Historia de las Ciencias 7b (siglo XX)
33 EL MISTERIO DE LA TRINIDAD EN LA NATURALEZA.
34 PARTÍCULAS L- MENTALES
35 LA NATURALEZA NO ES CAPRICHOSA.
Los epistemólogos de la Ciencia suelen apelar a la Física, o al “tratado” de la naturaleza, como el desideratum de Ciencia Natural. Sobre todo porque en las ciencias físicas es donde se han realizados las mayores síntesis del conocimiento humano.
Haciendo un rápido recuento recordamos a Isaac Newton quién reconoció la igualdad entre la gravitación celeste, que atrae la Luna hacia la Tierra, y la gravitación terrestre responsable de la caída de los cuerpos. Luego James Clerk Maxwell en 1864 estableció las vinculaciones entre las fuerzas eléctricas y magnéticas, sintetizando en solo cuatro ecuaciones todos los fenómenos electromagnéticos. Así a comienzos de siglo solo existían solo dos fuerzas o interacciones fundamentales en la naturaleza: el campo gravitacional y el campo electromagnético.
Pero el advenimiento de la radiactividad y los trabajos teóricos posteriores de Yukawa (1935), entre otros muchos a comienzo del siglo pasado, elevaron el número de interacciones a cuatro con la introducción de la Interacción Fuerte que liga a los neutrones y protones en el interior del núcleo atómico y la Interacción Débil, responsable de las desintegraciones radiactivas.
La tétrada de fuerzas fundamentales ha sido objeto de diversas investigaciones para su unificación en una sola teoría unificada (Teoría del Campo Unificado). Diversos caminos fueron emprendidos en esa dirección. Albert Einstein formuló en 1916 la teoría de la Relatividad General (suerte de generalización de su “relatividad especial” formulada en 1905) en la cual se hacía responsable a la curvatura del espacio de la interacción gravitacional y también se podía incluir el electromagnetismo en la misma formulación. Veinte años más tarde Kalupsa reformuló tales ideas atribuyendo el campo electromagnético a la torsión del espacio. Tales teorías no han sido firmemente comprobadas ya que las ondas gravitacionales, propuestas en la Relatividad General, aún no se han detectado directamente.
La siguiente síntesis la realizaron Addul Salam, Stephen Weinberg y George Glashow quienes compartieron el premio Nobel en 1979, al presentar la teoría Electrodébil. Esta teoría unifica las interacciones débiles y electromagnéticas como manifestaciones de una misma fuerza y predijeron una terna de partículas atómicas muy masivas. Estas partículas denominadas bosones vectoriales Z, W+ y W-, son los entes que se intercambian durante la interacción débil, de forma análoga como se intercambian los mesones durante la interacción fuerte (o los gluones, en el Modelo de Gell-Mann) y los fotones durante la interacción electromagnética. Tales partículas fueron medidas por Carlos Rubia y colaboradores en el verano de 1984, en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) donde laboran cerca de 5000 físicos de toda Europa y cuyas instalaciones subterráneas abarca casi la mitad de la Ciudad de Ginebra. El tamaño del acelerador nuclear del CERN (super ciclotrón de protones) supera la longitud del Metro de la Ciudad de Caracas y se usa exclusivamente para indagar la estructura última de la materia, sin aplicación práctica inmediata.
Otras modelos y teorías han intentado unificar la trinidad de las interacciones Electrodébil, Fuerte y Gravitacional. Algunos atisbos de la esperada Gran Unificación de las leyes de la naturaleza lo constituyen las denominadas teorías cuánticas de campo y las teorías de cuantización de la gravitación, y en ellas se empeñan buena parte de los fondos mundiales de investigación básica.
Para el observador desaprensivo, esas realidades no se corresponden con el desarrollo tecnológico actual ni con los problemas técnicos del entorno local. Debe recordarse que la Ciencia va siempre en el orden de cincuenta o más años por delante de la tecnología y que, los hoy países desarrollados, invirtieron en esas investigaciones de la naturaleza de la materia en los años veinte, mientras en Venezuela se vinculaba a los universitarios con las “necesidades concretas”, de hacer carreteras, en la época gomecista. El misterio científico de la trinidad requiere, por los momentos, de un milagro de la creación humana, para dar con la ecuación de la nada, suerte de aforismo con el que se espera explicar la totalidad de los fenómenos naturales, vaya ese reto a los jóvenes estudiantes de las ciencias físicas.
