Muchas veces solicito colaboraciones para el/los blogs que gestiono. No me gusta ser la única que escribo o comparto.
Hoy tengo el gusto de compartir un resumen que Ángel hace del último libro que ha "leído". Pongo lo de "leído" entre comillas pues Ángel es invidente. Él no lee como lo hacemos nosotros. Me maravilla la amplitud de lecturas que tiene, a través de diferentes blogs/webs con "accesibilidad" como le llama él.
"""
Fundamentos de la realidad.
Extracto de “La partícula al final
del universo: del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo”, de
Sean Carroll.
Hola, comparto con vosotros unas notas
de esta obra de Sean Carroll. En ella el autor describe los últimos
avances obtenidos a través de los experimentos desarrollados en el
acelerador de partículas (LHC), del CERN. Aunque estamos hablando
estrictamente de física de partículas, a lo largo de la obra no han
dejado de resonar en mi interior los ecos de todo lo que he ido
estudiando sobre espiritualidad a lo largo de estos años: naturaleza
fundamental de los estados de vibración, ondas y partículas,
simetría y campos de conexión, etc., etc.
Si te apetece contactar conmigo puedes
hacerlo a través de:
E-mail a angeleocab@gmail.com o bien
whatsapp al 655 64 38 37
Ángel León, besos y abrazos.
1.- El modelo estándar y el bosón de
Higgs.
2.- Campo y estado de vibración.
3.- Materia sutil y materia condensada.
Materia y antimateria.
4.- Partículas en las ondas.
5.- A través de un espejo.
6.- Simetrías, conexiones y fuerzas.
7.- El umbral de un nuevo mundo.
1.- El modelo estándar y el bosón
de Higgs.
La cosmología es
el estudio del universo en su conjunto.
La física de
partículas ha acabado siendo parte inseparable de la cosmología.
¿Qué es el
bosón de Higgs? Es una de las partículas fundamentales de la
naturaleza.
La física de
partículas moderna contempla tres tipos de partículas. Las
partículas de materia, como los electrones y los quarks, que
constituyen los átomos que forman todo lo que vemos a nuestro
alrededor. Las partículas de fuerza, que transmiten la gravedad, el
electromagnetismo y las fuerzas nucleares, que mantienen unidas las
partículas de materia. El Higgs, único en su categoría.
El Higgs no es
importante por lo que hace, sino por lo que es. La partícula de
Higgs surge de un campo que se extiende por todo el espacio, conocido
como el campo de Higgs.
Todas las cosas
que existen en el universo visible, cuando se mueven en el espacio se
desplazan a través del campo de Higgs, que siempre está ahí, en un
discreto segundo plano.
Pero es importante. Sin el Higgs los
electrones y los quarks no tendrían masa, como los fotones, las
partículas de luz. Se moverían a la velocidad de la luz y la
formación de átomos y moléculas sería imposible, no digamos ya la
existencia de vida tal y como la conocemos.
El campo de Higgs no es un agente
activo en la dinámica de la materia ordinaria, pero su presencia en
segundo plano es fundamental. Sin él el mundo sería un lugar
completamente distinto.
El bosón de Higgs es una humilde
partícula, que representa tanto la última pieza del modelo estándar
como el primer atisbo del mundo que existe más allá del mismo.
Un gran universo compuesto de pequeñas
piezas.
Legoland, un mundo intrincado
construido a base de Lego, esos pequeños bloques de plástico que se
pueden ensamblar en infinitas combinaciones. Se parece mucho al
universo real.
En cualquier momento dado el mundo que
nos rodea contiene todo tipo de substancias. Madera, plástico,
tejidos, cristal, metal, aire, agua, cuerpos de seres vivos. Objetos
de todo tipo con propiedades muy diversas. Pero cuando las miramos
más de cerca descubrimos que esas substancias, en realidad, no son
tan distintas entre sí. Son, simplemente, distintas maneras de
organizar una pequeña cantidad de bloques fundamentales: las
partículas elementales.
Bajo la superficie todas las cosas
están, en realidad, compuestas del mismo tipo de materia.
Hoy en día sabemos que los átomos no
son, en absoluto, indivisibles. Constan de un núcleo compuesto por
protones y neutrones, alrededor del cual orbita un conjunto de
electrones. Ni siquiera los protones y los neutrones son
indivisibles, pues están a su vez compuestos por piezas aún más
pequeñas denominadas quarks. Los quarks y los electrones son los
verdaderos átomos en el sentido de elementos indivisibles de la
materia, según el término establecido por Demócrito.
Hoy en día los llamamos partículas
elementales. Los protones y neutrones del núcleo atómico están
formados por dos tipos de quarks, conocidos juguetonamente como up,
arriba, y down, abajo. Los electrones y los quarks up y down no son
las únicas partículas que hemos descubierto. De hecho, existen 12
tipos distintos de partículas de materia. 6 quarks sujetos a la
interacción fuerte y confinados dentro de conjuntos más amplios,
como los protones y los neutrones, y 6 leptones, que pueden
desplazarse independientemente por el espacio. También tenemos las
partículas portadoras de las fuerzas, que los mantienen unidos en
las diferentes combinaciones Que vemos. Sin las partículas de fuerza
el mundo sería un lugar muy aburrido. Las partículas individuales
se moverían por el espacio únicamente en línea recta y nunca
interaccionarían entre sí.
El modelo estándar de la física de
partículas consiste, pues, en 12 partículas de materia más un
grupo de partículas transmisoras de las fuerzas, que las mantienen
unidas. El modelo estándar describe el mundo que nos rodea, aquí en
La Tierra. Sin embargo, no explica las evidencias de que en el
espacio existen cosas como la materia y la energía oscuras.
