La confección del cosmos

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“Entonces se agotó mi paciencia, y como tenía prisa por comenzar a desmontar el motor, garabateé un dibujo. Y exclamé:

Esto es una caja, el cordero que tu quieres está adentro”

Antonie de Saint-Exupéry

Al principio, la esencia era lo pequeño

Demócrito inventó la palabra átomo (ἄτομον) que significa “que no puede cortarse”. “Nada existe, aparte de átomos y vacío” dijo. Su argumento seguía de una observación: “Cuando cortamos una manzana con un cuchillo, el cuchillo ha de pasar por espacios vacíos entre los átomos. Si no hubiese estos vacíos, el cuchillo toparía con los átomos y no podríamos cortar la manzana”. De acuerdo con el filósofo y matemático Bertrand Russell1 los átomos de Demócrito eran invisibles, estaban en constante movimiento y los había de diferentes “tipos”, tamaños y formas. 2400 años después, seguimos especulando. Es evidente que la concepción de la estructura fundamental de la materia ha sufrido una evolución que, sin duda, obedece a la interacción entre teoría y experimento. El componente físico que desde tiempos de Dalton (siglo XVIII) llamamos átomo, cuya estructura hemos logrado descifrar con éxito en la modernidad, está muy lejos de representar el constituyente más elemental. Sin embargo, hemos decidido no cambiar el nombre. Una realización contemporánea de la hipótesis atómica al estilo de Demócrito se encuentra, por ejemplo, en la teoría de cuerdas. Aun no estamos en capacidad de hacer experimentos que nos permitan verificarla. Lo que sí sabemos, en el marco de los conocimientos de física que hemos acumulado hasta el momento, es que parece haber un límite para su pequeñez y ese límite se llama la distancia de Planck, concepción que explico más adelante.  

Sin embargo, la existencia de alguna clase de átomo o componente elemental indivisible, per se, es irrelevante. Su idealización ha sido fundamental en esa búsqueda cosmológica y cosmogónica. La indagación científica siempre comienza con una hipótesis y ésta, que en tiempos de Demócrito fue una especulación, sin duda alguna increíblemente atrevida, ha sido fuerza motriz de grandes descubrimientos.

Históricamente, parte del desarrollo originario de la comprensión de la naturaleza de las sustancias ocurrió a través de lo que se conocía como khemia (χυμεία), que significa el arte de las aleaciones de metales. Para los antiguos, se practicaba como parte de rituales religiosos o para alcanzar objetivos de guerra. Bolos de Mendes, uno de los más citados de la khemia greco-egipcia, hacia el 200 a.C., trabajó incesantemente en el problema de la transmutación: cómo transformar hierro o plomo en oro. Conocimiento rescatado por los árabes, la khemia se convirtió en al-kimia, sonido que es heredado por los europeos. La alquimia, que luego fue química, después del siglo XVII, ha jugado un papel fundamental en los descubrimientos de la hechura del cosmos.2

Catálogos de la naturaleza

Explica de manera muy elocuente el físico ruso George Gamow en su libro La teoría del núcleo atómico3

 “En los albores del estudio científico de la materia, el deseo de simplicidad básica que subyace en la aparente complejidad de diferentes formas de la materia guió a los filósofos de la antigua Grecia en el reconocimiento de cuatro “elementos básicos”  que se supone el mundo estaba hecho; éstos son de piedra, agua, aire y fuego”

Son las primeras observaciones, de la cultura occidental,  registradas sobre composición a través de los usos de la clasificación según lo que consideramos propiedades fundamentales. En este punto quisiera abordar una idea, que valoro importante en el entendimiento del funcionamiento de la ciencia. El fin último del científico no es clasificar, según las características de una sustancia. Se considera relevante porque ayuda a organizar las ideas y mejorar la capacidad de análisis. La clasificación siempre es arbitraria y no es única, está sujeta a cambios siempre que se descubran nuevas características que permitan otra forma de catalogar. A esto llamamos nomenclatura.

Entonces, nos queda claro que la nomenclatura no es, de ninguna manera, conocimiento fundamental, pero es una herramienta para generar conocimiento. Dicho esto, entenderemos por qué la evolución de lo que clasificamos como elemento está relacionado con nuestra capacidad de observación o de responder preguntas a través de los experimentos. Por ejemplo, si las sustancias son capaces de transformarse unas en otras con propiedades muy diferentes, ¿estamos en presencia de componentes elementales?