Cuando John Dalton (1766-1844) postuló su teoría atómica consideró que los átomos eran indivisibles y por tanto eran partículas elementales. Los avances en el conocimiento de la estructura atómica revelaron que los átomos no eran indivisibles y estaban formados por partículas más elementales: protones, neutrones y electrones.
Las partículas elementales son los constituyentes elementales de la materia, más precisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna. Originalmente el término partícula elemental se usó para toda partícula subatómica como los protones y neutrones, los electrones y otros tipos de partículas que sólo pueden encontrarse en los rayos cósmicos y en los experimentos realizados en los aceleradores de partículas. Sin embargo, las colisiones entre haces de protones realizados en los aceleradores de partículas mostraron que los protones y neutrones son partículas con estructura interna y/o compuestas de otras partículas más simples.
La lista de partículas subatómicas en los años setenta superaba con creces el centenar y comprender la diversidad de ese “zoológico” fue una tarea emprendida por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross; Teoría conocida como Cromo dinámica Cuántica (QCO) y les mereció el Nobel en el 2004. La materia está constituida por partículas de dos tipos: las que interactúan a través de la Fuerza Fuerte (Hadrones, del griego: hadrós, denso) y los que interactúan a través de la Fuerza Débil (Leptones, del griego: leptos, débil). Las fuerzas fundamentales de la naturaleza son la gravitatoria, la electromagnética, y las fuerzas nucleares: Fuerte y Débil. La fuerza Fuerte liga a los protones y neutrones en los núcleos de los átomos, y la Fuerza Débil que es responsable de la desintegración radiactiva.
Según la QCO los Hadrones son partículas compuestas por combinaciones de 2 o 3 partículas más elementales llamadas Quark. Estos son de solo 6 tipos: u (arriba), d (abajo), c (encantado), s (extraño), t (cima) y b (fondo). Estos quark no pueden existir libremente y por tanto no se han observado, sus cargas eléctricas son positivas (quarks) o negativas (antiquarks) pero de 1/3 o de 2/3 de la carga del electrón. Su combinación permite, en principio, predecir las colisiones en los experimentos de los aceleradores de partículas. Así un protón es la combinación uud y un neutrón por los quarks udd. Solo son posibles las combinaciones entre un quarks y un antiquarks (Mesones) y entre tres quars (Bariones). Es notable que solo hay 8 combinaciones posibles de tres quark que den carga eléctrica entera, en concordancia con las 8 familias de Bariones detectadas (Octete Barionico). De ese modo tendríamos 6 partículas quarks que constituyen toda la materia.
Además de esas 6 hay que añadir las partículas que transmiten las fuerzas (Bosones): el fotón que trasporta la fuerza electromagnética, el hipotético gluón para la fuerza fuerte (entre quarks), y los bosones W y Z responsables de la interacción Débil. A ellas habría de sumar las familias de Leptones, que son 3, cada una constituida por una partícula cargada, y una partícula sin carga de masa casi nula (neutrino). Para un total de 6 partículas más: electrón y neutrino electrónico, muon y neutrino muónico, y el taon y su neutrino taónico. En total 16 partículas con sus respectivas antipartículas!!!. Como se ve el carácter elemental casi pierde aquí su sentido por la diversidad y complejidad del modelo.
Peor aun no se comprende porque la totalidad de la materia macroscópica observada solo está compuesta por la primera familia de partículas: los quarks u y d; el electrón y su neutrino electrónico. Luego parece que las otras dos familias solo son visibles en procesos subatómicos ¿por qué?. Tampoco se comprende cómo es que hay 2 bosones para la interacción débil y solo uno para las otras interacciones. A lo anterior habría que sumar el gravitón, o hipotético boson mediador de la fuerza de gravedad, que no aparece en el modelo QCO.
