La unificación de la física

En un acto de generosidad sin precedentes, la publicación Investigación y ciencia permite leer entero de forma gratuita un artículo así titulado, os lo dejo (todavía no lo he leído pero eso da lo mismo).

Investigación y ciencia escribió:

La unificación de la física
Los experimentos que se realicen en el CERN y en otros laboratorios deberán permitir culminar el modelo estándar de la física de partículas. Sin embargo, habrá que aportar ideas de nuevo cuño si queremos trenzar una teoría unificada de todas las fuerzas.
Weinberg, Steven


La naturaleza cuántica del espacio y el tiempo tiene que resolverse en el seno de una teoría unificada. A pequeña escala, el espacio podría ser una estructura de cuerdas y membranas tramada sin solución de continuidad. O algo todavía más extraño. [Johnny Johnson]
[NOTA DE LOS EDITORES: Con motivo de la concesión del premio Nobel de física de 2013 a François Englert y Peter Higgs por la formulación matemática del mecanismo que confiere masa a las partículas elementales, IyC ofrece a sus lectores, durante un mes, el texto íntegro de este artículo, recomendado por la Fundación Nobel en su informe divulgativo.

El artículo completo, con fotografías e infografías, puede adquirirse por separado o bien a través de la revista correspondiente.]



Compete a la física entender la unidad entrañada en la maravillosa diversidad de la naturaleza. En esa dirección se han dado pasos importantes. Newton unió la mecánica terrestre con la celeste en el siglo XVII; dos centurias más tarde, James Clerk Maxwell unificaba la óptica con la electricidad y el magnetismo. Entre 1905 y 1916 Einstein unificó la geometría del espacio-tiempo y la teoría de la gravitación; un decenio después, pergeñada la mecánica cuántica, se unieron química y física atómica.

Einstein dedicó los últimos treinta años de su vida a la búsqueda infructuosa de una “teoría de campos unificada”, que uniría la relatividad general, su propia teoría del espacio-tiempo y gravitación, con la teoría del electromagnetismo de Maxwell. En tiempo más reciente se han realizado progresos hacia la unificación, aunque en dirección distinta. Nuestra teoría actual de las fuerzas y partículas elementales, el modelo estándar, ha unificado el electromagnetismo y las interacciones débiles (las fuerzas responsables de la transformación mutua de neutrones y protones en los procesos radiactivos y en el interior de las estrellas). El modelo estándar ofrece también una descripción parecida, aunque independiente, de las interacciones fuertes, que mantienen unidos los quarks dentro de protones y neutrones y, dentro de los núcleos atómicos, unidos los protones y neutrones.

Algunas ideas se han ido asentando sobre cómo unificar la teoría de las interacciones fuertes con la teoría de las interacciones débiles y electromagnéticas, lo que se denomina a menudo “gran unificación”. Pero sólo hallarán pleno encaje cuando incluyan la gravedad, problema nada fácil. Se conjetura que las diferencias manifestadas por estas fuerzas surgieron al inicio de la gran explosión. Pero no podemos comprender los instantes iniciales de la historia cósmica sin una teoría mejor de la gravitación y de las demás fuerzas.

Es posible, aunque no seguro, que el trabajo de unificación alcance su coronación antes del año 2050.


Campos cuánticos

El modelo estándar es una teoría cuántica de campos. Sus componentes básicos son campos, como el eléctrico y el magnético de la electrodinámica del siglo xix. La energía y el momento se transmiten en su seno mediante pequeñas ondas que, según la mecánica cuántica, aparecen en forma de paquetes, o cuantos, y se identifican en el laboratorio como partículas elementales. Así, el cuanto del campo electromagnético es una partícula llamada fotón.