El bosón de Higgs es diferente. Esta
partícula, técnicamente, es una partícula de fuerza, pero distinta
de las que estamos acostumbrados a encontrarnos. Sin el bosón de
Higgs el modelo estándar tendría un aspecto muy diferente y no se
parecería en nada al mundo real. Con el bosón de Higgs el modelo
estándar encaja perfectamente. Es la última pieza del rompecabezas.
Un universo en evolución, cíclico,
ordenado y regular.
Dios no juega a los dados con el
universo.
Cuando observamos el funcionamiento del
mundo natural, impresiona lo bien que se las apaña el universo para
funcionar por sí solo, sin ninguna intervención sobrenatural.
En las ecuaciones No se necesita
introducir nada ajeno al mundo natural.
El universo posee una característica
asombrosa: tiene sentido.
Si estudiamos lo que le sucede a la
materia en diversas circunstancias, encontraremos asombrosas
regularidades que, aparentemente, no se violan jamás. Cuando
concluimos que dichas regularidades son reales más allá de
cualquier duda razonable, las llamamos leyes de la naturaleza.
Las leyes naturales que hemos
descubierto hasta la fecha toman la forma de precisas proposiciones
matemáticas.
Nuestro universo es algo más que una
amalgama de materia que se comporta de manera aleatoria. Es la
evolución, muy ordenada y predecible, de determinados constituyentes
de la materia. Una coreografía de partículas y fuerzas.
2.- Campo y estado de vibración.
Masa y volumen son inversamente
proporcionales. A menor masa mayor volumen. A mayor masa menor
volumen.
Cuanto menor es la masa mayor es el
espacio que se ocupa.
Los físicos suelen utilizar las
palabras fuerza, interacción y acoplamiento de manera prácticamente
intercambiable. Las fuerzas se pueden entender como resultado del
intercambio de partículas , y esto es equivalente a decir: como el
resultado de las vibraciones de los campos.
Cuando la Luna siente la atracción
gravitatoria de La Tierra podemos imaginar que hay gravitones que
pasan de uno a otro cuerpo. Cuando un electrón es atrapado por un
núcleo atómico es porque ambos han intercambiado fotones.
Fuerzas fundamentales:
La gravedad. Partículas asociadas: los
gravitones.
El electromagnetismo. Partículas
asociadas: los fotones.
La fuerza nuclear fuerte. Partículas
asociadas: los gluones.
La fuerza nuclear débil. Partículas
asociadas: el bosón z, eléctricamente neutro, y dos bosones w
distintos, uno con carga eléctrica positiva y el otro con carga
negativa.
El campo de Higgs. Partícula asociada:
el bosón de Higgs.
Todas las fuerzas macroscópicas que
experimentamos en nuestra vida cotidiana surgen, en última
instancia, como complicados efectos colaterales de las fuerzas
fundamentales.
En la naturaleza existe un tipo de
simetría, que conecta lo que sucede en distintos puntos del espacio.
Lo más interesante del bosón de Higgs no es la partícula en sí,
sino el campo de Higgs del que surge.
Todas las partículas surgen de sendos
campos. Es la teoría cuántica de campos. En última instancia todo
son campos.
Cuando hablamos de un campo, estamos
hablando de algo que toma un valor en cada punto del espacio. La
temperatura de la atmósfera terrestre es un campo. En cada punto de
la superficie terrestre o a cualquier altura por encima de ella, el
aire tiene una determinada temperatura. La densidad y la humedad de
la atmósfera también son campos, aunque no son campos fundamentales
sino, simplemente, características del propio aire. En cambio, el
campo electromagnético, o el gravitatorio, se consideran
fundamentales. No están compuestos de ninguna otra cosa, sino que
son aquello de lo que el mundo está hecho.
Según la teoría cuántica de campos,
absolutamente todas las cosas están formadas por un campo o por una
combinación de campos, y lo que llamamos partículas son minúsculas
vibraciones de esos campos.
El mundo, tal y como se nos muestra
cuando lo observamos, es muy distinto de como es en realidad. Cada
una de las partículas que contempla el modelo estándar es, en el
fondo, una vibración de un campo determinado. Los fotones que
transmiten el electromagnetismo son vibraciones del campo
electromagnético que se extiende por el espacio. Los gravitones son
vibraciones del campo gravitatorio, los gluones son vibraciones del
campo gluónico, etc.
Incluso las partículas de materia son
vibraciones de un campo subyacente. Existe un campo de electrones, un
campo de quarks y, en general, un campo para cada tipo de partícula.
De la misma manera en que las ondas de
sonido se propagan a través del aire, las vibraciones se propagan
por los campos cuánticos, y las observamos como partículas.
Las partículas, en realidad, son ondas
cuánticas. Cada una tiene una longitud de onda, que nos da una idea
aproximada de su tamaño y que determina también su energía.
Hace falta más energía para tener una
longitud de onda más corta, ya que la onda necesita entonces variar
más rápidamente de un punto a otro. Y la masa, como explicó
Einstein, no es más que una forma de energía. Así que una menor
masa implica menos energía que, a su vez, significa una mayor
longitud de onda, lo que resulta en un tamaño mayor. Y, en sentido
contrario, una masa mayor significa más energía, que implica una
menor longitud de onda, lo que da lugar a un tamaño menor.
Según esta definición, campos como el
gravitatorio o el electromagnético se mantienen en el cero allí en
donde el espacio está verdaderamente vacío. Cuando toman algún
otro valor transportan energía y, por lo tanto, el espacio no está
vacío.
Lejos del cero.
