e b e m p o t a n l a r g a , e n e s t e m o m e n t o desaparecerá l a m a t e r i a sólida r e s t a n t e a l d e s i n t e g r a r s e s u s c o n s t i t u y e n t e s . E l e f e c t o n e t o a l a r g o p l a z o d e e s t a desintegración será l a e l i m i nación d e l a m a t e r i a sólida d e l U n i v e r s o , c o n l a producción d u r a n t e e l p r o c e s o d e a l g u n a radiación a d i c i o n a l y e l e c f r o n e s y posifrones m u y separados.

E l U n i v e r s o seguirá e n s u p r o c e s o d e expansión y e n f r i a m i e n t o . D e v e z e n c u a n d o , a l g u n a s d e l a s partículas caerán e n u n a g u j e r o n e g r o y a l h a c e r i o producirán r a y o s X . U n hipotéb c o astrónomo q u e o b s e r v a r a e l U n i v e r s o estaría m u y a b u r r i d o y a q u e e s t a situación s e prolongaría h a s t a q u e h u b i e r a n t r a n s c u r r i d o 1 0 * ^ años.

266

EL DESTINO DEL UNIVERSO

E n t r a m o s a h o r a e n unas escalas d e t i e m p o t a n largas q u e e s c a s i i m p o s i b l e i m a g i n a r s e t a n t o s c e r o s . U n a f o r m a úbl d e v i s u a l i z a r l a situación e s i m a g i n a r q u e v e m o s e l U n i v e r s o e n u n a película. S u p o n g a m o s q u e a l p r i n c i p i o d e l a película c a d a m i n u t o d e proyección e q u i v a l e a 1 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años d e h i s t o r i a . S e tardaría a l g o m e n o s d e 2 m i n u t o s e n v e r t o d o l o s u c e d i d o h a s t a l a e r a p r e s e n t e , u n o s 1 5 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años después d e l B i g B a n g . D e j a r e m o s q u e l a película v a y a a e s t a v e l o c i d a d d u r a n t e 1 0 m i n u t o s , u n p r o c e s o q u e n o s llevará a u n a e d a d d e 1 0 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años. S i e l U n i v e r s o e s c e r r a d o , e l B i g C r u n c h ocurriría más o m e n o s e n t o n c e s . Después d e 1 0 m i n u t o s d e proyección, a u m e n t a m o s l a v e l o c i d a d d e l f i l m e n u n f a c t o r 1 0 , d e f o r m a q u e c a d a m i n u t o d e visión c o r r e s p o n d e a h o r a a 1 0 0 . 0 0 0 m i l l o n e s d e años, c o n l o q u e 1 0 m i n u t o s n o s llevarían a u n a e d a d d e u n billón ( 1 0 ' ^ ) d e años. S e requerirían t r e s d e e s t o s c a m b i o s d e v e l o c i d a d d e l a película p a r a a b a r c a r l a extinción d e l a s e s t r e l l a s p e q u e ñas, o t r o p a r a v e r c ó m o l o s p l a n e t a s e r a n a r r a n c a d o s d e s u s órbitas y q u e d a b a n s u e l t o s y c u a f r o c a m b i o s más después d e éste p a r a v e r d i s o l v e r s e l a s g a l a x i a s . S e requerirían 1 3 a u m e n t o s más d e v e l o c i d a d ( 2 1 e n t o t a l ) p a r a a l c a n z a r e l p u n t o e n que se espera que los protones se desintegren y entonces tendríamos q u e s e n t a m o s y e s p e r a r n o m e n o s d e 3 4 c a m b i o s d e velocidad antes del siguiente acontecimiento interesante.

S o l e m o s considerar los agujeros negros c o m o cuerpos tan m a s i v o s q u e n a d a p u e d e e s c a p a r a s u atracción g r a v i t a t o r i a , n i t a n sólo l a l u z . P e r o p a r a e s c a l a s d e tiempo l a r g a s r e s u l t a q u e esto n oes del t o d o cierto. C u a n d o l atemperatura d e la radiación d e f o n d o s e a s u f i c i e n t e m e n t e b a j a , l o s a g u j e r o s n e g r o s emitirán radiación térmica. E n c i e r t o m o d o , e l a g u j e r o n e g r o es c o m o e l r e s c o l d o d e u n f u e g o , q u e e m i t e calor a s u a l r e d e dor, calor q u e e n e l caso d e u n rescoldo se p u e d e n o t a r c o n l a m a n o . C u a n d o l a película e s t u v i e r a p a s a n d o a u n a v e l o c i d a d d e l O * " ^ años p o r m i n u t o , u n a g u j e r o n e g r o d e l tamaño d e l a T i e r r a empezaría a r a d i a r energía y , a m e d i d a q u e l o h i c i e r a s e volvería c a d a v e z más b r i l l a n t e . E n 1 m i n u t o d e b e m p o d e l f i l m , e l a g u j e r o n e g r o iluminaría e l c i e l o y l u e g o d e s a p a r e c e 267

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

ría, y sólo quedaría d e él u n a contribución a l m a r d e radiación e n expansión. A m e d i d a q u e e l f i l m s e a c e l e r a r a y a u m e n t a r a su velocidad cada 1 0 minutos, unos agujeros negros cada vez m a y o r e s experimentarían e l m i s m o p r o c e s o y s e evaporarían a s u v e z , y t o d o l o q u e veríamos d u r a n t e l o s 4 0 c a m b i o s s i g u i e n t e s d e v e l o c i d a d d e l a película sería u n U n i v e r s o e n e x pansión c o n o c a s i o n a l e s f u e g o s d e a r t i f i c i o c a d a v e z q u e s e e x t i n g u i e r a u n a g u j e r o n e g r o . E s t e p r o c e s o continuaría h a s t a desaparecer todos los agujeros negros y, e n e l m o m e n t o que t e r m i n a r a , l a película estaría p a s a n d o a u n a v e l o c i d a d d e 10'°* años p o r m i n u t o . Habríamos e s t a d o m i r a n d o l a película d u rante algo m e n o s d e 1 8 horas.