Entre 1868 y 1870 el científico ruso Dimitri Mendeleev, hizo una clasificación ingeniosa de sustancias que se definían hasta el momento como elementales, y con ella predijo la existencia de otras. Organizó las sustancias en columnas según su peso atómico y las ubicó en filas según sus propiedades químicas4. Observó que había filas de elementos con propiedades similares que se repetían periódicamente en el peso. Así, se dio cuenta que había espacios en blanco donde posiblemente debía haber otros elementos. No tardaron en descubrirse el Galio, el Escandio y el Germanio, predichos por Mendeleev en su tabla. Sin embargo, sus observaciones tienen un alcance mucho más profundo. Sin saberlo, se dirigía hacia los lineamientos para clasificar los elementos según la estructura atómica que conocemos hoy.

El alto en este episodio histórico es relevante por la influencia del pensamiento mendeleevico en la física y la química moderna. El Modelo Estándar que describe las entidades subatómicas que capturamos todos los días en rayos cósmicos y colisionadores gigantes al rededor del mundo, es una especie de tabla periódica moderna.

Los bloques de la construcción

Entonces, para introducir el Modelo Estándar, nos ubicamos primero en el modelo atómico moderno, basado en la línea de los hallazgos del Electrón (Laboratorios Cavendish de la Universidad de Cambridge, por J. J. Thomson en 1897), de la existencia del núcleo (Rutherford en 1911), del Neutrón (James Chadwick en 1932), y en el desarrollo de la mecánica cuántica. En él, los 118 elementos conocidos están constituidos por un núcleo compuesto de protones (de carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga eléctrica), y electrones (carga eléctrica negativa) que se mantienen ligados al átomo, pero que ocupan una región del espacio que está separada del núcleo.

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Los elementos químicos se clasifican según su número de protones. Así, por ejemplo: el Hidrógeno tiene 1 protón y un electrón. El Helio tiene dos protones y dos neutrones en el núcleo, y dos electrones. El Oxígeno tiene 8 protones y 8 neutrones en el núcleo, y 8 electrones. El número de neutrones puede variar para el mismo elemento, pero no todas las variaciones son abundantes, éstas variaciones se  llaman “isótopos”.

Durante los años 60, un grupo de físicos del Acelerador Lineal de la Universidad de Stanford (SLAC), desarrolló un experimento que consistió de un cañón que disparaba electrones contra núcleos atómicos. Los datos de los resultados de estas colisiones arrojaron evidencia contundente de que tanto el protón como el neutrón no son partículas rígidas impenetrables, sino que guardan estructura interna accesible a la observación experimental.

Por otro lado, el hallazgo de los rayos cósmicos nos adentró en un mundo de conocimiento increíble, fue como caer el agujero de Alicia en el País de las Maravillas. La existencia de todo un reino de partículas con características similares a la del protón, el neutrón y el electrón nos sería revelado. En 1947, Cecil Powell y Giuseppe Occhialini durante sus experimentos de detección de rayos cósmicos en el monte Chacaltaya, Bolivia, fueron pioneros en el descubrimiento de una partícula con carga neutra pero con masa diferente al neutrón,  que llamaron Pión. A esto prosiguió el descubrimiento de una serie de partículas similares al protón y el neutrón. Estas partículas, incluyendo al protón y al neutrón se les denominó colectivamente como “Hadrones”.

En los años 60, Murray Gell-Mann, un físico teórico del Tecnológico de California (Caltech), tratando de dar sentido a toda esta gama de descubrimientos de nuevas partículas y de los resultados experimentales que mostraban una estructura subyacente en los protones y neutrones, propuso un modelo que incluía una nueva partícula elemental, constitutiva de todos los Hadrones, los llamó “Quarks”. El caprichoso Gell-Mann, amante también de las letras, eligió el nombre “Quark” inspirado en la novela “Finnegans Wake” de James Joyce, donde la palabra aparece representando a un graznido irreverente contra el rey Mark de Cornwall, personaje de la legendaria historia “Tristan e Isolda”. Murray Gell-Mann fue galardonado con el Premio Nobel de física en 1969 por este modelo. Hasta ahora solo hemos sido capaces de detectar a los Quarks indirectamente como estados ligados, es decir, en forma de Hadrones. Así, los protones están compuestos de 3 Quarks, dos de ellos son del mismo tipo (misma masa y carga eléctrica) y se llaman: Up y el otro, distinto, se llama: Down.

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Por otro lado, discernir sobre componentes básicos de la materia, es decir responder a la pregunta ¿de qué estamos hechos? va acompañado de otras preguntas no menos fundamentales. ¿Qué mantiene todo unido? ¿qué hace que exista un orden aparente que nos permite describir el Universo? ¿cuál es el origen de la acción a distancia? Son preguntas que aún no tienen respuesta. No obstante, por lo pronto, nuestros modelos usan el muy exitoso concepto de “fuerza”. Así, la acción a distancia entre cuerpos con masa está gobernada por la fuerza de gravedad; la de la materia con carga eléctrica por la fuerza electromagnética y, ya entrando en las profundidades del núcleo atómico, aparecen dos fuerzas más que son la “fuerte” y la “débil”. La fuerza fuerte mantiene la estructura del núcleo y la débil es la responsable de algunos procesos de decaimiento radiactivos capaces de transmutar un elemento en otro5.