Los campos toman un valor en cada punto
del espacio y allí en donde el espacio está completamente vacío,
ese valor es, normalmente, cero.
Por vacío entendemos “tan vacío
como puede estarlo” o, más concretamente, con la menor energía
posible.
El campo de Higgs es un campo
constante, que permanece tranquilamente en segundo plano. El campo de
Higgs es el que hace que las partículas tengan masa y existe como
medio, a través del cual otras partículas se desplazan y afecta a
sus propiedades cuando lo hacen.
Recapitulemos:
El mundo está compuesto por campos,
substancias que se extienden por todo el espacio y que notamos a
través de sus vibraciones, que se muestran como partículas.
El campo electromagnético y el campo
gravitatorio pueden resultarnos familiares, pero según la teoría
cuántica de campos, incluso las partículas como los electrones o
los quarks son, en realidad, vibraciones de ciertos tipos de campos.
El bosón de Higgs es una vibración
del campo de Higgs, de la misma manera en que un fotón de luz es una
vibración del campo electromagnético.
Las famosas cuatro fuerzas de la
naturaleza surgen de sendas simetrías, que son los cambios que
podemos introducir en una situación sin alterar ningún detalle
importante de lo que sucede.
Las simetrías a veces están ocultas y
son, por tanto, invisibles para nosotros, están escondidas en el
mundo directamente observable.
Cuando el espacio está completamente
vacío la mayoría de los campos están desconectados.
Si un campo no es nulo en el espacio
vacío, puede estar ocultando una simetría.
En el campo de las interacciones
débíles, eso es lo que hace el campo de Higgs. Sin él el universo
sería un lugar completamente distinto.
El bosón de Higgs es la pieza oculta
que explica el truco de magia con que el universo nos obsequia, al
darles a las partículas masas distintas. Sin el Higgs la intrincada
diversidad del modelo estándar se reduciría a una anodina colección
de partículas casi idénticas, con una masa prácticamente nula. No
habría átomos, ni química, ni vida tal y como la conocemos.
El bosón de Higgs es, en cierto
sentido, lo que da vida al universo.
Cuando las partículas interaccionan
entre sí es porque existe algún tipo de fuerza.
Las partículas de masa del modelo
estándar son las que les proporcionan a la materia que nos rodea su
tamaño y su forma. Sin embargo, son las fuerzas y las partículas
bosónicas asociadas a ellas las que hacen posible que las partículas
de masa interactúen entre sí.
El Higgs es un bosón y, por tanto,
susceptible de ser intercambiado entre otras partículas, dando así
lugar a una fuerza de la naturaleza.
El bosón de Higgs es una vibración
del campo de Higgs y el campo de Higgs es lo que hace que todas las
partículas elementales con masa no nula, posean dicha masa.
Cuanto mayor es la masa de una
partícula más intenso es su acoplamiento con el Higgs.
En realidad es al revés. Cuanto más
intensa es la interacción de una partícula con el Higgs, mayor es
la masa que acumula al atravesar el campo de Higgs, que se extiende
por el espacio vacío.
3.- Materia sutil y materia
condensada. Materia y antimateria.
Velocidad, energía y masa.
Materia sutil y materia condensada.
E=mc2, la famosa ecuación de Einstein.
Los protones del LHC tienen mucha
energía porque se mueven muy deprisa, casi a la velocidad de la luz.
Cualquier objeto con masa, ya sea una
persona, un coche o un protón, posee cierta cantidad de energía
cuando está en reposo, según la fórmula de Einstein, y una energía
cinética adicional, que depende de la velocidad a la que se mueve.
En nuestro mundo cotidiano la energía
de movimiento es muchísimo menor que la que el objeto posee cuando
está en reposo, sencillamente porque las velocidades habituales son
muchísimo más bajas que la de la luz. Sin embargo, en las
velocidades próximas a la velocidad de la luz, la energía debida al
movimiento es mucho mayor que la energía en reposo.
A velocidades tan próximas a la de la
luz, la teoría de la relatividad cobra una importancia fundamental.
La relatividad nos enseña que a velocidades altas el espacio y el
tiempo cambian. El tiempo se ralentiza comparado con el que marcan
los relojes en reposo, y las longitudes se contraen a lo largo de la
dirección del movimiento.
Según la relatividad, los objetos que
se desplazan a una velocidad próxima a la de la luz, se contraen a
lo largo de la dirección de su movimiento. Como consecuencia, a los
protones de alta energía los 27 kilómetros alrededor del anillo les
parecerían mucho más cortos. Para un protón a 4
teraelectronvoltios, una vuelta al anillo equivaldría a una
distancia de algo más de 6 metros. Cuando alcance los 7
teraelectronvoltios, dicha distancia no llegará a los 4 metros.
La masa es, en realidad, una forma de
energía.
La masa de un objeto es la energía
mínima que puede poseer dicho objeto.
Cuando el objeto se encuentra en
perfecto reposo, la cantidad de energía que posee es igual a su
masa, multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.
El papel de la velocidad de la luz se
limita aquí a transformar las unidades de medida de masa en las de
energía.
Como la velocidad de la luz se mide en
años luz por año, c es igual a la unidad y masa y energía son
realmente intercambiables.
E=m
Cuando el objeto está en movimiento,
su masa es fija mientras que su energía aumenta a medida que va
ganando velocidad.
La velocidad de la luz constituye un
límite absoluto a lo rápido que pueden moverse los objetos. Sería
necesaria una energía infinita para que un objeto con masa se
desplazase a esa velocidad.
Las partículas de masa nula, por su
parte, siempre se mueven, exactamente, a la velocidad de la luz.
