Teorías de unificación

La radiación cosmológica de fondo proviene de cuando se formaron los primeros átomos estables, unos 300.000 años después del Big Bang. En ese momento, la radiación electromagnética (los fotones) deja de interaccionar con la materia al pasar ésta de existir en forma de partículas cargadas a agruparse en forma de átomos eléctricamente neutros; queda así libre, bañando todo el Universo y enfriándose con él. La radiación de fondo es una especie de disparo de fusil, con isotropía casi perfecta.

Una de las cosas más difíciles de entender es la formación de estructuras galácticas a partir de un estado inicial esencialmente homogéneo. Hubo unas fluctuaciones de densidad primordiales, que deben haber dejado una huella en la radiación de fondo, y esa huella debe manifestarse en violaciones muy ligeras, pero observables, de la isotropía fundamental. Los hallazgos realizados por el COBE (Cosmological Background Explorer), detectan la existencia de esas fluctuaciones, que se manifiestan en pequeñísimas diferencias de temperatura en la radiación según la dirección de observación, y cuyo valor está dentro del orden de magnitud de lo predicho por los modelos teóricos.

El Sol es un millón de veces más voluminoso que nuestro planeta. La materia oscura no se ve, porque no emite luz ni intercepta con suficiente eficacia la que proviene de los cuerpos luminosos, pero actúa mediante su interacción gravitatoria sobre objetos celestes que sí se ven. La situación preferida por los físicos con respecto a la cantidad de materia oscura es una densidad del Univeso llamada crítica, que representa el valor intermedio para el que la expansión acabará por frenarse progresivamente, sin que haya posterior contracción. En relación con la posible naturaleza de la materia oscura, puede estar compuesta por cuerpos celestes ordinarios, fríos, como los MACHOs (objetos del halo compactos y masivos). Pero esto no sería suficiente: puede haber alguna clase de partículas elementales, las WIMPs (partículas masivas que interaccionan débilmente).

El hecho de que la luz sienta la acción de la gravedad es una de las más espectaculares consecuencias de la Relatividad General. En 1919, Eddington, desde la isla del Príncipe, al oeste de Africa, observó un eclipse total de Sol. La finalidad de la expedición era comprobar si la luz proveniente de las estrellas situadas tras el Sol, sólo visibles en el momento del eclipse, se curvaba al pasar rozándolo. El efecto, que se resumía en una desviación de 2 segundos de arco, fue verificado, lo que supuso una confirmación espectacular de la teoría de Einstein.

Desde el punto de vista de la observación, existen dos tipos de agujeros negros: unos con masa igual o varias veces superior al Sol y otros millones de veces más grandes, monstruos gigantescos de dimensiones galácticas. Los primeros son consecuencia de la muerte de estrellas masivas y los segundos se encuentran en el corazón de algunas galaxias. Existen ciertos sistemas binarios de estrellas en los que una de las dos es invisible. A partir de las perturbaciones sobre el movimiento de la otra, puede determinarse su masa: debe ser un agujero negro. Las supernovas son fenómenos relativamente frecuentes; de hecho se observan algunas cada año, pero en galaxias muy alejadas. Otras no se observan por la gran cantidad de material galáctico que nos oculta su visión.

Los neutrinos son expulsados por las estrellas en las reacciones nucleares de sus centros. La fuente más intensa para nosotros es el Sol, que barren el sistema solar e inciden sobre la superficie de la Tierra, recibiendo nuestro cuerpo mil millones por segundo y por centímetro cuadrado. No interaccionan prácticamente con nada, lo que implica que de noche recibimos tantos como de día. En la supernova SN1987A, un frente de neutrinos nos atravesó seguido, a unas horas de diferencia, del frente de luz originado en el mismo fenómeno y moviéndose ambos a la misma velocidad.

Se han descubierto mundos alrededor del pulsar PSRB1257+12: éstos no pueden ser de la misma especie de los planetas del sistema solar ni de los que buscamos en otras estrellas en relación con la existencia de vida. La Tierra, formada hace 4.500 millones de años, tuvo dentro de los cien primeros millones una violenta colisión, cuyo resultado fue el nacimiento de la Luna, según la hipótesis más extendida. Los seres vivos más antiguos datan de hace 3.600 millones de años, luego puede ser que los materiales primordiales sobre los que surgió la vida, pudieron llegar a la Tierra ya con un cierto grado de complejidad, es decir, con parte del camino ya recorrido, del espacio exterior.

Los Alvarez, Luis (premio Nobel de Física) y su hijo Walter, midiendo la concentración de iridio en una serie de estratos geológicos, concluyeron que la desaparición de los dinosaurios tuvo una causa astronómica, el impacto de un gran cuerpo celeste sobre la Tierra y sus efectos posteriores sobre el clima y el medio ambiente. La evidencia directa, la cicatriz gigantesca dejada por el meteorito, se localizó en Yucatán, México, en 1992.

