{"id":446,"date":"2017-06-15T10:40:50","date_gmt":"2017-06-15T09:40:50","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/?p=446"},"modified":"2017-06-15T12:03:00","modified_gmt":"2017-06-15T11:03:00","slug":"la-maravillosa-simplicidad-de-la-fisica-fundamental","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/2017\/06\/15\/446\/","title":{"rendered":"La maravillosa simplicidad de la f\u00edsica fundamental"},"content":{"rendered":"

Por\u00a0\u00a0Javier Mart\u00edn Garc\u00eda<\/a>\u00a0(Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)<\/p>\n

A finales del siglo XVII, Sir Isaac Newton sent\u00f3 las bases de lo que hoy conocemos como mec\u00e1nica cl\u00e1sica. Si hablamos de la importancia que su trabajo ha tenido en la historia de la humanidad, es pr\u00e1cticamente imposible caer en la exageraci\u00f3n, pues ha sido\u00a0 responsable de infinidad de avances cient\u00edficos y tecnol\u00f3gicos que han hecho posible la revoluci\u00f3n industrial y la civilizaci\u00f3n moderna, desde la m\u00e1quina de vapor hasta la nave espacial Vostok.<\/p>\n

Las famosas tres leyes de Newton, sin embargo, no hacen ninguna hip\u00f3tesis a priori de las interacciones de la naturaleza, sino que se limitan a establecer un marco te\u00f3rico, unas reglas de juego que los movimientos de los objetos deben seguir. En particular, la famosa f\u00f3rmula F=ma<\/em>, nos permite predecir la din\u00e1mica de un cuerpo cuando conocemos las fuerzas que se aplican sobre \u00e9l, 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 din\u00e1mica dotasen a la f\u00edsica de un cierto grado de universalidad, el conjunto de fen\u00f3menos que describ\u00edan segu\u00eda estando sujeto a arbitrariedad en la elecci\u00f3n de estas fuerzas, cuya diversidad parec\u00eda ilimitada: fuerzas gravitatorias, fuerzas de rozamiento, fuerzas el\u00e9ctricas, fuerzas el\u00e1sticas, fuerzas magn\u00e9ticas, etc. Pero, \u00bfser\u00edan algunas de estas fuerzas caras de la misma moneda?<\/p>\n

As\u00ed mismo, la manera en la que estas fuerzas se postulaban proven\u00eda de un ajuste aproximado de par\u00e1metros tras la inspecci\u00f3n de los resultados experimentales. La Ley de la Gravitaci\u00f3n de Newton, por ejemplo, postulaba una fuerza que decrece con el inverso del cuadrado de la distancia, lo que concordaba a la perfecci\u00f3n 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 n\u00famero es algo perfectamente leg\u00edtimo: \u00bfPor qu\u00e9 no 2,0001?<\/p>\n

Con el paso de los siglos, gran parte del trabajo de la f\u00edsica fundamental ha estado motivado por la b\u00fasqueda 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 matem\u00e1ticas no parezcan meros accidentes, sino una consecuencia inevitable de un peque\u00f1o n\u00famero de principios fundamentales. Este af\u00e1n reduccionista puede parecer injustificado y, ciertamente, depende de los prejuicios est\u00e9ticos de los cient\u00edficos, pero la historia ha demostrado que se trata de un enfoque \u00fatil y exitoso, que en multitud de ocasiones ha guiado a los f\u00edsicos por el camino correcto. A medida que ha pasado el tiempo, la f\u00edsica ha sido capaz de conquistar un terreno cada vez mayor, logrando la descripci\u00f3n de fen\u00f3menos que abarcan desde el diminuto interior de un prot\u00f3n hasta los l\u00edmites del universo observable. Pero este no ha sido tan s\u00f3lo un \u00e9xito a nivel pr\u00e1ctico, pues este desarrollo ha venido acompa\u00f1ado tambi\u00e9n de una f\u00edsica m\u00e1s elegante y simple en el sentido de que el n\u00famero de principios y par\u00e1metros fundamentales que determinan la naturaleza se ha reducido enormemente.<\/p>\n