Cuando un acelerador de partículas
lleva los protones a energías cada vez más altas, por mucho que se
aproximen a la velocidad de la luz nunca la alcanzan.
La masa no es más que una forma de
energía, y la energía puede transformarse de una forma a otra
siempre que la cantidad total sea constante.
Todo lo que ve ahora mismo a su
alrededor, todas las cosas que ha visto con sus propios ojos a lo
largo de su vida, todo lo que ha oído con sus oídos y experimentado
con cualquiera de sus sentidos, es algún tipo de combinación de las
partículas elementales junto con las tres fuerzas: gravitatoria,
electromagnética y la fuerza nuclear fuerte que mantiene los
protones y neutrones unidos.
Cada partícula de masa tiene asociada
una partícula de tipo opuesto, su antipartícula.
Las partículas de antimateria tienen
exactamente la misma masa que sus homólogas de materia, pero carga
eléctrica opuesta.
Cuando una partícula y su
antipartícula entran en contacto, normalmente se aniquilan
mutuamente, dando lugar a la emisión de radiación energética.
Si, por ejemplo, un protón choca con
un antiprotón, ambos se aniquilan mutuamente en un destello de luz.
Existe una simetría precisa entre
materia y antimateria.
No se pueden crear partículas de carga
negativa sin crear, simultáneamente, la misma cantidad de carga
positiva que la contrarreste.
4.- Partículas en las ondas.
Todo lo que existe en el universo está
compuesto por campos, campos de fuerza que atraen y repelen, y campos
de materia cuyas vibraciones son las partículas.
En el electromagnetismo los campos
ejercen su atracción antes incluso de que se produzca el contacto
físico. Los campos electromagnéticos extienden su efecto a través
del espacio aparentemente vacío para atraer a los objetos.
Acción a distancia.
En realidad, el espacio a través del
cual el imán extiende su influencia no está vacío en absoluto. Lo
ocupa un campo magnético, líneas de fuerza invisible que salen del
imán, dispuesto a tirar de cualquier cosa que se ponga en su camino.
Lo importante es que el campo magnético existe, tanto si tiene algo
de lo que tirar como si no. Si hay imán hay campo magnético a su
alrededor, aunque no lo podamos ver.
El campo es más intenso cerca del imán
y se debilita al alejarnos de él. De hecho existe un campo magnético
en absolutamente todo punto del espacio, con independencia de si hay
imanes cerca o no.
En realidad, el mundo está hecho de
campos. Las peculiaridades de la mecánica cuántica hacen que
parezca que la materia del universo está formada por partículas,
pero, en el fondo, está compuesta por campos. El espacio vacío no
está tan vacío como parece. En cualquier punto existe una amplia
variedad de campos, cada uno con su correspondiente valor.
Cuando hablamos de física de
partículas, en realidad estamos hablando de física de campos. Los
campos cuánticos son, en última instancia, los elementos
constituyentes de la realidad, tal y como la entendemos actualmente.
Los campos en sí no están compuestos de nada, los campos son
aquello de lo que el mundo está compuesto. No conocemos un nivel más
fundamental de la realidad.
El magnetismo se comunica a través de
un campo, al igual que la gravedad y las fuerzas nucleares. Incluso
lo que llamamos materia no es en realidad más que un conjunto de
campos en vibración, de los que surgen las partículas. Todas las
partículas surgen como vibraciones de sus correspondientes campos.
Idea de campo: las partículas surgen
de los campos, la simetría da lugar a las fuerzas.
Campo potencial, el campo infinito que
permea todo el espacio.
Cada objeto del universo ejerce una
fuerza gravitatoria sobre cualquier otro. Los objetos más pesados
ejercen una fuerza mayor y los más cercanos se ven afectados con
mayor intensidad que los que se encuentran más alejados. Acción a
distancia.
El campo potencial gravitatorio es un
campo que se extiende por todo el espacio. La presencia de cuerpos
masivos perturba el potencial gravitatorio, de manera similar a como
la temperatura del aire en una habitación se ve afectada por un
horno caliente. La perturbación es más intensa en las inmediaciones
del objeto y se debilita al alejarse de él.
La fuerza debida a la gravedad surge
porque es el propio campo el que empuja a los objetos. Sienten un
impulso en la dirección del campo potencial gravitatorio, de forma
muy parecida a una pelota que, situada sobre una superficie
irregular, empieza a rodar en la dirección en la que disminuye la
altura de la superficie.
No es que La Tierra extienda su
influencia y atraiga a la Luna, sino que afecta al potencial a su
alrededor, que a su vez perturba el potencial algo más allá, y así
gradualmente hasta llegar a la Luna, y más allá.
La fuerza de la gravedad no es un
misterioso efecto que recorre instantáneamente distancias infinitas,
sino que surge de la variación progresiva de un campo infinito que
permea todo el espacio.
Cuando se agita una carga se producen
ondulaciones en el campo electromagnético. Dichas ondulaciones se
propagan en forma de ondas, de manera muy parecida a las olas en el
agua cuando cae una piedra. Cuando pulsamos el interruptor de la luz,
lo que sucede es que la corriente eléctrica fluye a través del
filamento de la bombilla haciendo que éste se caliente. Ése
calentamiento agita los átomos del filamento con sus
correspondientes electrones, haciendo que ondulen de aquí para allá,
lo que a su vez produce ondas en el campo electromagnético, que
cuando llegan a nuestros ojos percibimos en forma de luz. Lo que
llamamos luz visible, por tanto, es tan sólo un determinado rango de
longitudes de onda de la radiación, el que el ojo humano es capaz de
observar.