Los hadrones se identifican como entidades capaces de participar en reacciones dominadas por la fuerza fuerte y la débil. Hasta la fecha se conocen más de 200 hadrones, se clasifican en bariones y mesones. Los bariones se componen de 3 quarks, ejemplos son el protón y el neutrón, y los mesones de 2, como el pión.

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Junto con los descubrimientos de los Hadrones y de sus componentes, los Quarks, durante la primera mitad del sigo XX, se descubrieron otras partículas que ampliaron el panorama. En 1932, Carl Anderson estudiando a los rayos cósmicos, descubrió la antimateria, predicha en la misma década por el físico Paul Dirac en su descripción cuántico-relativista del electrón. Así, por cada partícula elemental existe una antipartícula asociada, que esencialmente, tiene la misma masa pero carga eléctrica opuesta. En éste enlace encontraras una descripción mucho más amplia y precisa sobre la antimateria. En 1936, Carl Anderson y Seth Neddermeyer descubrieron el Muón, una partícula elemental que tiene las características de un electrón, pero cuya masa es 200 veces mayor. A éste conjunto de especies con características similares al electrón se les llama “Leptones”. En 1934, Wolfang Pauli propuso la existencia de otra partícula, muy diferente a las subatómicas observadas hasta el momento: el Neutrino. La propuesta resolvía un problema de conservación de cantidades físicas durante el decaimiento radiactivo beta. El neutrino fue capturado por primera vez en 1956 por Frederick Reines y colaboradores6. Reines fue galardonado con el premio Nobel de física en 1995. Los neutrinos participan en las reacciones débiles, no tienen carga eléctrica y su masa es muy pequeña. Estimados recientes muestran que la masa de los neutrinos no supera una millonésima parte de la del electrón.

Sabores y colores de la materia: la química del Modelo Estándar

Para la física contemporánea, los componentes fundamentales de la materia, hasta donde hay conocimiento sólido, son los quarks y los leptones. Se clasifican, segun su masa y estabilidad, en tres “Familias” o “Generaciones” de leptones y de quarks, y se dice que cada partícula es un Sabor o bien de Leptón o de Quark. Los sabores de los Leptones son: Electrón, Muón y Tau, y son acompañados por 3 neutrinos: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino taónico. Los sabores de los Quarks son: Up, Down, Charm, Strange, Top y Bottom (arriba, abajo, encanto, extraño, cima y fondo).

Una característica relevante que tienen estos componentes es que cumplen con el principio de exclusión de Pauli. Esto es, dado un conjunto de propiedades que puedo describir con mecánica cuántica o “números cuánticos”, las partículas que cumplen con el principio de exclusión de Pauli son aquellas que no pueden tener los números cuánticos idénticos en un sistema. Así por ejemplo, dos electrones en un átomo no pueden tener números cuánticos idénticos. A esta clase de entidad (que bien puede ser elemental o compuesta) se les denomina: Fermiones.

Bajo la lupa, a la escala de los quarks y leptones, el concepto de fuerza comienza a tomar un carácter diferente al del mundo macroscópico. En las teorías clásicas sobre la dinámica de los cuerpos, las fuerzas se representan matemáticamente usando el concepto de campo, mientras que la teoría que soporta la constitución de la materia, a escala subatómica, propone exitósamente7 que las fuerzas están mediadas por otras partículas, cuya característica común es que no cumplen con el principio de exclusión de Pauli y se les llama “Bosones de calibre”. De modo que los campos son, en realidad, chorros de partículas.  Entonces, un leptón o un quark interaccionan con otro leptón o quark bajo el intercambio de bosones de calibre.

La fuerza electromagnética está mediada por fotones (corpúsculos de luz). Tanto los leptones como los quarks pueden tener carga eléctrica, así que ambos pueden participar de interacciones electromagnéticas e intercambiar fotones.

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Mientras las cargas eléctricas son dos y están arbitrariamente clasificadas en signos: + y -, las de la fuerza fuerte son 3 y se clasifican en colores: “rojo”, “verde” y “azul”. Estos colores no están relacionados con ningún efecto visual ya que, a estas escalas, el concepto mismo de color no tiene sentido. Los bosones que se intercambian durante una interacción fuerte se llaman gluones y son 8 diferentes. Mientras los fotones no tienen carga eléctrica, los gluones si son capaces de sentir la fuerza fuerte e intercambiar otros gluones entre si.