El modelo estándar asocia un campo a cada tipo de partícula elemental. Existen campos de leptones, cuyos cuantos son los electrones que forman las capas externas de los átomos, los muones y tauones (partículas simila­res a los electrones, si bien más pesadas) y unas partículas eléctricamente neutras emparentadas con las anteriores: los neutrinos. Hay campos para las distintas clases de quarks, algunas de las cuales se agrupan en protones y neutrones que conforman los núcleos atómicos. Las fuerzas ejercidas entre estas partículas se producen mediante el intercambio de fotones y partículas elementales similares: las partículas W+, W– y Z0 transmiten la interacción débil; las interacciones fuertes se realizan por mediación de ocho especies de gluones.

Todas estas partículas exhiben masas harto dispares, distribuidas sin ningún patrón reconocible. El electrón es 350.000 veces más ligero que el quark más pesado; los neutrinos son más ligeros todavía. El modelo estándar carece de recursos propios para explicar dichas masas, salvo que incorporemos campos adicionales de tipo “escalar”. La palabra “escalar” significa que estos campos, a diferencia de los campos eléctricos, magnéticos y otros campos del modelo estándar, no muestran ninguna dirección espacial. Esto posibilita que los campos escalares se extiendan por todo el espacio sin contradecir uno de los principios mejor establecidos de la física, a saber, que el espacio tiene el mismo aspecto en todas direcciones. (Si hubiera un potente campo magnético, podríamos utilizar una brújula ordinaria para identificar una dirección preferente en cualquier punto del espacio.) La interacción entre los campos del modelo estándar y campos escalares extendidos por todo el espacio daría, así se cree, a las partículas del modelo estándar las masas que presentan.


Más allá del quark cima

Para culminar el modelo estándar hemos de confirmar la existencia de los campos escalares y establecer los tipos que existen. Esto equivale a descubrir las partículas de Higgs, partículas identificables como los cuantos de tales campos. Tenemos buenas razones para esperar que esta tarea se realizará antes del año 2020, cuando el Gran Colisionador de Hadrones del CERN lleve funcionando un decenio largo.

Como mínimo se descubrirá una nueva partícula escalar neutra, sin carga eléctrica. Si ése fuera el único descubrimiento hasta el año 2020, sería un desastre, por una razón poderosa: no obtendríamos ninguna pista sobre el problema de la jerarquía, una cuestión crucial relacionada con las escalas de energía características de la física.

La partícula más pesada del modelo estándar es el quark cima, cuya masa equivale a una energía de 175 gigaelectronvolts (GeV). (La energía contenida en un GeV es ligeramente superior a la contenida en la masa del protón.) Se supone que las partículas de Higgs por descubrir tendrán masas parecidas, de cien hasta varios centenares de GeV. Pero hay indicios de una escala de masas mucho mayor, que surgirá de las ecuaciones de la teoría unificada, cuando se formule. En el modelo estándar, los campos del gluon, del fotón y de las partículas W y Z ejercen interacciones de diferente intensidad con los demás campos del modelo. Por ese motivo, las fuerzas producidas mediante el intercambio de gluones centuplican la intensidad de las demás en condiciones normales. La gravedad es mucho más débil: en un átomo de hidrógeno, la atracción gravitatoria entre el electrón y el protón es unas 10–39 veces menor que la fuerza eléctrica.

Pero todas estas fuerzas de interacción dependen de la energía a la que se miden. Resulta sorprendente que, al extrapolar las interacciones de los campos del modelo estándar, todas las fuerzas se igualen entre sí a una energía de poco más de 1016 GeV y que la gravitación tenga la misma intensidad a una energía no mucho mayor, a unos 1018 GeV. (Se han sugerido ajustes de la teoría de la gravitación que igualarían su intensidad con la de las demás fuerzas a unos 1016 GeV.) En física de partículas estamos acostumbrados a diferencias bastante elevadas entre las masas de las partículas, como la relación 350.000 a 1 entre las masas del quark cima y del electrón; pero esto no es nada comparado con la gran diferencia entre la escala de energías de la unificación fundamental (1016 GeV o quizá 1018 GeV) y la escala de 100 GeV típica del modelo estándar. El quid del problema de la jerarquía estriba en explicar este cociente tan elevado, este salto descomunal de un nivel al siguiente en la jerarquía de escalas de energía. Y explicarlo no implica sólo ajustar constantes hasta obtener el cociente adecuado, sino también derivarlo de forma natural a partir de principios fundamentales.