E n e s t e p u n t o habríamos a l c a n z a d o e l f i n a l d e n u e s t r a h i s t o r i a , y a q u e n o quedaría n a d a e n e l U n i v e r s o p a r a p r o d u c i r ningún c a m b i o . E s t o s i g n i f i c a q u e t o d o s l o s p o s i b l e s f u t u r o s del U n i v e r s o abierto t e r m i n a n d e la m i s m a f o r m a . E n u n r e m o t o t i e m p o e n e l f u t u r o , e l U n i v e r s o será u n m a r frío y t e n u e d e radiación e n expansión, c o n u n a s c u a n t a s partículas a b a n d o n a d a s p a r a r o m p e r l a monotonía. T a l v e z f u e e s t a sombría p e r s p e c t i v a l o q u e h i z o d e c i r a S t e v e n W e i n b e r g ; «Cuanto más c o m p r e n s i b l e r e s u l t a e l U n i v e r s o , más inúbl parece.»

Epflogo Ahora que herreos averiguado el principio y el fin del Universo, todo lo que tenernos que hacer es construirlo antes del viernes.

DON

MOSER

DEFINICIÓN D E L A F R O N T E R A Después d e r e p a s a r l o s e x t r a o r d i n a r i o s a v a n c e s q u e s e h a n h e c h o e n l a comprensión d e l U n i v e r s o p r i m i t i v o , e s n a t u r a l p r e g u n t a r s e qué p u e d e s u c e d e r a h o r a y e n u n f u t u r o i n m e d i a to. Por e l m o m e n t o , p o d e m o s representar la frontera del c o n o c i m i e n t o c o m o u n a línea b a s t a n t e b o r r o s a q u e a t r a v i e s a e l área g e n e r a l d e l a s teorías d e l a g r a n unificación. U n o p t i m i s t a diría q u e l a G U T c a e d e n t r o d e l o s límites d e l a c i e n c i a e s t a b l e c i d a y q u e l o s p r o b l e m a s p e n d i e n t e s s o n más u n a cuestión d e d e t a l l e q u e d e f o n d o . U n p e s i m i s t a pondría d e m a n i f i e s t o que d e m o m e n t o n o hay una evidencia experimental firme para l a G U T y que t a m p o c o hay acuerdo sobre materias tan i m p o r t a n t e s c o m o l a n a t u r a l e z a d e l a v e r d a d e r a simetría s u b y a c e n t e . E n términos d e l a e s c a l a t e m p o r a l d e n u e s t r o B i g B a n g , e l o p b m i s t a diría q u e h e m o s c o n s e g u i d o l l e g a r h a s t a e l tiempo d e P l a n c k , a l o s 10^^^ s e g u n d o s , m i e n t r a s q u e e l p e s i m i s t a optaría p o r a l g o más c e r c a n o a l o s 1 0 " ^ * s e g u n d o s . S i n e m b a r g o , a m b o s tendrían q u e r e c o n o c e r q u e l a f r o n t e r a h a r e t r o c e d i d o m u c h o d e s d e d o n d e e s t a b a h a c e u n a década. L a f a l t a d e definición e n l a situación e x a c t a d e l a fi-ontera d e l c o nocimiento n o es particularmente importante. De hecho, es l o q u e esperaríamos d e u n a d i s c i p l i n a q u e e x p e r i m e n t a u n rápido crecimiento.

Y a h e m o s e s b o z a d o cuál e s p r o b a b l e q u e s e a l a s i g u i e n t e e t a p a e n e l p r o c e s o d e unificación. E l p r o b l e m a teórico tiene 269

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d o s a s p e c t o s : p r i m e r o , e l d e s a h ^ o U o d e u n a descripción cuánt i c a d e l a g r a v e d a d y , s e g u n d o , l a unificación d e e s t a teoría c o n l a G U T . E s t e e s u n t e m a d e i n t e n s a investigación e n l a a c t u a l i d a d . S i e s t o s e s f u e r z o s t i e n e n éxito, p o d r e m o s h a c e r q u e nuestro c o n o c i m i e n t o del U n i v e r s o primitivo llegue hasta e l m o m e n t o m i s m o d e l a creación. L o q u e p o d a m o s e n c o n t r a r c u a n d o l l e g u e m o s allí y s i r e a l m e n t e p o d r e m o s d e s c r i b i r e l p r o p i o p r o c e s o d e l a creación s o n e n l a a c t u a l i d a d t e m a s d e especulación. N u e s t r o c o n o c i m i e n t o a c t u a l n o n o s p e r m i t e v e r c o n c l a r i d a d cuáles serán l a s r e s p u e s t a s a e s t a s p r e g u n t a s . Éstas s o n l a s p r e g u n t a s teóricas i n m e d i a t a s q u e n o están r e s u e l t a s . H a y o t r o c o n j u n t o d e p r e g u n t a s , más f u n d a m e n t a les, q u e c a b e f o r m u l a r . P o r e j e m p l o , s a b e m o s q u e las m a s a s d e unificación p a r a l a s u n i f i c a c i o n e s electrodébil y f u e r t e s o n , r e s p e c t i v a m e n t e , d e 1 0 0 G e V y 1 0 ' * G e V . ¿Por qué b e n e n q u e s e r t a n a b s o l u t a m e n t e d i f e r e n t e s ? ¿Es c i e r t o e n r e a l i d a d q u e después d e q u e a c a b e m o s d e c o n s t m i r l a r o n d a a c t u a l d e aceleradores capaces d e investigar interacciones del o r d e n d e los 1 0 0 G e V , nos e n c o n t r e m o s frente a u n gran desierto e n e l q u e n o s u c e d e n a d a i n t e r e s a n t e h a s t a l a energía i m p o s i b l e d e a l c a n z a r d e 1 0 ' * G e V ? S i e s t o r e s u l t a r a c i e r t o , sería u n h e c h o s i n p r e c e d e n t e s e n l a h i s t o r i a d e l a física. Después d e t o d o , l a d i f e r e n c i a e n t r e l a energía n e c e s a r i a p a r a r o m p e r u n átomo y l a n e c e s a r i a p a r a r o m p e r u n núcleo e s d e sólo c i n c o o s e i s órd e n e s d e m a g n i t u d (la p r i m e r a e s d e u n o s c u a n t o s e l e c t r o n v o l tios y l a última d e u n o s c u a n t o s m i l l o n e s d e e l e c b - o n v o l t i o s ) .