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La fuerza débil (o electrodébil) es una interacción que, como fuerza nuclear involucra quarks y leptones. Un ejemplo de reacción débil es el decaimiento beta, que observamos en algunos elementos radiactivos. En la gráfica vemos el decaimiento beta, que ocurre por ejemplo cuando el Carbono (14) que tiene número atómico 6, es decir que tiene 6 protones, se convierte en Nitrógeno (14) que tiene número atómico 7, es decir, que tiene 7 protones.

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Las partículas de transmiten la fuerza débil son 3: W^+, W^- y Z^0. Los símbolos más,  menos y cero, denotan las cargas eléctricas: positiva, negativa y neutra, respectivamente. A diferencia de los fotones y gluones, éstas partículas W^+, W^- y Z^0 sí están dotadas de masa. También se han observado procesos que solo involucran leptones o solo quarks.

La siguiente tabla es un resumen del Modelo Estándar: los bloques de construcción de la materia y los corpúsculos que median las interacciones entre ellos.

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En todo este zoológico de entidades fundamentales y sus interacciones, que son detectados a diario en colisionadores y rayos cósmicos, aún nos falta por mencionar un protagonista que nació de la teoría para darle consistencia al Modelo Estándar: el Bosón de Higgs; pieza del rompecabezas que es, además, importante desde el punto de vista cosmogónico. Hasta donde hemos llegado a comprender, el Higgs es el responsable de la aparición de masa en el Universo. En este enlace encontraras una explicación detallada sobre el Bosón de Higgs.

Escalas de las interacciones, Modelo Estándar y Gravedad Cuántica

Te puede sorprender que la fuerza de gravedad, que es la más evidente en la vida cotidiana, no esté incluida en el Modelo Estándar. La razón es que es una fuerza tan débil que sus efectos a nivel del núcleo atómico no se han podido medir. Aún no existen datos experimentales que nos guíen hacia la una extensión del Modelo Estándar que incluya la gravedad. Sin embargo, teóricamente se espera que exista un bosón de calibre, llamado el “Gravitón”, que medie la fuerza de gravedad entre todas las partículas que tienen masa. También se predice que la distancia a la cual la fuerza de gravedad será evidente a nivel fundamental se llama la longitud de Planck y se estima usando una combinación de constantes fundamentales. El resultado es:  1.616 \times 10^{-35}m . Por comparación, el rango de la fuerza débil es de  10^{-18}m , mientras que el de la fuerte es de  10^{-15} m . En términos de energía, necesitaríamos colisionadores de partículas capaces de producir colisiones a  10^{19} GeV, esto es un 1 seguido de 19 ceros en las unidades de energía GeV. El “Colisionador Grande de Hadrones” (o LHC por sus siglas en inglés) del Centro Europeo de Investigación Nuclear, que es el más potente que se ha construido hasta ahora, solo es capaz de acelerar las partículas hasta 7000 GeV, este año se puso en marcha con un poder de hasta 14000GeV8.

En el futuro explicaré lo que en teoría se puede hallar más allá del Modelo Estándar y qué criterios teóricos y experimentales nos han llevado a tomar esos caminos. Esto incluye a la materia oscura, la energía oscura, la supersimetría, la teoría de cuerdas y gravedad cuántica.

  1. Russell, B., “Historia de la Filosofía Occidental”, Séptima edición, George Allen and Unwin Ltd, 1961.  []
  2. Una bonita referencia sobre la historia de la alquimia y la química es el maravilloso libro de Asimov que esta en linea en español en este enlace  []
  3. Gamow, G., “La teoría del núcleo atómico y fuentes de energía nuclear’‘, tercera edición, Oxford at the clarendon press, 1949. []
  4. esto significa, según sus reacciones con otras sustancias, en términos más prácticos: cómo se combinan entre ellas para formar diferentes compuestos []
  5. Físicamente, para que un elemento de la tabla periódica se convierta en otro, el número de protones tiene que variar. []
  6. “Detection of the Free Neutrino: A Confirmation”, C. L. Cowan, Jr., F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse and A. D. McGuire, Science 124, 103 (1956). []
  7. Aquí exitosamente significa “desde el punto de vista experimental ” []
  8. Literatura recomendada para profundizar en el tema de esta entrada: aquí, acá y los libros  Halzen, F. and Martin, A.D., “Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Physics”, Editorial John Wiley and sons; y  Shaw, G. and Martin, B.R., “Particle Physics”, Editorial John Wiley and sons []
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