Los físicos teóricos han propuesto varias ideas interesantes para solucionar sin violencia el problema de la jerarquía: incorporación de un nuevo principio de simetría, la supersimetría (que hace más precisa la convergencia de las fuerzas de interacción a 1016 GeV), nuevas interacciones fuertes llamadas tecnicolor o ambas cosas a la vez. Estas teorías añaden fuerzas que se unifican con las interacciones fuerte, débil y electromagnética a energías del orden de los 1016 GeV, pero que no se pueden observar directamente porque no actúan sobre las partículas del modelo estándar. Sí actúan, en cambio, dichas fuerzas sobre otras partículas muy pesadas, que no podemos generar en nuestros laboratorios. Estas partículas “superpesadas” son, no obstante, mucho más ligeras que 1016 GeV porque adquieren su masa a partir de las nuevas fuerzas, que sólo son intensas muy por debajo de los 1016 GeV. En ese marco, las partículas del modelo estándar interaccionarían con las partículas “superpesadas” y sus masas aparecerían como efecto secundario de su interacción, bastante débil. Este mecanismo resolvería el problema de la jerarquía, haciendo que las partículas conocidas fueran más ligeras que las superpesadas, que a su vez son mucho más ligeras que 1016 GeV.

En esa gavilla de ideas descubrimos un denominador común: reclaman la existencia de un conjunto de partículas nuevas con masas no mucho mayores que 1000 GeV. Si hay algo cierto en tales propuestas, deberíamos encontrar esas partículas antes del año 2020 en el Gran Colisionador de Hadrones; algunas de ellas podrían incluso detectarse antes en el Fermilab o en el CERN, si bien pueden hacer falta más décadas y nuevos aceleradores para explorar sus propiedades. Cuando se descubran estas partículas y se midan sus propiedades, podremos decir si alguna de ellas sobrevivió a los primeros instantes de la gran explosión y daría cuenta ahora de la “materia oscura” del espacio intergaláctico, que parece constituir la mayor parte de la masa actual del universo. Sea cual sea el ritmo de los descubrimientos, todo indica que, para el año 2050, entenderemos las enormes diferencias en las escalas de energía fundamentales.

¿Qué sucederá entonces? No hay forma de acometer experimentos que involucren procesos a energías del orden de 1016 GeV por partícula. Con las técnicas actuales, la energía que un acelerador comunica a las partículas es proporcional al diámetro de la máquina. La aceleración de partículas hasta una energía de 1016 GeV requeriría un acelerador de varios años luz de diámetro. Aun cuando se ideara otra manera de concentrar cantidades macroscópicas de energía en una sola partícula, sería demasiado baja la frecuencia de procesos interesantes a estas energías para generar información útil. Mas aunque no podamos estudiar directamente procesos a energías de 1016 GeV, es muy probable que estos procesos produzcan efectos a energías accesibles y detectables, que serían inexplicables por el modelo estándar.

El modelo estándar es una teoría cuántica de campos peculiar. Se trata de una teoría “renormalizable”. El origen del adjetivo nos retrotrae a los años cuarenta, cuando se aprendía a aplicar las primeras teorías cuánticas de campos para calcular pequeños cambios en los niveles de energía atómicos. Los físicos descubrieron que los cálculos basados en estas teorías producían cantidades infinitas, un resultado que suele indicar que una teoría es imperfecta o se ha llevado más allá de sus límites de validez. Con el tiempo encontraron una manera de manejar estas cantidades infinitas, mediante una redefinición, o “renormalización”, basada en unas pocas constantes físicas, como la carga y la masa del electrón. (La versión más reducida del modelo estándar, con sólo una partícula escalar, utiliza 18 de estas constantes.) Las teorías en las que este procedimiento funcionó se denominaron renormalizables; su estructura era más simple que la de las teorías no renormalizables.


