Fallecimiento de Chen Ning Yang, creador de la teoría de Yang-Mills

Nos enteramos del fallecimiento del profesor Chen Ning Yang el pasado 18 de octubre; Yang ha sido uno de los físicos más importantes del siglo XX, con contribuciones extraordinarias en mecánica estadística, grupos cuánticos y otros temas de la física teórica y la física matemática. Será siempre recordado por la llamada teoría gauge de Yang-Mills, que propuso junto con Robert Mills, sentó las bases para el posterior Modelo Estándar de la física de partículas.

Chen Ning Yang nació el 22 de septiembre de 1922 en Hofei, Anwhei (China),  en el ambiente tranquilo y académico del campus de la Universidad de Tsinghua, donde su padre era profesor de matemáticas. Cursó sus estudios universitarios en la Universidad Nacional Asociada del Suroeste, en Kunming, China, donde obtuvo la licenciatura en Ciencias en 1942 y el máster en 1944 en la Universidad de Tsinghua. Era una época complicada por la guerra chino-japonesa (1937-1945), y a su término se trasladó a Estados Unidos con una beca para la Universidad de Chicago, donde contactó con investigadores de gran talla, como Enrico Fermi. Yang declaró a la revista New Yorker en 1962 que Fermi le enseñó «que la física no debe ser una materia para especialistas; la física debe construirse desde cero, ladrillo a ladrillo, capa a capa. Aprendimos que las abstracciones vienen después de un trabajo de base detallado, no antes». En 1948 defendió su tesis doctoral bajo la dirección de otro gran físico, Edward Teller.

En 1949, Yang se trasladó al Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, y fue allí donde Yang colaboró con Robert Mills (su compañero de despacho, y ahí nació este resultados, con sus debates diarios) en el desarrollo de la teoría de Yang-Mills, La teoría de Yang-Mills es una teoría de gauge basada en un grupo unitario especial SU(n) o, más generalmente, en cualquier grupo de Lie compacto. Una teoría de Yang-Mills busca describir el comportamiento de las partículas elementales utilizando estos grupos de Lie no abelianos y constituye el núcleo de la unificación de la fuerza electromagnética y las fuerzas débiles. La extensión de SU(2) a SU(3) supuso la consolidación del Modelo Estándar.

Dos años más tarde, Yang colaboró con su compañero de la Universidad de Chicago Lee. Yang y Lee propusieron que la paridad podría no ser válida para las interacciones con fuerzas débiles, teoría que fue confirmada experimentalmente por Chien-Shiung Wu (Universidad de Columbia), al observar que la desintegración del cobalto 60 no se producía exactamente de la misma manera que en su imagen especular, y que la ley de simetría izquierda-derecha se veía violada por la interacción débil. Estos resultados condujeron a la consecución de Yang y Lee del Premio Nobel de Física de 1957. Lee ya había fallecido en 2024 a la edad de 97 años.

En 1965, Yang se trasladó a la Universidad de Stony Brook, donde se convirtió en el primer director del recién fundado Instituto de Física Teórica, hoy conocido como Instituto C. N. Yang de Física Teórica. Durante este tiempo, también contribuyó al avance de la ciencia y la educación en China, fomentando el intercambio académico entre China y Estados Unidos.

Yang se jubiló en 1999 y regresó a Pekín para ser profesor en la universidad de Tshingua. Su confianza en el estado actual de la física de partículas era crítica, ya no se volvería a los grandes avances de su época; como él mismo aseguró: «la fiesta ha terminado».

Los reconocimientos a Yang no se reducen al Nobel, se le concedieron por ejemplo la Medalla Nacional de la Ciencia de EE. UU., la Medalla Albert Einstein y la Medalla Benjamin Franklin, entre muchos otros premios.

En una entrevista en 2019, Yang contestaba así a la pregunta de por qué su teoría era tan importante:

En el campo de la física teórica básica, se cree generalmente que la teoría de gauge de Yang-Mills es un elemento importante en su fundamento. Cuando se publicó por primera vez en la década de 1950, la mayoría de la gente no esperaba que sobreviviera. Sin embargo, en la década de 1970, tras la primera ronda de pruebas experimentales y tras introducirse algunas ideas importantes adicionales, concretamente la idea de la ruptura de la simetría, evolucionó gradualmente hasta convertirse en el Modelo Estándar, que se ha convertido en el avance más importante de la física fundamental de la segunda mitad del siglo XX.

¿Qué nos depara el futuro? En un artículo que escribí sobre Einstein en 1980, acuñé la frase «la simetría dicta la interacción». Significa que la estructura de todas las fuerzas del universo está íntimamente relacionada con el concepto de simetría. En chino se traduce como «gráfico en línea». Creo que esta breve frase captura el espíritu de por qué la teoría de gauge es tan importante.  También captura la dirección de los desarrollos en la física teórica en el futuro.

Entre las preguntas que aún no hemos respondido, las más importantes son cómo integrar la gravedad en el sistema y cómo unificar el sistema. Creo, y la mayoría de los físicos creen, que la forma de lograrlo es introducir más simetría. La búsqueda de estas simetrías adicionales ha sido el esfuerzo concentrado de los últimos 40 años. Pero hasta ahora no ha tenido éxito.

Y sobre el nombre de gauge:

El nombre «teoría de gauge» no es un invento mío. A mediados de la década de 1910, Einstein dijo que ahora tenemos dos teorías de campo: una, el electromagnetismo, y la otra, la gravedad. Deberíamos intentar unificarlas, formulando una teoría unificada. El propio Einstein siguió trabajando durante las siguientes décadas en esta idea de unificación, pero no lo consiguió. Luego, en 1918, Hermann Weyl aceptó el reto y encontró una nueva simetría en las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell. Esta nueva simetría estaba relacionada con la idea del desplazamiento paralelo en la relatividad general y estaba vinculada al cambio de escalas, es decir, al cambio de calibres. Así, Weyl acuñó el nombre de «teoría de gauge».

Y dejo para el final esta anécdota que había ya leído hace tiempo sobre un mítico encuentro entre Chern y Yang y que él mismo relata en la citada entrevista:

En 1975, impresionado por el hecho de que los campos de gauge son conexiones en fibrados, conduje hasta la casa de Shiing-Shen Chern en El Cerrito, cerca de Berkeley. Teníamos mucho de qué hablar: amigos, familiares, China. Cuando nuestra conversación derivó hacia los fibrados, le conté que por fin había aprendido de Jim Simons la belleza de la teoría de los fibrados y el profundo teorema de Chern-Weil. Le dije que me parecía increíble que los campos de gauge fueran exactamente conexiones en fibrados, que los matemáticos desarrollaron sin referencia al mundo físico. Añadí: «Esto es a la vez emocionante y desconcertante, ya que ustedes, los matemáticos, inventaron estos conceptos de la nada». Él protestó inmediatamente: «No, no. Estos conceptos no fueron inventados. Eran naturales y reales».

Digamos finalmente que su nombre está unido a uno de los llamados problemas del milenio (instaurados por el Instituto Clay de Matemáticas con un premio de 1 000 000 de dólares por su solución), el de la existencia y la falta de masa de Yang-Mills.

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Manuel de León (CSIC, Fundador del ICMAT, Real Academia de Ciencias, Real Academia Canaria de Ciencias, Real Academia Galega de Ciencias, Presidente del ICM2006 Madrid y miembro del Comité Ejecutivo de IOMU (2007-2024) y del Comité Ejecutivo del ISC (2014-2018).