Lo natural y lo humano son conceptos antagónicos. El equilibrio de la naturaleza depende hoy de que actuemos según criterios estrictamente humanos, de racionalidad e inteligencia, por completo ajenos, cuando no contrarios, a los que han conformado hasta ahora ese mismo equilibrio natural:¡control de natalidad!. En los rayos cósmicos hay abundancia de antimateria, y en los aceleradores de partículas se produce continuamente. Nuestro mundo está hecho exclusivamente de materia, siendo creada la antimateria en cantidades infinitesimales, en episodios de muy alta energía, naturales o artificiales, para después aniquilarse rápidamente.

El neutrino es un pariente muy próximo al electrón; es, de hecho, un electrón sin carga eléctrica. Las partículas elementales son aquellas que no tienen estructura interna. Son los quarks, sensibles a la fuerza nuclear fuerte, y los leptones (neutrinos, electrones, partículas mu y partículas tau), no sensibles a ella. La Teoría Standard dice que dado un quark, éste debe tener un compañero, y por cada pareja de quarks, es obligatorio que exista una pareja del tipo electrón-neutrino. Existen tres generaciones de parejas de quarks con sus correspondientes parejas de leptones electrón-neutrino: up- down-electrón-elec.neutrino, charm-strange-muón-muón neutrino, top-bottom-tau-tau neutrino. Después de 17 años de haber sido predicho y bautizado el quark top, pudo fabricarse directamente en 1994 en el Tevatrón, el acelerador de Chicago.

¿Hay alguna generación más?. Hay tres y no más de tres, de las cuales sólo una está presente en el mundo de hoy, aunque es seguro que las tres jugaron un papel similar en los primeros instantes del Universo. Queda aún un último hueco por llenar: una nueva y más misteriosa partícula, llamada partícula de Higgs. Una de las cuestiones abiertas más profundas en el campo de las partículas elementales es por qué tienen la masa que tienen. Peter Higgs, profesor de la Universidad de Manchester, había ideado un cierto campo de fuerzas que, por su sola existencia, modificaba la estructura del vacío, como ocurre con cualquier otro campo (el vacío en mecánica cuántica es complejo y divertido). En ciertas circunstancias, el campo de Higgs era capaz de desestabilizar el vacío dotándolo de la propiedad de transferir parte de la energía contenida en el campo a otras partículas. Estas adquirían así una masa que no tenían. La metáfora ganadora de un concurso para divulgar esta teoría: en una habitación hay un número de personas; hace acto de presencia la señora Aznar y la gente se arremolina a su alrededor, produciéndose una aglomeración que se irá moviendo a lo largo de la trayectoria de la señora Aznar. Se ha producido la interacción del campo de Higgs con una partícula inicialmente sin masa, y parte de la energía presente en el campo se ha convertido en la masa de la partícula. La partícula portadora de la fuerza de Higgs es la partícula de Higgs.

El primer ejemplo de Unificación entre las fuerzas fundamentales fue el electromagnetismo. Einstein buscó durante gran parte de su vida una teoría unificada del Electromagnetismo y la Gravitación, sin encontrarla, y aún no existe. La Electrodinámica Cuántica es una integración de la Mecánica Cuántica con el Electromagnetismo y como éste, a través de las ecuaciones de Maxwell, contiene implícitamente la Relatividad Especial, en la Electrodinámica Cuántica integran principios cuánticos con los de la Relatividad Especial.

Una de las consecuencias de la Electrodinámica Cuántica es la naturaleza corpuscular de la radiación electromagnética, cuyas partículas portadoras son los fotones. Todo son partículas: quarks y leptones, materia, y fotones, gravitones, bosones y gluones y Higgs, energía, y luego las partículas virtuales generadas en las fluctuaciones del espacio cuántico. La radiación y la materia son partículas, con distinto spin. El pegamento nuclear: la fuerza nuclear fuerte sólo actúa sobre los quarks. Las partículas portadoras de esta interacción son los gluones, de los que hay 8 clases. Sólo los quarks son sensibles a ellos, debido a la propiedad "color" que tienen. Al no poseer dicha propiedad los leptones, no son afectados en absoluto por esta interacción.

La fuerza nuclear débil es también de alcance microscópico y tiene una especial relevancia en todos los procesos en los que intervienen neutrinos. Hasta 1957 se creyó que todas las interacciones fundamentales de la Física respetaban la simetría especular, pero esta fuerza, y sólo ésta, rompe la simetría. Los neutrinos son sólo sensibles a la interacción débil. Las partículas portadoras de la fuerza nuclear débil son 3 partículas muy masivas, las famosas W+, W- y Z§, los bosones. La unificación Electromagnetismo-interacción débil, sólo es estable a temperaturas gigantescas: la Teoría Electrodébil sólo es posible a mil millones de millones de grados. Por debajo de esta temperatura, se produce la ruptura espontánea y una diferenciación práctica de ambos tipos de fuerzas.