Cuando utilizamos el control remoto
para encender el televisor parece que sea acción a distancia pero,
en realidad, no lo es. Pulsamos el botón y una corriente eléctrica
empieza a agitarse en el interior de un circuito del mando, lo que
produce una onda de radio que se propaga mediante el campo
electromagnético hasta el televisor y es absorbida por un artilugio
similar.
En todos los casos se trata de cargas
en movimiento, que producen perturbaciones que se propagan por el
campo.
Relatividad general.
La relatividad general de Einstein
sustituyó por completo la teoría de la gravedad de Newton. La
relatividad general describe la gravedad en función de un campo
definido en todos los puntos del espacio, la cual, asímismo,
describe la curvatura del propio espacio-tiempo. Según Einstein la
gravedad es una manifestación de la curvatura y el estiramiento del
mismísimo tejido del espacio. Cuando decimos que el campo
gravitatorio es cero, lo que estamos afirmando es que el
espacio-tiempo es plano y que es válida la geometría euclidiana que
aprendimos en la escuela.
Una consecuencia de la relatividad
general es que, como sucede con el electromagnetismo, las
perturbaciones en el campo describen ondas que se propagan a la
velocidad de la luz. En su avance una onda gravitatoria estira el
espacio-tiempo, haciendo que los objetos se alejen y después se
acerquen entre sí.
Así pues, la gravedad se comunica a
través de un campo dinámico y vibrante.
Conceptualmente un campo es lo opuesto
de una partícula. Una partícula tiene una posición definida en el
espacio, mientras que un campo existe en cualquier punto del mismo, y
está definido por su magnitud, el valor que toma en cada punto y
otras propiedades como su dirección.
La mecánica cuántica terminó por
compaginar ambos conceptos. Todo está compuesto de campos pero,
cuando los observamos en detalle, lo que vemos son partículas.
Cuando observamos un campo con el suficiente detalle, vemos que está
compuesto por partículas individuales, aunque el campo en sí es
real.
Imagine un televisor o la pantalla de
un ordenador, cuya imagen desde una cierta distancia parece continua,
pero que de cerca vemos que, en realidad, está compuesta por un
conjunto de píxeles diminutos. Así pues, en un televisor cuántico
la imagen continua existe realmente, pero cuando la miramos de cerca
sólo podemos verla como píxeles.
La materia, en realidad, son ondas,
campos cuánticos, pero cuando las observamos con el suficiente
detalle, vemos partículas.
De modo que la luz es una onda, un
conjunto de perturbaciones que se propagan en el campo
electromagnético que se extiende por todo el espacio. Cuando
incorporamos la mecánica cuántica llegamos a la teoría cuántica
de campos, que dice que cuando observamos un campo electromagnético
de cerca, lo vemos como partículas individuales.
La misma lógica se aplica a la
gravedad. Está descrita por un campo, existen ondas gravitatorias
que se mueven por el espacio a la velocidad de la luz, y si
observásemos una onda con suficiente detalle la veríamos como un
conjunto de partículas sin masa, denominadas gravitones.
De manera análoga, la fuerza nuclear
fuerte se propaga gracias a un campo que observamos en forma de
partículas denominadas gluones, y lo mismo sucede con la fuerza
nuclear débil. Una vez que hemos entendido que las fuerzas surgen de
campos que se extienden por el espacio, y que la mecánica cuántica
hace que los campos se vean como partículas, ya podemos hacernos una
idea bastante buena de como funcionan las fuerzas de la naturaleza.
Pero… ¿y la materia sobre la que
dichas fuerzas operan? Una cosa es pensar que la gravedad o el
electromagnetismo surgen de un campo, y otra muy distinta suponer que
los propios átomos están asociados a campos.
Pues… resulta que sí… Al igual que
las transmisoras de las fuerzas, las partículas de materia también
surgen al aplicar las reglas de la mecánica cuántica a un campo que
se extiende por todo el espacio.
Las partículas de materia son
vibraciones de distintos campos cuánticos. Cada campo ejerce una
minúscula influencia sobre los demás, al igual que un piano en una
habitación puede hacer que las cuerdas de otro piano en la
habitación continua resuenen suavemente en simpatía. No es que las
nuevas partículas se creen de la nada por arte de magia, sino que
las vibraciones en un campo se transfieren gradualmente a los otros
campos.
Así pues, todas las partículas surgen
a partir de campos.
5.- A través de un espejo.
Como ya hemos visto, el bosón de Higgs
es una onda que se propaga en el campo de Higgs. Si el campo de Higgs
desapareciese la materia ordinaria dejaría de mantenerse unida y los
objetos explotarían de inmediato.
El Higgs es un campo que se extiende
por todo el espacio, dándoles peso a las partículas como los
electrones, permitiendo que formen átomos que se unen para crear
moléculas. Sin el Higgs no habría átomos, sólo habría un montón
de partículas moviéndose por separado a toda velocidad a lo largo y
ancho del universo.
El campo de Higgs es como el aire.
Normalmente no nos damos cuenta de que está ahí, pero lo tenemos a
nuestro alrededor y sin él la vida sería imposible. A diferencia de
otros campos de la naturaleza, el de Higgs tiene un valor no nulo,
incluso en el espacio vacío. Al movernos por el mundo estamos
inmersos en el campo de Higgs y es la influencia de dicho campo sobre
nuestras partículas la causante de sus propiedades particulares.
El bosón de Higgs no es una partícula
cualquiera. Su campo se extiende por todo el espacio, rompe simetrías
y proporciona masa e individualidad a las demás partículas del
modelo estándar.
Una analogía.
Imagina que Angelina Jolie y yo
atravesamos una habitación vacía. Supongamos que la velocidad a la
que ambos caminamos de manera natural es la misma. En ese caso,
cruzaríamos la habitación en el mismo tiempo. Existe una simetría.
