La maravillosa simplicidad de la física fundamental

Por  Javier Martín García (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)

A finales del siglo XVII, Sir Isaac Newton sentó las bases de lo que hoy conocemos como mecánica clásica. Si hablamos de la importancia que su trabajo ha tenido en la historia de la humanidad, es prácticamente imposible caer en la exageración, pues ha sido  responsable de infinidad de avances científicos y tecnológicos que han hecho posible la revolución industrial y la civilización moderna, desde la máquina de vapor hasta la nave espacial Vostok.

Las famosas tres leyes de Newton, sin embargo, no hacen ninguna hipótesis a priori de las interacciones de la naturaleza, sino que se limitan a establecer un marco teórico, unas reglas de juego que los movimientos de los objetos deben seguir. En particular, la famosa fórmula F=ma, nos permite predecir la dinámica de un cuerpo cuando conocemos las fuerzas que se aplican sobre él, pero la forma precisa de estas fuerzas es un ingrediente extra que las leyes de Newton no nos proveen. De este modo, a pesar de que los tres principios de la dinámica dotasen a la física de un cierto grado de universalidad, el conjunto de fenómenos que describían seguía estando sujeto a arbitrariedad en la elección de estas fuerzas, cuya diversidad parecía ilimitada: fuerzas gravitatorias, fuerzas de rozamiento, fuerzas eléctricas, fuerzas elásticas, fuerzas magnéticas, etc. Pero, ¿serían algunas de estas fuerzas caras de la misma moneda?

Así mismo, la manera en la que estas fuerzas se postulaban provenía de un ajuste aproximado de parámetros tras la inspección de los resultados experimentales. La Ley de la Gravitación de Newton, por ejemplo, postulaba una fuerza que decrece con el inverso del cuadrado de la distancia, lo que concordaba a la perfección con los conocidos resultados de Kepler. A un nivel fundamental, sin embargo, no parece haber nada que nos indique que la potencia correcta de la distancia en la fuerza gravitatoria deba ser exactamente 2, y el cuestionarse si hay algo esencial en ese número es algo perfectamente legítimo: ¿Por qué no 2,0001?

Con el paso de los siglos, gran parte del trabajo de la física fundamental ha estado motivado por la búsqueda de respuestas a este tipo de interrogantes. Por un lado, el anhelo de simplificar y unificar todas las fuerzas de la naturaleza y, por otro, el hacerlo de una forma en la que sus expresiones matemáticas no parezcan meros accidentes, sino una consecuencia inevitable de un pequeño número de principios fundamentales. Este afán reduccionista puede parecer injustificado y, ciertamente, depende de los prejuicios estéticos de los científicos, pero la historia ha demostrado que se trata de un enfoque útil y exitoso, que en multitud de ocasiones ha guiado a los físicos por el camino correcto. A medida que ha pasado el tiempo, la física ha sido capaz de conquistar un terreno cada vez mayor, logrando la descripción de fenómenos que abarcan desde el diminuto interior de un protón hasta los límites del universo observable. Pero este no ha sido tan sólo un éxito a nivel práctico, pues este desarrollo ha venido acompañado también de una física más elegante y simple en el sentido de que el número de principios y parámetros fundamentales que determinan la naturaleza se ha reducido enormemente.

Este proceso de simplificación ha sido llevado a cabo durante siglos de diversas formas, con éxitos tan notables como la unificación de electricidad, magnetismo y óptica, llevada a cabo por James C. Maxwell en el s. XIX. Sin embargo, hay un momento histórico que marca un antes y un después en esta evolución, con la entrada de un nuevo paradigma que sustituye a la mecánica newtoniana: la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica surge a principios del siglo XX como respuesta a los problemas que plantea nuestra comprensión de los átomos, cuya dinámica no lograba ser explicada con las teorías clásicas. Además de derribar todo el andamiaje conceptual de la física clásica, la mecánica cuántica se tuvo que enfrentar a otro reto para poder describir las partículas fundamentales: el de respetar las propiedades locales del espacio-tiempo que Albert Einstein había postulado en su teoría de la relatividad especial. Cuando tratamos de llevar a cabo este ejercicio, el resultado parece indicar que la mecánica cuántica y la relatividad especial son casi incompatibles, exceptuando un pequeño número de posibilidades que respetan ambos principios. En efecto, el marco que resulta de esta confluencia es el necesario para describir los fenómenos que ocurren a muy pequeñas distancias pero, como siempre ocurre en la ciencia, sus implicaciones han ido más allá de lo que esperábamos y han logrado darnos muchas de las respuestas que el marco newtoniano ni siquiera aspiraba a alcanzar. Este paradigma por tanto no sólo ha cambiado nuestra concepción de la realidad física, sino que resulta ser tan constrictivo que determina muchas características precisas de las interacciones que observamos, a la vez que prohíbe la existencia de otros tipos de fenómenos.