La temperatura a la que tuvo lugar la ruptura electrodébil se produjo una cien mil millonésima de segundo después del Big Bang, de modo que para tiempos anteriores, el Universo primitivo exhibía directamente las propiedades de unificación ahora ocultas. Pero debe haber algo más allá, más general y unificado: la Gran Unificación. La intensidad de la interacción fuerte y la electrodébil parecen converger a temperaturas muy elevadas: estas interacciones son la manifestación asimétrica, a bajas temperaturas, de una única interacción. El Universo habría pasado en épocas todavía más remotas, por una fase de Gran Unificación.

Queda la incorporación de la única fuerza que ha quedado fuera, la Gravitación. Esto presenta grandes dificultades; es preciso lograr, como paso previo, una versión cuántica de la Relatividad general, lo que no se ha logrado todavía. Los instrumentos se han ido haciendo más costosos en Astrofísica: sondas espaciales, lanzaderas, grandes telescopios...pero es en el campo de la Física de altas energías o de partículas elementales donde se ha llegado a los mayores extremos de gigantismo y sofisticación: son los grandes aceleradores construídos en enormes túneles subterráneos.

En 1911, Rutherford realizó un experimento crucial, haciendo interaccionar partículas alfa con una lámina delgada metálica, lo que le llevó al descubrimiento del núcleo atómico. El dispositivo experimental que utilizó cabe encima de una mesa normal. Lo que se ha venido haciendo desde entonces ha sido repetir el experimento de Rutherford, preparando haces de partículas diferentes cada vez más energéticos. La modesta energía de las partículas alfa, emitidas naturalmente por núcleos de elementos radiactivos, ha pasado a ser inmensamente superior en los electrones que giran en el LEP. Los electrones son acelerados a una velocidad prácticamente igual a la de la luz, sometiéndolos a la acción de campos eléctricos, igual que los protones, el material de los haces primarios de cualquier acelerador.

Otros instrumentos importantes son los detectores de neutrinos, tanto los que provienen del Sol como los que llegan de fuera del sistema solar o de nuestra propia galaxia. La señal es muy débil. Sobre la superficie terrestre inciden los rayos cósmicos, es decir, partículas elementales producidas en la alta atmósfera o procedentes del Sol o del espacio exterior. Sus interacciones sobre el detector anularían las interacciones de los neutrinos, por lo que los detectores de neutrinos han de instalarse bajo tierra, a cientos o miles de metros, como en grutas o minas profundas. El mayor acelerador es el LEP (large electrón-positrón collider), instalado dentro del CERN (laboratorio europeo de física de partículas elementales). LEP es un anillo de 27 km de diámetro situado en la frontera franco-suiza, a una profundidad de 80 m. Los electrones y sus antipartículas, los positrones, son acelerados, y al colisionar, la energía liberada se transforma en centenares de nuevas partículas. Estas son inestables y no existen de manera ordinaria en nuestro mundo, pero jugaron un papel importante en una época próxima al Big Bang. En realidad, lo que se hace es recrear una versión microscópica del Universo cuando tenía una edad del orden de las cien mil millonésimas de segundo.

Sin embargo, el LEP no puede llegar al régimen en que aparecerían las partículas de Higgs: esto lo conseguirán la próxima generación de aceleradores. El SSC americano ha sido cancelado. El LHC (large hadron collider) fue aprobado en 1994 por el CERN y será el acelerador más potente del mundo. Estará terminado en el 2008.

La fusión nuclear originada en el Sol, creando helio a partir de hidrógeno, convierte el exceso de masa inicial en energía según la ecuación de Einstein, energía cinética de las partículas emitidas en el proceso: neutrones, protones, fotones. Si se hace interaccionar a las partículas que salen de las reacciones de fusión con materiales adecuados que absorban su energía cinética y la transformen en calor, éste puede ser posteriormente transformado a su vez en electricidad por métodos convencionales. Se ha llegado a un acuerdo internacional para la construcción de reactores de fusión, firmado por Rusia, Japón, Estados Unidos y Europa, con vistas al diseño y construcción del reactor ITER, que habrá de sustituir al JET y al TFTR. Será capaz de producir mucha más energía de fusión que la gastada en calentar y mantener el plasma.

No es más artificial un preservativo o una píldora anticonceptiva que un antibiótico. Michel Faraday, uno de los científicos más dotados y prestigiosos de cuantos han existido, era un físico experimental. Sus trabajos han tenido una enorme repercusión en sus aplicaciones posteriores, y eso que pasó por muchas estrecheces. Los grandes físicos son teóricos: Faraday es la excepción. Su formación teórica era insuficiente, aunque tenía gran destreza y pasión por el experimento. Sus trabajos sobre el electromagnetismo permitieron a Maxwell su unificación teórica, de gran belleza formal. Maxwell descubrió, completando los trabajos precedentes de Oersted, Ampere y Faraday, que fue el conjunto de interacciones entre corrientes eléctricas y campos magnéticos, lo que hizo posible transformar energía mecánica en eléctrica y viceversa.

Fue el gran comienzo.