Ahora imagina que hay una fiesta y que
la habitación está repleta de juerguistas con ganas de charlar. Yo
camino a través de la habitación, puede que algo más despacio que
cuando estaba vacía. Tengo que detenerme brevemente y adaptar mis
pasos para sortear a todos los asistentes pero, en general, paso
desapercibido.
Cuando Angelina atraviesa esa misma
habitación, la historia es completamente diferente. A medida que
camina todo el mundo hace que se detenga al acercarse a pedirle un
autógrafo, a hacerse una foto con ella o, simplemente, a saludarla.
En la práctica su masa es mayor. Le
cuesta más esfuerzo conseguir moverse y cruzar la habitación a ella
que a mi. La simetría que antes teníamos se ha roto por la
presencia en la habitación de las otras personas.
Angelina interactúa con mayor
intensidad con los asistentes a la fiesta que yo. La intensidad de la
interacción es un reflejo de su mayor fama.
Ahora pon un quark up en mi lugar, un
quark top en el lugar de Angelina y el campo de Higgs en el de los
asistentes a la fiesta. Si no existe un campo de Higgs que ocupe el
espacio, la simetría entre el quark up y el top es perfecta, y se
comportan de la misma manera. Al igual que Angelina y yo, atravesarán
la habitación vacía a la misma velocidad. Pero un quark top
interacciona más intensamente con el Higgs de lo que lo hace un
quark up. Si el campo de Higgs se pone en funcionamiento el top acaba
con una masa mayor y cuesta más hacer que se mueva, así como le
resulta más trabajoso a Angelina abrirse camino entre la
concurrencia que a mi.
El campo de Higgs se extiende por todo
el espacio y los bosones de Higgs son vibraciones en su seno,
afectando a todo lo que se mueva a través de él.
Desplazado respecto al 0.
Como hemos visto, el universo está
formado por campos, pero la mayoría de estos campos están apagados,
su valor es 0 en el espacio vacío.
Una partícula es una pequeña
vibración en un campo, un paquete de energía que se crea cuando se
desplaza el campo respecto a su valor natural.
El Higgs es distinto. No se anula, ni
siquiera en el espacio vacío. El campo toma un determinado valor
constante absolutamente en todos los puntos y la partícula del bosón
de Higgs es una vibración alrededor de dicho valor, no alrededor del
0.
¿Qué hace que el Higgs sea tan
especial? La clave está en la energía. Imagina una pelota en lo
alto de una colina. Tiene lo que los físicos llaman energía
potencial. No hace nada, está tranquilamente en reposo, pero tiene
el potencial de liberar energía si dejamos que baje rodando por la
pendiente. Cuando eso sucede gana velocidad y va convirtiendo
gradualmente su energía potencial en energía de movimiento. Pero
también, al moverse choca con las piedras, siente la resistencia del
aire y hace ruido, todo lo cual hace que se disipe energía en su
recorrido. Cuando llega a la base de la colina su energía adicional
se ha convertido en sonido y calor y la pelota puede volver al
reposo.
Los campos son algo parecido. Cuando
los desplazamos de su estado de reposo preferido hacemos que ganen
energía potencial. Si los soltamos empiezan a vibrar y pueden acabar
disipando su energía al transferírsela a otros campos. En algún
momento volverán al estado de reposo.
Lo que hace que el campo de Higgs sea
tan especial es que su estado de reposo no se encuentra en el 0. En
su estado de menor energía el campo se queda anclado en 246
gigaelectronvoltios, el valor del campo en el espacio vacío.
La masa del bosón de Higgs nos dice
cuanta fuerza se necesita para ponerlo en movimiento, al igual que la
masa de cualquier otro objeto. Dicho de otra manera, es la cantidad
de energía que debemos proporcionar a una vibración del campo antes
de que se nos muestre como una partícula. El valor del campo es algo
completamente distinto, caracteriza cómo se comporta cuando se
encuentra en reposo.
Para hacernos una idea de por qué el
campo de Higgs se estabiliza cerca de los 246 gigaelectronvoltios y
no del 0, pensemos en un péndulo que cuelga del techo. Este péndulo
se comporta como un campo normal, su estado de mínima energía es
aquel en el que se encuentra en posición vertical, en la parte más
baja de su arco.
Podemos proporcionarle energía si lo
desplazamos de esa posición. Si después lo soltamos empezará a
oscilar de un lado a otro para acabar deteniéndose una vez que haya
perdido toda esa energía debido a la resistencia del aire y al
rozamiento.
Ahora imagina un péndulo invertido,
cuyo pivote está fijado al suelo en lugar de al techo. Básicamente
el mecanismo es el mismo, pero se comporta de una manera
completamente distinta. El péndulo invertido posee energía
potencial cuando está en posición vertical, a diferencia del primer
péndulo, en el cual ésta era su configuración de mínima energía.
Si lo dejamos a su suerte el péndulo se quedará en el suelo sin
oscilar, ya sea a la izquierda o a la derecha del pivote.
El campo de Higgs se parece al péndulo
invertido porque necesita energía para mantenerse en su estado de
reposo. Su estado de mínima energía es aquel en el que el campo
toma un valor fijo en todos los puntos. El valor del campo es el del
desplazamiento del péndulo respecto a la vertical. Un campo normal
tiende a estar en el 0, mientras que el de Higgs se inclina por tomar
un valor no nulo.
Proporcionando masa a las partículas.
El campo de Higgs interactúa con las
partículas elementales del modelo estándar proporcionándoles masa.