Supresión de interacciones

La estructura renormalizable del modelo estándar ha permitido obtener predicciones cuantitativas de resultados experimentales, cuyo éxito ha confirmado la validez de la teoría. La unión del principio de renormalización y varios principios de simetría del modelo estándar descarta procesos no observados, como la desintegración de protones aislados, y prohíbe que los neutrinos tengan masa. Los físicos dieron en creer que las teorías cuánticas de campos correctas tenían que ser renormalizables, exigencia que se convirtió en guía útil para la formulación del modelo estándar. Por eso resultó altamente perturbadora la aparente imposibilidad, por razones fundamentales, de formular una teoría cuántica renormalizable del campo gravitatorio.

En la actualidad, nuestra perspectiva ha cambiado. Las teorías de la física de partículas presentan un aspecto diferente según la energía de los procesos y reacciones estudiados. Las fuerzas producidas por el intercambio de dos partículas pesadas suelen ser muy débiles a energías menores que sus masas. También se pueden suprimir otros efectos. A bajas energías se obtiene una teoría de campos operativa, en la que tales interacciones son despreciables. Los físicos teóricos se han percatado de que cualquier teoría de campos fundamental coherente con la teoría de la relatividad tendrá el formato de una teoría cuántica de campos renormalizable a bajas energías. Mas, aunque los infinitos todavía se cancelan, estas teorías operativas no evidencian la estructura simple de las teorías renormalizables en sentido clásico. En ellas aparecen otras interacciones complicadas que, en vez de desaparecer por completo, dejan de tener efecto por debajo de cierta escala de energía característica.

La gravedad es una de las interacciones no renormalizables que se suprimen. Su fuerza (o, mejor dicho, su debilidad) a bajas energías nos permite deducir que su escala fundamental de energías es del orden de los 1018 GeV. Otra interacción no renormalizable suprimida haría que el protón fuera inestable, con una vida media del orden de los 1031 a los 1034 años, demasiado tiempo quizá para que pueda observarse antes del año 2050. Otra interacción no renormalizable suprimida haría que los neutrinos tuvieran pequeñas masas, de unos 10–11 GeV aproximadamente. Ya se dispone de pruebas sobre la existencia de masas neutrínicas de este orden de magnitud, que deberían establecerse definitivamente antes del año 2050.

Las observaciones de ese tenor ofrecerán pistas firmes para llegar a la teoría unificada de las fuerzas. Con todo, el descubrimiento de una teoría tal no se alcanzará sin una renovación profunda de los conceptos. Han empezado ya a circular algunas ideas prometedoras. Se han propuesto cinco teorías diferentes sobre cuerdas, entidades unidimensionales cuyos diferentes modos de vibración se materializan a bajas energías en distintos tipos de partículas. Al parecer, explican perfectamente las teorías finitas de la gravitación y otras fuerzas en un espacio-tiempo de diez dimensiones. Cierto es que no vivimos en un espacio de diez dimensiones, pero entra en lo razonable que seis de estas dimensiones estén tan compactas, que no puedan observarse a energías inferiores a los 1016 GeV por partícula. En los últimos años se han ido recabando pruebas de que las cinco teorías de supercuerdas (y también una teoría cuántica de campos en 11 dimensiones) son versiones de una sola teoría fundamental (teoría M), que parten de distintos enfoques. Sin embargo, nadie sabe cómo obtener las ecuaciones de esta teoría.


A extramuros del espacio-tiempo

Esta tarea de unificación presenta dos grandes obstáculos. El primero es nuestra ignorancia de los principios físicos que gobiernan la teoría fundamental. En su construcción de la relatividad general, Einstein se guiaba por un principio deducido de las propiedades de la gravitación: el principio de equivalencia de las fuerzas gravitatorias ante efectos inerciales, como la fuerza centrífuga. El desarrollo del modelo estándar tuvo su motor en otro principio, la simetría de aforo (“gauge”); compendia éste una generalización de una propiedad bien conocida de la electricidad: importan más las diferencias de potencial que los potenciales en sí.