D e s d e l a energía n e c e s a r i a p a r a r o m p e r l o s núcleos h a s t a l a n e c e s a r i a p a r a p r o d u c i r partículas, h a y sólo t r e s órdenes d e m a g n i t u d (desde los millones d e electronvoltios a los G e V ) y d o s órdenes d e m a g n i t u d , más allá e n c o n t i - a m o s l a unificación electrodébil a l o s 1 0 0 G e V . U n s a l t o d e h - e c e órdenes d e m a g n i t u d a n t e s d e l a g r a n unificación sería m u y difícil d e c o m p r e n d e r . L o s teóricos l o l l a m a n e l p r o b l e m a d e e s c a l a . E s p o c o probable que se pueda resolver pronto.

270

EPÍLOGO

TRIUNFO D E L REDUCCIONISMO H a y u n a s p e c t o i m p o r t a n t e d e l o s a v a n c e s d e l a física d i s c u t i d o s e n e s t e l i b r o q u e aún n o h e m o s m e n c i o n a d o . E s t o s avances representan e l resultado final d e u n a vieja m e t a científica y filosófica. L a c i e n c i a o c c i d e n t a l s e h a b a s a d o a m p l i a mente e n la idea d e q u e la forma d e comprender cualquier c o s a e n e l m u n d o físico e s d e s c o m p o n e r i a e n s u s p a r t e s c o n s t i t u y e n t e s . D e e s t e m o d o , s e l l e g a a q u e l a m a t e r i a está f o r m a d a p o r átomos; l o s átomos, p o r partículas; l a s partículas, p o r q u a r k s ; y así s u c e s i v a m e n t e . E s u n a m a n e r a d e c o n s i d e r a r l a s c o s a s q u e l o s filósofos l l a m a n r e d u c c i o n i s m o . L a hipótesis básica d e l r e d u c c i o n i s m o e s q u e l arealidad subyacente e s s i m p l e y bella y q u el a aparente complejidad del m u n d o es e l resultado d erelaciones complejas entre objetos simples. Por ejemplo, u n ladrillo es u n objeto simple, pero p u e d e n juntarse l a drillos para fabricar t o d o tipo d eestructuras complicadas.

D u r a n t e l o s años s e s e n t a y s e t e n t a , c u a n d o l a c o m p l e j i d a d d e l m u n d o d e l a s partículas s e ponía d e m a n i f i e s t o e n u n e x p e r i m e n t o t r a s o t r o , a l g u n o s físicos d e j a r o n d e t e n e r f e e n l a filosofía r e d u c c i o n i s t a y e m p e z a r o n a b u s c a r u n a guía f u e r a d e l a tradición o c c i d e n t a l . E n s u l i b r o The Tao of Physics, p o r e j e m p l o , F r i t j h o f C a p r a a r g u m e n t a b a q u e l a filosofía d e l r e d u c c i o n i s m o había f r a c a s a d o y q u e e r a h o r a d e t e n e r u n a v i sión más holísbca y mísbca d e l a n a t u r a l e z a .

P e r o a h o r a v e m o s q u e este p u n t o d e vista, g e n e r a d o d u r a n t e l o q u e resultó s e r u n a e r a t e m p o r a l d e c r e c i e n t e c o m p l e jidad, n oh a resisbdo e l paso del b e m p o . H e m o s visto q u e l a introducción d e l a i d e a d e l o s q u a r k s h a r e d u c i d o l a c o m p l e j i d a d d e l a s partículas e l e m e n t a l e s y q u e e l d e s a r r o l l o d e l a i d e a d e simetría g a u g e h a r e d u c i d o l a a p a r e n t e c o m p l e j i d a d de las fuerzas fundamentales. D ehecho, estamos e ne l borde d e l t r i u n f o f i n a l d e l a i d e a r e d u c c i o n i s t a . D e n t r o d e u n o s años, p o d e m o s m u y bien c o m p r o b a d o siinvesbgamos c o n suficiente profundidad, encontraremos u n Universo q u erepresenta la sencillez y belleza total. T o d a l aaparente c o m p l e j i d a d q u e v e 271

EL M O M E N T O DE LA C R E A C I Ó N

m o s s e comprenderá e n términos d e u n s i s t e m a s u b y a c e n t e e n e l q u e partículas d e u n s o l o b p o i n t e r a c c i o n a n e n t r e sí a través d e u n a sola clase d e fuerza. S i e n realidad s e desarrolla este t i p o d e teoría, será l a culminación d e u n a búsqueda filosófica q u e empezó h a c e más d e d o s m i l e n i o s e n l a s c o l o n i a s jónicas gríegas.