La masa de un objeto podría definirse
como el grado de resistencia que uno encuentra cuando empuja el
objeto, que es otra forma de decir: la cantidad de energía que se
necesita para que el objeto se mueva a una determinada velocidad.
Otra definición podría ser: la
cantidad de energía que posee un objeto cuando está en reposo. Se
llega a ella deshaciendo el camino que conduce a la ecuación e=mc2
de Einstein. Solemos pensar que esta ecuación nos dice cuanta
energía se acumula en un objeto de una determinada masa pero,
igualmente, podemos entenderla como la definición de la masa de un
objeto que no se mueve.
Si una partícula no interactúa
directamente con el Higgs no tiene masa. En caso de que sí lo haga,
su masa no es nula y su valor es directamente proporcional a la
intensidad de dicha interacción. Si la interacción es débil la
masa será pequeña. A mayor intensidad las masas serán, por
consiguiente, más grandes.
Si el Higgs fuese como otros campos y
su valor en reposo en el espacio vacío fuese 0, la intensidad de su
interacción con otras partículas simplemente mediría la
probabilidad de que el bosón de Higgs interactuase con dichas
partículas si sus trayectorias se cruzasen.
Al tener un valor no nulo las
partículas elementales interactúan con él continuamente. Y son
esas interacciones, persistentes e inevitables con el ambiente, las
que producen la masa de las partículas.
6.- Simetrías, conexiones y
fuerzas.
De lo microscópico a lo macroscópico:
campo de Higgs, fuerza nuclear, electromagnetismo y gravedad.
Simetría y regularidad, las simetrías
en la naturaleza.
Si, por ejemplo, rotamos un círculo
alrededor de un eje que pase por su centro, siempre obtendremos un
círculo exactamente idéntico. Podemos, por consiguiente, comparar
las simetrías con los fenómenos cíclicos. Partimos desde un origen
y siempre retornamos al mismo punto de partida.
En este contexto, una simetría es una
forma de decir que podemos alterar las cosas de una determinada
manera sin que cambie nada importante.
En física, de manera análoga, con
frecuencia podemos determinar cual será el comportamiento de
nuestros experimentos simplemente con entender cual es la simetría
que opera en cada caso.
Un caso clásico de simetría en física
es la mera constatación de que da igual en donde realicemos un
determinado experimento. Si este refleja principios fundamentales de
la física, , debería obtenerse el mismo resultado.
Invariancia traslacional.
Cuando se trata de campos y partículas
las simetrías nos dicen que en un mismo tipo de simetría podemos
intercambiar distintos tipos de partículas, distintos tipos de
campos. Toda la física relevante permanecerá inalterada. Ése es el
poder de la simetría.
La verdadera importancia de las
simetrías se debe a que cuando son suficientemente potentes dan
lugar a las fuerzas de la naturaleza.
Conexión entre simetrías y fuerzas.
Al igual que en el mundo cotidiano
existe una simetría que dice que no importa en donde se realice un
experimento, hay otra que afirma que no importa en qué dirección
esté orientado el experimento, debería obtenerse el mismo
resultado. Invariancia rotacional.
En la literatura técnica, una conexión
asocia un valor a cada punto del espacio que ocupa un campo y,
además, nos indica cómo se relacionan dichos puntos entre sí. Por
ejemplo, un mapa topográfico sería una imagen de un campo de
alturas. La información que ese campo incorpora nos permite
establecer relaciones entre lo que sucede en distintos puntos del
espacio.
Una simetría siempre va acompañada de
un campo de conexión que nos permite comparar lo que sucede en cada
ubicación. Por ejemplo, cuando la altura del terreno varía de un
lugar a otro se puede ir del uno al otro esquiando, o patinando,
dependiendo de las condiciones. Si el terreno es plano uno
permanecería ahí, inmóvil. Cuando el terreno tiene una inclinación
existe una fuerza que tira de uno hacia la base de la colina.
Ésa es la fórmula mágica que hace
que el mundo evolucione según la física moderna. Las simetrías dan
lugar a campos de conexión, y las variaciones en los campos de
conexión dan lugar a las fuerzas de la naturaleza.
Las cuatro fuerzas de la naturaleza,
gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil,
están todas basadas en simetrías. El bosón de Higgs también
transmite una fuerza, pero no es el que hace que las partículas
tengan masa. De eso se encarga el campo de Higgs, en segundo plano, y
no está basado en ninguna simetría.
Los campos bosónicos que transmiten
estas fuerzas, gravitones, fotones, gluones y bosones w y z, son
todos campos de conexión, que establecen relaciones entre distintos
puntos del espacio. Estos campos de conexión definen unas pistas de
esquí invisibles entre cada punto del espacio, que dan lugar a las
fuerzas que impulsan las partículas en distintas direcciones,
dependiendo de cómo interaccionen.
El campo de Higgs rompe (oculta) las
simetrías. Ya hemos comentado un par de ejemplos sencillos de
simetrías que se dan a nuestro alrededor: da igual en donde estés y
da igual en qué dirección estés orientado. Las leyes físicas
poseen, además, otra simetría en la que es más difícil reparar:
da igual a qué velocidad te muevas.
Imagina que vas en un tren, viajando a
toda velocidad a través de la campiña. Supongamos que es un tren
supermoderno, que utiliza levitación magnética para flotar sobre
los raíles. Si el tren es lo suficientemente silencioso y no
encuentra sobresaltos en su recorrido, no hay manera de saber a qué
velocidad nos movemos sin mirar por la ventana.