Carecemos de un principio fundamental que gobierne la teoría M. Las diferentes aproximaciones de esta teoría tienen la forma de teorías de cuerdas o teorías de campo en espacio-tiempos de distintas dimensiones, pero parece probable que la teoría fundamental no se formulará en ningún tipo de espacio-tiempo. La teoría cuántica de campos está muy limitada por principios relativos a la naturaleza del espacio-tiempo tetradimensional, que se han incorporado a la teoría de la relatividad especial. La cuestión es cómo obtendremos las ideas necesarias para reformular una teoría fundamental cuando esta teoría tiene que describir un reino donde todas las intuiciones derivadas de la vida en el espacio-tiempo resultan ser inaplicables.

Aunque fuéramos capaces de formular una teoría fundamental, y nos referimos ahora al segundo obstáculo, podríamos ignorar cómo usarla para obtener predicciones que confirmen su validez. La mayoría de las predicciones acertadas del modelo estándar están basadas en la teoría de perturbaciones, un método de cálculo. En mecánica cuántica las frecuencias de los procesos físicos vienen dadas por sumas realizadas sobre todas las secuencias posibles de pasos intermedios. Cuando se utiliza la teoría de perturbaciones se consideran, primero, las etapas intermedias más simples, luego las algo menos simples, y así sucesivamente. Semejante proceder funciona sólo si los pasos más complicados aportan contribuciones cada vez menores, lo que sucede en caso de ser suficientemente débiles las fuerzas involucradas. A veces, una teoría con fuerzas muy intensas es equivalente a otra teoría con intensidades muy débiles, lo que puede resolverse mediante métodos perturbativos. Parece ser ello cierto en determinados pares de las cinco teorías de cuerdas en 10 dimensiones y la teoría de campos en 11 dimensiones. Por desgracia, las fuerzas de la teoría fundamental no son probablemente ni muy intensas ni muy débiles, con la imposibilidad consiguiente de echar mano de la teoría de perturbaciones.


Reconocer la respuesta

Nadie sabe cuándo se resolverán estos problemas. Quizá mañana mismo, en una creación brillante de un joven teórico; tal vez haya que esperar hasta el año 2050 o el 2150. Pero cuando ese día llegue, incluso en el caso de que no podamos realizar experimentos a energías de 1016 GeV, ni representar dimensiones más elevadas, será fácil reconocer la veracidad de la teoría unificada fundamental. La prueba consistirá en comprobar si la teoría acierta a explicar los valores experimentales de las constantes físicas del modelo estándar, además de otros efectos injustificables a través de este modelo y que podrían haberse descubierto por entonces.

Cabe que cuando comprendamos por fin el comportamiento de las partículas y fuerzas a energías superiores a los 1018 GeV sólo encontremos nuevos misterios, y que la unificación parezca tan lejana como siempre. Permítaseme dudarlo. No hay indicidios de ninguna escala de energías más allá de los 1018 GeV; la propia teoría de cuerdas sugiere que carece de sentido hablar de energías superiores.

El descubrimiento de una teoría unificada que describa la naturaleza a todas las energías nos permitiría responder a las preguntas más profundas de la cosmología: ¿tuvo la nube de galaxias en expansión que llamamos “gran explosión” un comienzo definido en el tiempo? ¿Es nuestra “gran explosión” un episodio de un universo mucho mayor, en el que se suceden eternamente pequeñas “grandes explosiones”? Si es así, ¿varían las constantes e incluso las leyes de la naturaleza de un universo a otro?

La unificación no será el fin de la física. Es probable que no ayude a resolver algunos de los problemas pendientes de la física actual, como los fenómenos de la turbulencia o la superconductividad a altas temperaturas. Pero sellará el final de una manera determinada de hacer física: la búsqueda de una teoría unificada que dé cuenta de todos los fenómenos de la naturaleza.

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Gracias Liptu. Interesante.

n_n  

Sí, muy interesante a simple vista. Cuando tenga tiempo lo leeré completo.

Gracias... 

Yo todavía no lo he conseguido Manué, estoy por pedirte que me lo resumas cuando lo leas, jeje

Yo también lo voy a leer (cuando baje el sol ). Me interesa el tema.