O t r a i m p o r t a n t e tradición d e l a c i e n c i a o c c i d e n t a l h a s i d o l a separación e n t r e e l o b s e r v a d o r y l o q u e s e o b s e r v a . E n l a fís i c a clásica e s t a i d e a adoptó l a c o n d u c t a d e e x i g i r q u e e l a c t o d e observación n o t u v i e r a ningún e f e c t o s o b r e e l s i s t e m a o b servado. C o m o h e m o s visto, e l principio d e incertidumbre m u e s t r a q u e n o s e p u e d e l l e v a r a c a b o e s t a separación rígida e n t r e s u j e t o y o b j e t o e n e l m u n d o subatómico. E n e s e m u n d o , e l a c t o d e observación i m p l i c a n e c e s a r i a m e n t e u n a interacción d e u n a partícula c o n o t r a y e s t a interacción tiene q u e p e r t u r b a r a m b a s partículas. E f e c t o s c o m o e l i n t e r c a m b i o d e partícul a s v i r t u a l e s y e l e f e c t o túnel cuánbco s o n c o n s e c u e n c i a s m e dibles y comprobables del principio d e incertidumbre.

S i n e m b a r g o , e x i s t e u n a a m p l i a sensación d e q u e e l d e s a r r o l l o d e l a s teorías g a u g e r e f u e r z a l a i d e a d e separación e n t r e sujeto y objeto, que consbtuye una parte tan importante d e nuestra experiencia cobdiana. M e parece que e l p u n t o esenc i a l implícito e n e s t a separación e s q u e h a y r e a l m e n t e u n m u n d o físico q u e p u e d e c o n o c e r s e y q u e e s t e c o n o c i m i e n t o debe s e rindependiente d e l a persona que l o posee. Esto n o p u e d e establecerse a nivel d e hechos experimentales a causa d e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e , p e r o l a s teorías g a u g e p a r e c e n i n d i c a r q u e p u e d e e s t a b l e c e r s e a u n n i v e l m u c h o más p r o fundo.

L a s teorías g a u g e i m p l i c a n q u e l a s d e s c r i p c i o n e s c o r r e c t a s de l anaturaleza son aquellas que n o d e p e n d e n d e definiciones arbitrarias hechas p o r observadores disbntos. D e hecho, las teorías e x i g e n q u e n o h a y a n i n g u n a medición q u e p u e d a r e a l i z a r s e e n e l l a b o r a t o r i o y q u e varíe s i c a d a o b s e r v a d o r d e l m u n d o hace u n c a m b i o arbitrario e nsus definiciones d e carga eléctrica, c a r g a d e c o l o r , o i n c l u s o partículas e l e m e n t a l e s . E l p r i n c i p i o g a u g e , p o r l o t a n t o , n o s i n d i c a q u e l a s únicas teorías 272

EPÍLOGO

que p u e d e n describir correctamente e l m u n d o natural s o n aquellas q u es o ncompletamente independientes d e la predisposición m e n t a l d e d i f e r e n t e s o b s e r v a d o r e s . E n e s t e a s p e c t o , s e h a c e n e c o d e l o s éxitos a n t e r i o r e s d e l a teoría d e l a r e l a b vidad, q u e exige q u e n o haya ninguna ley d e la naturaleza que d e p e n d a d e lestado d e m o v i m i e n t o d e l o s observadores indiv i d u a l e s . E l e f e c t o n e t o d e e s t a s d o s teorías e s a b r i r u n a b r e c h a n u e v a y más p r o f u n d a q u e n u n c a e n t r e e l m u n d o o b s e r v a d o y q u i e n h a c e l a observación. E n e f e c t o , n o s i n d i c a n q u e l a descripción c o r r e c t a d e l m u n d o e s a q u e l l a e n l a q u e e l o b s e r v a d o r e s i r r e l e v a n t e . C u a l q u i e r o t r a descripción violaría e l p r i n c i p i o g a u g e y produciría u n a teoría i n c o r r e c t a .

P o r l o t a n t o , p u e d e c o n s i d e r a r s e q u e l a década d e l o s s e t e n t a h a s i d o e l período e n e l q u e s e h a n v i n d i c a d o p l e n a m e n t e l a s g r a n d e s t r a d i c i o n e s d e l p e n s a m i e n t o científico o c c i d e n t a l , q u e parecían a m e n a z a d a s p o r l o s a v a n c e s d e l a c i e n c i a d e l s i g l o XX. E s d e s u p o n e r q u e e s t a realización t a r d e u n p o c o e n d i f u n d i r s e a p a r t i r d e u n pequeño g m p o d e físicos teóricos y s e i n c o r p o r e a n u e s t r a visión g e n e r a l d e l m u n d o .

¿QUÉ HACER C O N DIOS? C u a n d o h a b l o c o n m i s a m i g o s d e lh e c h o d e q u e las fronteras d e l c o n o c i m i e n t o s o n e m p u j a d a s sin cesar hacia e l m o m e n t o d e l a creación, m e p r e g u n t a n m u c h a s v e c e s a c e r c a d e l a s i m p l i c a c i o n e s r e l i g i o s a s d e l a n u e v a física. E s e v i d e n t e q u e existen estas implicaciones, e nparticular e n las especulaciones a c e r c a d e c ó m o empezó a e x i s b r e l U n i v e r s o . L o s físicos s u e l e n s e n b r s e m u y incómodos c o n e s t e b p o d e p r e g u n t a , p u e s t o q u e n o s e p u e d e r e s p o n d e r c o n l o s métodos n o r m a l e s d e n u e s t r a c i e n c i a . P o r s i s o n úbles a a l g u i e n , daré aquí m i s p u n tos d e vista personales sobre e l tema, c o n la advertencia d e q u e p u e d e q u e n o s e a n c o m p a r t i d o s p o r o t r o s científicos.