Esto es posible porque las propiedades de las partículas elementales son heredadas también por los fenómenos macroscópicos, y fijan por tanto el comportamiento de estos últimos. En particular, las partículas elementales poseen un cierto giro intrínseco inalterable, de cuyo valor depende buena parte de la forma en la que describimos las interacciones fundamentales. Esta propiedad, que denominamos espín, es posiblemente la más importante de todas y sus posibles valores están restringidos por la mecánica cuántica  para las partículas fundamentales que se mueven a la velocidad de la luz. Esta cortísima lista de posibilidades para el espín, es la siguiente: 0, 1/2, 1, 3/2 y 2, mientras que todos los demás valores quedan prohibidos por requerimientos de consistencia. Pero no sólo esto. Además, el marco es tan poderoso que clasifica las posibles formas de las interacciones dependiendo del valor de su espín, imponiendo restricciones que son más y más fuertes a medida que subimos en la lista. Aunque cada uno de los pasos de esta escalera es fascinante, quizá el más revelador sea el último: las partículas de espín 2. En efecto, cuando estudiamos en detalle las propiedades de estos objetos, nos encontramos con una conclusión sorprendentemente drástica que podemos resumir en tres puntos:

 

  • Si existen partículas de espín 2 en la naturaleza, todas ellas tienen que ser iguales. Es decir, no pueden tener más cualidades (o números cuánticos) que los distingan, como las cargas, colores o sabores que diferencian otras partículas del Modelo Estándar.
  • Su interacción con el resto de la materia es universal y no depende de las características de las otras partículas (en lenguaje algo más técnico, la constante de acoplamiento de todas sus interacciones es idéntica).
  • Las interacciones de estas partículas de espín 2 consigo mismas están forzadas a tener una forma única y muy precisa, cuya versión clásica recupera una teoría bien conocida. El nombre de esta teoría es relatividad general.

 

Aunque históricamente ésta no fue la vía que Einstein siguió para el descubrimiento de su teoría de la gravitación, el argumento anterior nos permite llegar a una conclusión fascinante, y es que la unión de la mecánica cuántica y la relatividad especial forma un marco tan poderoso que es capaz de predecir una teoría tan completa como la relatividad general con un solo ingrediente: el espín del gravitón. De una tacada, por tanto, este paradigma de la ciencia satisface las dos inquietudes que los físicos teóricos perseguían: por una parte simplifica y unifica la gravedad en el mismo marco que las demás interacciones, y por otra deduce la forma concreta de esta interacción a partir de un ingrediente muy sencillo. Así pues, la física moderna nos da la verdadera respuesta a la pregunta que planteábamos al inicio, y nos permite asegurar que la potencia de la distancia con la que decae la fuerza gravitatoria entre la Tierra y el Sol es 2, y no 2,0001. Esto es así simplemente porque, si fuera esta última (o cualquier otra), el gravitón violaría los principios de la mecánica cuántica y la relatividad especial. Esta clase de rigidez y simpleza y esta sensación de inevitabilidad forman parte de ese concepto de belleza que los físicos utilizamos cuando cualificamos a las teorías físicas como verdaderamente fundamentales.

Argumentos similares al anterior permiten que tres siglos después de Newton nuestra comprensión de las leyes físicas sea muy diferente. De la ingente cantidad de posibles interacciones que podía poseer la materia, la ciencia ha sido capaz de destilar cuatro, a partir de las cuales podemos describir todos los fenómenos de la naturaleza: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad. El éxito de esta síntesis no sólo se manifiesta en este pequeño número de interacciones sino también en un número muy reducido de parámetros y principios fundamentales. Además, la arbitrariedad en la descripción se reduce enormemente, de modo que las leyes dinámicas que gobiernan el universo aparecen como consecuencia inevitable de una serie de principios de simetría y consistencia interna de la teoría cuántica, restringiendo enormemente el infinito número de leyes matemáticas que tenían cabida en el marco newtoniano. Por supuesto, esta descripción sigue poseyendo algunas características que parecen accidentales, pero es justo decir que son mucho menores que en el pasado, y que la visión actual de la física es extraordinariamente elegante y simple. El trabajo que le queda por delante a la física fundamental es el de seguir profundizando en este camino para, quizás, algún día lograr finalizar el proyecto más ambicioso de todos: encontrar una auténtica teoría de todo.

 

Ver vídeo: Propiedades del gravitón

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Comentarios

El artículo me ha parecido muy claro y pedagógico.

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¿Y si el gravitón no existiera?, ¿y si en su lugar lo que tuviéramos en las cercanías de un planeta no fuera otra cosa que un gradiente de densidad espacio-temporal negativo hacia el planeta? Esto reduciría a tres las fuerzas fundamentales de la naturaleza. ¿Nadie lo ve?. En torno a los planetas, estrellas etc, el espacio-tiempo se deforma…

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