En estas condiciones, si se realiza un
experimento en el interior del tren, la velocidad a la que nos
movemos no importa. Estemos completamente parados o a 150 kilómetros
por hora, el efecto de echar un caramelo de menta en una Coca-cola
sería el mismo.Sin embargo, para un observador posicionado en
tierra, viendo pasar el tren, la situación no es la misma. Si el
tren estuviese parado podría constatar el experimento observando a
través de las ventanillas, pero si el tren está en movimiento su
velocidad le impedirá la observación. Este es un ejemplo de ruptura
(ocultación) de simetría. A las leyes de la física les da igual la
velocidad a la que te muevas, pero al observador no. Éste tiene una
velocidad preferida: en reposo respecto al suelo.
Las reglas profundas del juego poseen
una simetría, pero nuestro entorno no la respeta. Por consiguiente,
decimos que el entorno rompe (oculta) la simetría. Eso es,
exactamente, lo que el campo de Higgs hace con las interacciones. Las
leyes básicas de la física obedecen a una determinada simetría,
pero el campo de Higgs la oculta.
La simetría en realidad sigue ahí,
oculta en las ecuaciones fundamentales que rigen el mundo, pero
alguna característica de nuestro entorno hace que exista una
dirección preferida. Esto no afecta al hecho de que las leyes
físicas son invariantes respecto a las distintas velocidades.
El campo de Higgs rompe (oculta) las
simetrías. En el nivel observable, medible y constatable, las
partículas han adquirido su masa y aparecen cada una con sus
propiedades particulares. En el nivel profundo, sin embargo, las
simetrías persisten y se mantienen los principios fundamentales.
Todo esto me recuerda la imagen de la
danza de la Shakti, en la tradición oriental. Menudo baile de
máscaras organiza el Higgs.
Recapitulemos…
Ya hemos visto la profunda conexión
existente entre las simetrías y las fuerzas de la naturaleza. Si
tenemos una simetría que opera independientemente en cada punto del
espacio, con ella viene también, necesariamente, un campo de
conexión, y son estos campos de conexión los que dan lugar a las
fuerzas.
La simetría fundamental siempre está
asociada a partículas bosónicas sin masa. Las simetrías imponen
rigurosas restricciones sobre las propiedades que pueden tener las
partículas.
Las fuerzas, que son transportadas por
las partículas sin masa, tienen alcance infinito.
Los bosones se definen como los campos
que transmiten las fuerzas, en contraposición con los fermiones, que
son los campos de materia que ocupan espacio.
Un campo bosónico que se extienda por
todo el espacio, puede proporcionar masa a las partículas
elementales.
Ruptura espontánea de simetría.
La simetría fundamental existe
realmente, pero está oculta por un campo que toma un valor no nulo.
La simetría está en las ecuaciones básicas, pero la solución
concreta que nos interesa de dichas ecuaciones no tiene un aspecto
muy simétrico.
El mecanismo de Higgs.
La ruptura espontánea de una simetría
produce partículas con masa (el bosón de Higgs), que da lugar a
interacciones de corto alcance al acoplarse con otras partículas.
Dos tipos de campos. El transmisor de
la fuerza y el causante de la ruptura de simetría, que toma un valor
no nulo en el espacio, es decir, adquiere masa sin violar la simetría
básica, todo lo cual está en perfecto acuerdo con los requisitos de
la relatividad. Así es como funciona la naturaleza.
7.- El umbral de un nuevo mundo.
En una galaxia hay mucha más materia
de la que observamos y gran parte de la misma está distribuida lejos
del centro, a diferencia de lo que sucede con las estrellas visibles.
Materia oscura.
La materia está “desaparecida”, en
una forma que no es fácil de observar.
Se han calculado con precisión dos
números por separado. La cantidad total de materia en el universo y
la cantidad total de “materia ordinaria”. Ésta última engloba
átomos, polvo, estrellas, planetas y cualquier tipo de partícula
conocida en el modelo estándar.
Los dos números no coinciden. La
cantidad total de materia ordinaria en el universo constituye
únicamente una quinta parte de la materia. La mayor parte es materia
oscura y ésta no puede estar formada por ninguna de las partículas
del modelo estándar. Sabemos perfectamente cuánta materia ordinaria
hay en el universo, con independencia de la forma que tome
actualmente, y no es, ni remotamente, suficiente como para dar cuenta
de toda la materia existente.
El bosón de Higgs es la última pieza
en el rompecabezas del modelo estándar, pero éste no es en modo
alguno el final del camino. La materia oscura es sólo uno de los
indicios de que hay mucha más física por comprender.
Una perspectiva apasionante es que el
bosón de Higgs haga las veces de puente entre lo que conocemos y lo
que esperamos aprender.
Wimp
Imaginemos una nueva partícula de un
cierto tipo. Una Wimp, partícula con masa, de interacción débil,
es decir, sensible a las interacciones de la física de partículas y
tiene una masa compatible con otras partículas que intervienen en
las interacciones débiles, como los bosones w y z, o el de Higgs.
La posibilidad de que la materia oscura
sea una Wimp abre varias puertas experimentales, precisamente porque
el Higgs interactuaría con ella. De hecho, en muchos de los modelos
de la materia oscura basados en Wimp, el acoplamiento más intenso
entre ésta y la materia ordinaria se produciría mediante el
intercambio de un bosón de Higgs. El Higgs podría ser el eslabón
que une nuestro mundo con la mayor parte de la materia del universo.
El portal de Higgs.
El descubrimiento del Higgs constituye,
al mismo tiempo, la culminación de un grandioso proyecto, la
construcción del modelo estándar, y el pistoletazo de salida para
el siguiente, la búsqueda de mundos ocultos más allá de dicho
modelo. El portal de Higgs sería, pues, la abertura que comunica el
modelo estándar y los sectores ocultos de la materia."""
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