M e parece q u el ainquietud que siente l agente cuando r e f l e x i o n a s o b r e e l b p o d e a v a n c e científico implícito e n l a n u e v a física s u r g e d e l a i d e a d e q u e l a aplicación d e l a s técnicas 273

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

d e l a c i e n c i a a l a creación d e l U n i v e r s o e s a l g o q u e i n v a d e e l t e r r e n o r e s e r v a d o a l a religión. I m a g i n o q u e e s t o e s l o q u e sentían n u e s t r o s a n t e p a s a d o s e n e l s i g l o X I X c u a n d o D a r w i n s e decidió p o r último a a p l i c a r l a s l e y e s d e l a biología e v o l u t i v a a los seres h u m a n o s . S i n e m b a r g o , p o d e m o s ver, e n retrospección, q u e e l h e c h o d e q u e l o s s e r e s h u m a n o s h a y a n e v o l u c i o n a d o a p a r t i r d e f o r m a s d e v i d a i n f e r i o r e s n o daña l o s p r i n c i p i o s f u n d a m e n t a l e s d e las c r e e n c i a s religiosas d e n a d i e .

S i t o m a m o s e l c r i s t i a n i s m o c o m o e j e m p l o , l a evolución e s s i m p l e m e n t e i r r e l e v a n t e p a r a l a d o c t r i n a d e l a salvación a fravés d e l a f e o p a r a c u a l q u i e r o f r a enseñanza i m p o r t a n t e .

S o s p e c h o q u e s i t e n e m o s éxito e n l a comprensión d e l o s m i s t e r i o s d e l m o m e n t o d e l a creación, n u e s f r o s d e s c e n d i e n t e s tendrán más o m e n o s l a m i s m a a c t i t u d h a c i a e s e h e c h o q u e l a q u e t e n e m o s n o s o f r o s h a c i a l a evolución. L a razón d e e s t a e x p e c t a t i v a b e n e q u e v e r c o n l a n a t u r a l e z a d e l p r o c e s o científico.

N o i m p o r t a l o q u e p r o f u n d i c e m o s e n c u a l q u i e r t e m a científic o , s i e m p r e e n c o n f r a r e m o s a l g o i n e x p l i c a d o e i n d e f i n i d o . L o s filósofos m e d i e v a l e s d i e r o n l a T i e r r a p o r h e c h a y a f r i b u y e r o n s u e x i s t e n c i a a l e s p e c i a l frabajo c r e a d o r d e D i o s . E n e l s i g l o XIX, s e comprendió q u e l a e x i s t e n c i a d e l S i s t e m a S o l a r s e infería de m a n e r a natural d e la ley d e l a gravedad y d e la existencia de l a Galaxia, y , e n este siglo, h e m o s descubierto q u e l a existencia d el aGalaxia es u n a consecuencia natural del Big Bang.

E n t o d o s estos casos, s e h a n h e c h o r e f r o c e d e r las f r o n t e r a s d e l c o n o c i m i e n t o c o n el d e s c u b r i m i e n t o de n u e v a s leyes de la n a t u r a l e z a . E n c a d a e t a p a , s i n e m b a r g o , había u n p u n t o e n e l q u e s e podía d e c i r : " N u e s t r o c o n o c i m i e n t o científico n o s h a l l e v a d o h a s t a aquí; más allá d e e s t e p u n t o p o d e m o s , s i q u e r e m o s , p o s t u l a r u n a creación e s p e c i a l . " P a r e c e q u e , a h o r a , n u e s f r o s n u e v o s d e s c u b r i m i e n t o s d e las l e y e s q u e g o b i e m a n l a n a t u r a l e z a d e l a s partículas e l e m e n t a l e s p u e d e n p e r m i b m o s e m p u j a r las f r o n t e r a s hasta l am i s m a creación d e l U n i v e r s o . E s t o , s i n e m b a r g o , n o a l t e r a e l h e c h o d e q u e h a y u n a f r o n t e r a . T o d o l o q u e h a c e e s fransferir n u e s f r a atención d e l a f o r m a m a t e r i a l d e l U n i v e r s o a l a s l e y e s q u e g o b i e m a n s u c o m p o r t a m i e n t o . P u e d o oír a u n filósofo d e l s i 274

EPÍLOGO

g l o XXI d i c i e n d o : " M u y b i e n , e s t a m o s d e a c u e r d o e n q u e e l U n i v e r s o e x i s t e a c a u s a d e l a s l e y e s d e l a física. P e r o , ¿quién creó e s a s l e y e s ? " E i n c l u s o s i , t a l c o m o h a n s u g e r i d o a l g u n o s físicos, l a s l e y e s d e l a física q u e d e s c u b r i m o s s o n l a s únicas l e y e s q u e s o n c o h e r e n t e s e n t r e sí d e m a n e r a lógica ( y p o r l o t a n t o , l a s únicas l e y e s q u e podrían e x i s b r ) , n u e s t r o filósofo podría p r e g u n t a r : "¿Quién h i z o l a s l e y e s d e l a lógica?"