Este proceso de simplificaci\u00f3n ha sido llevado a cabo durante siglos de diversas formas, con \u00e9xitos tan notables como la unificaci\u00f3n de electricidad, magnetismo y \u00f3ptica, llevada a cabo por James C. Maxwell en el s. XIX. Sin embargo, hay un momento hist\u00f3rico que marca un antes y un despu\u00e9s en esta evoluci\u00f3n, con la entrada de un nuevo paradigma que sustituye a la mec\u00e1nica newtoniana: la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica<\/em>.<\/p>\n

La mec\u00e1nica cu\u00e1ntica surge a principios del siglo XX como respuesta a los problemas que plantea nuestra comprensi\u00f3n de los \u00e1tomos, cuya din\u00e1mica no lograba ser explicada con las teor\u00edas cl\u00e1sicas. Adem\u00e1s de derribar todo el andamiaje conceptual de la f\u00edsica cl\u00e1sica, la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica se tuvo que enfrentar a otro reto para poder describir las part\u00edculas fundamentales: el de respetar las propiedades locales del espacio-tiempo que Albert Einstein hab\u00eda postulado en su teor\u00eda de la relatividad especial<\/em>. Cuando tratamos de llevar a cabo este ejercicio, el resultado parece indicar que la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica y la relatividad especial son casi incompatibles, exceptuando un peque\u00f1o n\u00famero de posibilidades que respetan ambos principios. En efecto, el marco que resulta de esta confluencia es el necesario para describir los fen\u00f3menos que ocurren a muy peque\u00f1as distancias pero, como siempre ocurre en la ciencia, sus implicaciones han ido m\u00e1s all\u00e1 de lo que esper\u00e1bamos y han logrado darnos muchas de las respuestas que el marco newtoniano ni siquiera aspiraba a alcanzar. Este paradigma por tanto no s\u00f3lo ha cambiado nuestra concepci\u00f3n de la realidad f\u00edsica, sino que resulta ser tan constrictivo que determina muchas caracter\u00edsticas precisas de las interacciones que observamos, a la vez que proh\u00edbe la existencia de otros tipos de fen\u00f3menos.<\/p>\n

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Esto es posible porque las propiedades de las part\u00edculas elementales son heredadas tambi\u00e9n por los fen\u00f3menos macrosc\u00f3picos, y fijan por tanto el comportamiento de estos \u00faltimos. En particular, las part\u00edculas elementales poseen un cierto giro intr\u00ednseco inalterable, de cuyo valor depende buena parte de la forma en la que describimos las interacciones fundamentales. Esta propiedad, que denominamos esp\u00edn, <\/em>es posiblemente la m\u00e1s importante de todas y sus posibles valores est\u00e1n restringidos por la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica\u00a0 para las part\u00edculas fundamentales que se mueven a la velocidad de la luz. Esta cort\u00edsima lista de posibilidades para el esp\u00edn, es la siguiente: 0, 1\/2, 1, 3\/2 y 2, mientras que todos los dem\u00e1s valores quedan prohibidos por requerimientos de consistencia. Pero no s\u00f3lo esto. Adem\u00e1s, el marco es tan poderoso que clasifica las posibles formas de las interacciones dependiendo del valor de su esp\u00edn, imponiendo restricciones que son m\u00e1s y m\u00e1s fuertes a medida que subimos en la lista. Aunque cada uno de los pasos de esta escalera es fascinante, quiz\u00e1 el m\u00e1s revelador sea el \u00faltimo: las part\u00edculas de esp\u00edn 2. En efecto, cuando estudiamos en detalle las propiedades de estos objetos, nos encontramos con una conclusi\u00f3n sorprendentemente dr\u00e1stica que podemos resumir en tres puntos:<\/p>\n

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