Soy la única que lo ha leído?  

marapez escribió:

Soy la única que lo ha leído?  

 Si  (no por nada sos la maestra del foro ) 

Lo malo es que no lo entiendo...  

   Ahora te digo si me pasa lo mismo (se nubló así que voy a leerlo )

Bueno, lo poco que entiendo es que así como hay una teoría de campos unitaria que sirve para campos gravitatorios electricos y magnéticos, se intenta encontrar una teoría que unifique los campos de partículas subatómicas. Al parecer la diferencia de masas entre partículas es un inconveniente... pero hay tanta gente lista en este mundo, que seguro que alguien la encuentra antes de que nos jubilemos... que a este paso será dentro de muuuuuuuuuuuuuchos años.

Si lo he entendido mal, que alguien me rectifique. Que la física no es mi campo.

marapez escribió:

Bueno, lo poco que entiendo es que así como hay una teoría de campos unitaria que sirve para campos gravitatorios electricos y magnéticos, se intenta encontrar una teoría que unifique los campos de partículas subatómicas. Al parecer la diferencia de masas entre partículas es un inconveniente... pero hay tanta gente lista en este mundo, que seguro que alguien la encuentra antes de que nos jubilemos... que a este paso será dentro de muuuuuuuuuuuuuchos años.

Si lo he entendido mal, que alguien me rectifique. Que la física no es mi campo.

jajajajaja qué poder de sintesis, me cacho en diez! Yo por supuesto no puedo explicarlo con mis propias palabras, sí extraigo esta idea central de la primer parte (me falta leer la mitad).

"El modelo estándar carece de recursos propios para explicar dichas masas, salvo que incorporemos campos adicionales de tipo “escalar”. La palabra “escalar” significa que estos campos, a diferencia de los campos eléctricos, magnéticos y otros campos del modelo estándar, no muestran ninguna dirección espacial. Esto posibilita que los campos escalares se extiendan por todo el espacio sin contradecir uno de los principios mejor establecidos de la física, a saber, que el espacio tiene el mismo aspecto en todas direcciones. (Si hubiera un potente campo magnético, podríamos utilizar una brújula ordinaria para identificar una dirección preferente en cualquier punto del espacio.) La interacción entre los campos del modelo estándar y campos escalares extendidos por todo el espacio daría, así se cree, a las partículas del modelo estándar las masas que presentan.

Más allá del quark cima

Para culminar el modelo estándar hemos de confirmar la existencia de los campos escalares y establecer los tipos que existen. Esto equivale a descubrir las partículas de Higgs, partículas identificables como los cuantos de tales campos. Tenemos buenas razones para esperar que esta tarea se realizará antes del año 2020, cuando el Gran Colisionador de Hadrones del CERN lleve funcionando un decenio largo.

Como mínimo se descubrirá una nueva partícula escalar neutra, sin carga eléctrica. Si ése fuera el único descubrimiento hasta el año 2020, sería un desastre, por una razón poderosa: no obtendríamos ninguna pista sobre el problema de la jerarquía, una cuestión crucial relacionada con las escalas de energía características de la física.

(...)

Se supone que las partículas de Higgs por descubrir tendrán masas parecidas, de cien hasta varios centenares de GeV. Pero hay indicios de una escala de masas mucho mayor, que surgirá de las ecuaciones de la teoría unificada, cuando se formule."

pucha, bueno, esteee, dejo el resumen de la última parte...



 

Me rindo, soy de letras

Yo prometo leerlo esta noche y prometo no entender nada tampoco.  

 No, la verdad es que está muy bien explicado, no es tan terrible, pero es imposible de resumir (más aún en propias palabras). Creo que vos lo vas a entender más, o cualquiera que esté minimamente familiarizado con la física.

Como relevo de información de actualidad en cuanto a estipular en qué anda la física y hacia dónde se dirige está muy bueno. (También en cuanto a saber qué onda al final con ese acelerador famoso de protones )