Así, m i m e n s a j e a a q u e l l o s q u e c r e e n q u e l a c i e n c i a está s o b r e p a s a n d o s u s límites c u a n d o i n v e s t i g a e l U n i v e r s o p r i m i t i v o e s s e n c i l l o : N o h a y m o t i v o d e preocupación. P o r m u c h o q u e h a g a m o s r e b - o c e d e r e s t o s límites, habrá s i e m p r e e s p a c i o p a r a l a f e r e l i g i o s a y p a r a u n a interpretación r e l i g i o s a d e l m u n d o físico.

E n c u a n t o a mí, m e s i e n t o m u c h o más cómodo c o n e l c o n c e p t o d e u n D i o s l o b a s t a n t e l i s t o p a r a i d e a r l a s l e y e s d e l a física, q u e h a c e n i n e v i t a b l e l a existencia d e n u e s t r o m a r a v i l l o s o Universo, que c o n e l Dios pasado d e m o d a que tuvo que fabricario todo, laboriosamente, pieza a pieza.

Glosario

Aniquilación. Proceso que ocurre cuando se encuentran una partícula y su antipartícula, y sus masas se convierten en energía.

Antimatería. Forma de materia que, a nivel de las partículas, consiste en una partícula cuya masa es igual a la de una partícula normal pero que tiene carga eléctrica (y otras cargas) opuesta (véase el cap. 3).

Antíprotón. Partícula con la misma masa y el mismo spin que el protón, pero con una carga eléctrica negativa.

Año luz. Distancia que recorre la radiación electromagnética en el vacío en un año, equivale a unos 9 billones de kilómetros.

Barión. Cualquier partícula cuyos productos de desintegración incluyan un protón. : ^ - .,,.5, , Bosón.

Partícula elemental con spin entero (p. ej., spin O, 1 , 2 . . . ) .

Bosón X. Partícula muy masiva de spin 1 asociada con la GUT y responsable de la desintegración del protón.

Bosones vectoriales. Partículas masivas de spin 1 cuyo intercambio genera la interacción débil.

Color. Simetría intema de los quarks. Es análoga a la carga eléctrica (pero es más difícil de imaginar).

Confinamiento. Principio que conduce a la conclusión de que los quarks tienen que estar confinados en partículas y no pueden observarse como entidades libres.

277

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Conjugación de carga. Operación mental en la que imaginamos que reemplazamos cada partícula por su antipartícula.

Constante de acoplamiento. Número que se utiliza para especificar la intensidad de la interacción entre dos partículas.

Corrimiento hacia el rojo. Corrimiento de la luz emitida por las estrellas de las galaxias lejanas, que indica que se alejan de nosotros.

Cuerda. Objeto masivo unidimensional que puede haberse formado 10~^^ segundos después del Big Bang y puede haber servido luego como núcleo a cuyo alrededor se condensaron las galaxias.

Deuterio.

Deuterón.

Atomo cuyo núcleo es un deuterón.

Núcleo constituido por un protón y un neutrón.

Edad de Hubble. Edad aproximada del Universo obtenida por extrapolación de la expansión observada al retroceder en el tiempo.

El valor aceptado de la edad de Hubble es de unos 15.000 millones de años.

Efecto Doppler. Efecto por el que el movimiento de la fuente de una onda produce un corrimiento de la frecuencia de dicha onda (véase el cap. 1).

Efecto túnel (cuántico). Proceso mediante el cual las partículas cuánticas pueden atravesar barreras que serían infranqueables para los objetos clásicos.

Energía GUT. Energía a la que se unifican las fuerzas fuerte, débil y electromagnética. Normalmente se considera como 10'^ GeV. Extrañeza. Simetría intema análoga a la carga eléctrica. En la naturaleza, se observan reacciones en las que cambia la extrañeza, pero son más lentas de lo que podría esperarse.

Falso vacío. Estado en el que puede haberse encontrado el Universo poco después del Big Bang y del que escapó por efecto túnel.

Fermión. Cualquier partícula con spin semientero (p. ej., spin 1/2, 3/2, 5/2, etc.).

Fotón. Si queremos considerar que la radiación electromagnética (de las ondas radio a la luz y a los rayos X) es una partícula, damos a esta partícula el nombre de fotón.

278

GLOSARIO

Fuerza débil.

Fuerza fuerte.

Véase interacción débil.

Véase interacción fuerte.

Generación. Término que se refiere a los agrupamientos de los quarks o los leptones en tres pares, en los que cada par es una generación.

GeV. Gigaelectronvoltío; unidad de energía correspondiente a 1 0 ' veces la energía necesaria para mover un electrón a través de un voltio. La masa del protón es algo inferior a un GeV. Gluón. Partícula sin masa de spin 1, cuyo intercambio genera la interacción fuerte entre los quarks.

Gravitino. Partícula masiva de spin 3/2 cuyo intercambio contribuye a la fuerza de gravedad en algunas teorías de supersimetría.

Gravitón. Partícula sin masa de spin 2 cuyo intercambio se cree que produce la fuerza gravitatoria.

GUT. Siglas de la teoría de la gran unificación (del inglés, Grand Unified Theory).

Hadrón.

Cualquier partícula que participa en la interacción fuerte.

Inflación. Proceso por el que el Universo se expandió con mucha rapidez unos 10^^^ segundos después del Big Bang.

Interacción débil. Fuerza que gobiema la desintegración radiactiva ordinaria. Llámase también fuerza débil.

Interacción fuerte. Fuerza responsable de mantener juntas las partículas en el núcleo o los quarks en la partícula. Llámase también fuerza fuerte.