Y es que la complejidad de las partículas L-mentales se parece mucho a la politeísta mitología griega. Con varias generaciones y una plétora de deidades, casi una para cada ocasión. La nueva religión monoteísta de la Mecánica Cuántica se llama supergravedad, supercuerdas y supersimetrias. Aun falta sin embargo el mesías (boson de Higgs) y sus milagros, para comprender tanto lo divino como lo humano, lo natural y lo social, lo transcendente y lo contingente.
En la Teoría de la Relatividad Especial (1905), publicada bajo el titulo: “Sobre la Electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, se establecen las leyes de transformación de las magnitudes físicas por observadores en movimiento no acelerado; particularmente de cómo estas leyes predicen cambios en la Mecánica Newtoniana cuando la velocidad relativa de los observadores es comparable con la de la luz en el vacio (designada con la letra c, del latín celerity); resultando con ello que los observables de posición, longitudes e intervalos de tiempo; entre otros, son descritos de manera diferentes por observadores que se mueven a distintas velocidades entre sí (son relativos).
Por el contrario la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, suerte de nuevo absoluto para todos los ellos. Así, las cantidades físicas medidas (observables) resultan relativas a la posición y velocidad de los observadores; pero no son arbitrarias sino por el contrario están relacionadas entre si de acuerdo a leyes físicas precisas (Transformaciones de Lorentz). De lo que se comprende que la Teoría de la Relatividad resulta pues una extensión de las leyes que describen el movimiento de los cuerpos (Mecánica) propuesta por Newton, aun cuando desde una perspectiva más fundamental y abstracta, y no una derogación de las Leyes de Newton de la Mecánica.
La Relatividad Especial sin embargo, supone el redimensionamiento de los conceptos de Espacio y tiempo, caracterizando ambos como parte integrantes del espacio tetradimensional de la realidad física: alto, ancho, profundidad y tiempo; a diferencia de la Mecánica Newtoniana, característica de un espacio exclusivamente tridimensional y un tiempo absoluto e invariable.
La Teoría de la Relatividad General (1916-1917) publicada en forma homónima como “Fundamento de la Teoría de la Relatividad General” debe su nombre a la generalización de la ideas previas sobre el movimiento en sistemas de referencia en movimiento relativo, pero incluyendo ahora la posibilidad de que tales movimientos se lleven a cabo en forma acelerada, con lo cual se llega a una cierta identificación de tales sistemas acelerados con el origen de la fuerza de gravedad. Estas ideas controversiales con la intuición suponen que el espacio es tetradimensional (el tri-espacio y el tiempo) se deforma en las cercanías de los cuerpos; exhibiendo una curvatura proporcional a la masa del objeto. Así, el movimiento de los planetas alrededor del Sol, por ejemplo, se debe al movimiento en un tetraespacio curvado que se manifiesta como la fuerza de atracción del Sol sobre los planetas. Estas controvertidas ideas llevaron en su tiempo a la publicación de un articulo de prensa titulado “100 autores contra Einstein”, a lo que el científico respondió simplemente: “de ellos haber tenido razón, con uno solo hubiera sido suficiente”; y es que la predicción sobre la curvatura del espacio posibilitó no solo explicar el hasta entonces anómalo movimiento del Planeta Mercurio sino que también predijo acertadamente la deflexión sufrida por la luz de las estrellas, al pasar cerca del borde del disco solar, visibles durante un eclipse total; tal y como fuera medido por el grupo de científicos liderados por Sir Arthur Eddington durante el Eclipse Total de Sol acaecido el 29 de Mayo de 1919, en el golfo de Guinea.
Al comprobarse las predicciones de la teoría de la Relatividad General, se cambió completamente la concepción sobre las leyes científicas que gobiernan el universo. La teoría de la Relatividad sugería, por primera vez, una nueva forma de interpretar algunas de las propiedades básicas del universo, como la gravedad además de la velocidad de la luz y la medición del tiempo. Su descubrimiento, según palabras de J.J. Thomson, presidente de la Real Sociedad, de Física (Inglaterra) es “uno de los mayores logros en la historia del pensamiento humano”.
Y es que el poder de la razón teórica contribuye al ordenamiento de los fenómenos para su comprensión y para el dominio utilitario de la naturaleza, aun cuando ello suponga una cierta dosis de desorden aparente, según se infiere del estado en que quedó el despacho del Dr. Einstein en la Universidad de Princenton el día de su muerte.