Inversión temporal. Operación mental en la que imaginamos ver una interacción dada producirse hacia atrás en el tiempo.

Ion.

Átomo del que se han arrancado electrones.

Ionización. Proceso por el que se arrancan electrones de átomos antes neutros.

Isótropo. Una cantidad es isótropa si no varía al observarla desde cualquier dirección. La radiación de microondas es aproximadamente isótropa (véase el cap. 1).

279

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Lambda. Barión con spin 1/2 y extrañeza - 1 . Fue la primera partícula extraña descubierta.

Libertad asintótica. Propiedad que permite a los quarks interaccionar libremente cuando están ligados dentro de las partículas.

Límite de Paricer. Límite en el número de monopolos magnéticos de la galaxia, que se funda en la existencia del campo magnético galáctico. . . . ....

Leptón. Partícula que no participa en la interacción fuerte. Los leptones son seis, el electrón, el muon, el tau y el neutrino asociado con cada una de estas partículas.

Ley de conservación. Ley que establece que una determinada cantidad no cambia (se conserva) en un proceso físico dado.

Masa GUT. Véase energía GUT. Mesón. Cualquier partícula cuyos productos de desintegración no incluyen ningún protón.

Mesón mu o muon. Leptón similar al electrón en todos los aspectos, excepto en que tiene una masa unas 200 veces mayor.

Mesón pi o pión. Familia de tres mesones (masa de 0,14 GeV) que participan en las interacciones fuertes. ,: ; . ; £= Mesón tau. Tercer leptón masivo, idéntico al electrón y al muon excepto por su gran masa.

Microondas. Ondas electromagnéticas similares en todos los aspectos a la luz visible, excepto en que tienen una longitud de onda más larga.

Modelo de Weinberg-Salam; modelo de Weínberg-GIashow-Salam.

Teoría original que unificó las fuerzas débil y electromagnética.

Monopolo magnético. Partícula de gran masa que se formó 10^^^ segundos después del Big Bang y que es portadora de un solo polo magnético, norte o sur.

Muon.

Véase mesón mu.

'

'

'

Neutrino. Leptón sin masa, de spin 1/2, emitido con frecuencia en la desintegración de partículas.

Neutrón.

280

Partícula masiva pero sin carga eléctrica. Tiene aproxima-

GLOSARIO

damente la misma masa que el protón y se encuentra nonnalmente en el núcleo.

Nucleosíntesis. Proceso por el que se forman los núcleos a partir de protones y neutrones.

Nuevo modelo inflacionario. Versión de las teorías inflacionarias en la que sólo aparece un dominio en la congelación GUT. Número cuántico. Conjunto de números que especifica la identidad de una partícula, por ejemplo, spin, carga eléctrica, extrañeza.

Paridad. Propiedad de los sistemas físicos que nos indica si son idénticos cuando se observan como en un espejo.

Partículas fósiles. Partículas (como los monopolos magnéticos y los quarks) que no desaparecieron en seguida del Big Bang.

Partícula virtual. Partícula creada y reabsorbida en un tiempo tan corto que no se pueden detectar las violaciones de la conservación de la energía asociadas con su masa.

Pión.

Véase mesón pi.

Plasma. Conjunto de cargas positivas y negativas que son libres de moverse con independencia unas de otras; formado normalmente por arrancamiento de electrones de sus núcleos.

Positrón. Antipartícula del electrón. Tiene la misma masa que el electrón pero una carga eléctrica positiva.

Principio de incertidumbre. Principio de la mecánica cuántica que establece que la incertidumbre en la energía de un sistema multiplicada por la incertidumbre en el tiempo durante el que el sistema ha tenido esa energía debe ser mayor que un número específico.

Problema del horizonte. Problema asociado con el hecho de que la radiación procedente de direcciones diferentes del Universo es isótropa, aunque las regiones desde donde se emite podrían no haberse comunicado entre sí.

- -•• -it; Problema del Universo plano. Problema asociado con el hecho de que hay en el Universo casi exactamente la materia suficiente para cerrado.

281

EL M O M E N T O DE LA CREACIÓN

Protón. Partícula masiva con una carga eléctrica positiva. Uno de los bloques constituyentes del núcleo.

Renormalización. Proceso por el que se eliminan los infinitos aparentes que surgen en los cálculos de interacciones entre partículas.

Rotura espontánea de la simetría. Proceso por el que una simetría que existe a alta temperatura desaparece del sistema al disminuir la temperatura.

Simetría gauge. Simetría válida cuando ninguna cantidad mensurable depende de las definiciones hechas por observadores distintos.

Simetría interna. Propiedades de las partículas elementales tales como la carga eléctrica, la extrañeza, el encanto, el color, e t c . , que caracterizan la estructura y el comportamiento de la partícula.

Simetría local. Simetría en la que ninguna cantidad mensurable depende de la definición de una cantidad determinada y en la que todo observador puede hacer su definición de manera independiente de los demás.

Simetrías globales. Simetría en la que ninguna cantidad mensurable depende de la definición de una cantidad determinada, pero en la que todos los observadores deben usar la misma definición.

Superconductores. Materiales que, a temperaturas muy bajas, conducen la electricidad sin ninguna pérdida.

Supergravedad.

Clase de teorías gauge de la gravedad.

Superpartícula. Tipo único de partícula que existía antes del tiempo de Planck.

Supersimetría. Simetría en la que los bosones y los fermiones son intercambiables.

Teorema CPT. Teorema que establece que todas las leyes de la naturaleza deben ser las mismas si reemplazamos las partículas por antipartículas, si observamos a través de un espejo y si pasamos la película hacia atrás.

Teoría de la gran unificación. Teoría en la que las fuerzas fuerte, débil y electromagnética se consideran idénticas.

282

GLOSARIO

Teoría del campo unificado. Cualquier teoría en la que dos interacciones aparentemente distintas se consideran idénticas a un nivel más profundo.

Teoría gauge.

Cualquier teoría que tenga simetría gauge.

Tiempo de Planck. Período de 10 ""^ segundos después del Big Bang. Para escalas de tiempo más cortas que ésta, debe incluirse los efectos de la gravedad en todos los procesos físicos.

B I B L I O T E C A CIENTÍFICA S A L V A T 1. E l Universo desbocado. Del big bang a la catástrofe Paul Davies

final.

2. Gorilas en la niebla. Trece años viviendo entre gorilas.

Dian Fossey

<<

3. Dormir y soñar. La mitad nocturna de nuestras vidas.

Dieter E. Zimmer

-

4. Supcrfuerza. Paul Davies 5. Las raíces de la vida. Genes, células y evolución.

M. Hoagland 6. Microelectrónica. Las coíTiputadoras y/as nueuas tecno/ogfas. Stefan M. Gergely

'

7. E l telar mágico. El cerebro humano y la computadora.

Robert Jastrow 8 . De los átomos a los quarks. James S. Trefil 9. E l gen egoísta. Las bases biológicas de nuestra conducta.

Richard Dawkins

*:•

10. ¡Que viene el cometa! Nigel Calder.

11. Las plantas. «Amores y civilizaciones» Jean-Marie Pelt

vegetales.

12. L a frontera del infinito. De los agujeros negros a los confines del Universo. Paul Davies 13. L a verdadera historia de los dinosaurios. Alan Charig 14. Izquierda y derecha en el cosmos. Simetría y asimetría a la teoría de la inversión del tiempo. Martin Gardner

frente

15. Ecología humana. La posición del hombre en la naturaleza.

Bernard Campbell 16. Introducción a la química. Hazel Rossotti 17. Sol, lunas y planetas. Erhard Keppler

18. Caníbales y reyes. Los orígenes

de la cultura. Marvin Harris

19. Naturalistas curiosos. Nil<o Tinbergen 20. E n busca del gato de Schródinger. La fascinante historia de la mecánica cuántica. John Gribbin 21. L a mente I . Anthony Smith 22. L a mente II. Anthony Smith 23. E n la senda del hombre. Vida y costumbres de los Jane Goodall

chimpancés.

24. L a evolución de la física. Albert Einstein y Leopold Infeld 25. E l Universo de Stephen Hawking. John Boslough 26. Un dios interior. El hombre del futuro como parte de un mundo natural. Rene Dubos 27. Rompecabezas y paradojas científicos. Christopher Jargocki 28. Otros mundos. El espacio y el Universo cuántico. Paul Davies 29. E l ídolo de silicio. La i^revolución» de la informática y sus implicaciones sociales. Michael Shallis 30. Los rituales amorosos. Un aspecto fundamental en la comunicación de los animales. Eberhard Weismann 31. E l momento de la creación. Del big bang hasta el Universo actual. James S. Trefil 32. Informática para todos. Peter Laurie

Del Big Bang hasta el Universo actual J A M E S S. T R E F I L

Pocas c u e s t i o n e s g o l p e a n c o n más fuerza l a m e n t e h u m a n a q u e a q u e l l a s q u e s e r e f i e r e n a l a creación d e l U n i v e r s o y, d e s d e l o s d e s c u b r i m i e n t o s d e l o s años veinte, h a s i d o u n o b j e t i v o f u n d a m e n t a l d e l o s físicos y d e l o s astrónomos i a reconstrucción d e l a h i s t o r i a d e l U n i v e r s o d e s d e " d o n d e t o d o t i e n e su o r i g e n " : e l momento de la creación o B i g Bang.

E l p r o f e s o r J a m e s S. T r e f i l e x p l i c a e n este l i b r o cómo l o s m i l e s d e m i l l o n e s d e galaxias e x p e r i m e n t a n u n a expansión g e n e r a l y cómo i n v i r t i e n d o e l s e n t i d o d e esa expansión p o d e m o s r e c o n s t r u i r l a h i s t o r i a e s t a b l e c i e n d o las " e d a d e s d e l Universo".

E l a u t o r c o n t e m p l a también otros a s p e c t o s interesantes: l a búsqueda d e partículas residuales, las s o l u c i o n e s a l o s p r o b l e m a s d e l a a n t i m a t e r i a , la formación d e las galaxias, d e dónde v e n i m o s , a dónde v a m o s y, e n definitiva, cuál será e l destino d e l Universo.

James S. T r e f i l e s catedrático d e física e n l a U n i v e r s i d a d d e V i r g i n i a . E s a u t o r d e l i b r o s d e t e x t o d e física y d e más d e 100 artículos, q u e h a n a p a r e c i d o tanto e n revistas e s p e c i a l i z a d a s c o m o e n revistas p o p u l a r e s , tales c o m o Smithsonian, Science Digest, Saturday Review y Popular Science. A u t o r , también, d e From Atoms to quarks ( D e los átomos a l o s q u a r k s ) y The unexpected vista ( E l p a n o r a m a i n e s p e r a d o ) , a m b o s p u b l i c a d o s e n la B i b l i o t e c a Científica Salvat.

S e l e c c i o n a d o p o r Library Journal c o m o u n o d e l o s 100 m e j o r e s l i b r o s s o b r e C i e n c i a y Técnica d e l año.

////

/////

/ /' / / / / /

/

/

/

/

/

f

f