Frank Wilczek - Las diez claves de la realidad

En este apéndice he recogido breves comentarios sobre algunos materiales informativos que complementan el texto principal, pero parecían demasiado tangenciales al tema tratado o demasiado técnicos para el espíritu de este libro.

La masa desempeña un papel en dos aspectos del comportamiento de una partícula, pues rige tanto su inercia como su gravedad. La inercia de un cuerpo mide su resistencia a cambios en su movimiento. Así, un cuerpo con mucha inercia tenderá a seguir moviéndose a su velocidad actual salvo que se vea sometido a grandes fuerzas. La gravedad de una partícula es una atracción universal que ejerce sobre otras partículas. Cuanto mayor sea la masa de la partícula, mayor será su gravedad. Cada uno de los tipos de partículas elementales posee un valor definido de masa. Estos valores suelen ser distintos, y no parecen seguir ninguna pauta simple. Muchos físicos han intentado explicar los valores observados en las partículas elementales, pero nadie lo ha conseguido.

Algunas de las partículas más importantes, incluidos los fotones, los gluones y los gravitones, tienen masa cero. Eso no significa que no tengan inercia o que no ejerzan gravedad. De hecho, sí lo hacen. Permítaseme que explique esta paradoja, que, según mi experiencia, suele inquietar a quienes con más atención intentan entenderla.

La masa contribuye a la inercia y a la gravedad, pero no es el único factor que lo hace. En particular, una partícula en movimiento tiene más inercia, y ejerce más gravedad, que una partícula en reposo. De hecho, la teoría de la relatividad nos enseña que es la energía, no la materia, lo que controla la inercia y la gravedad. Para un cuerpo en reposo, energía y masa son proporcionales, según la famosa fórmula de Einstein, E = mc2, de modo que en este caso podemos expresar la inercia y la gravedad con cualquiera de las dos, indistintamente. Cuando un cuerpo se mueve despacio en relación con la velocidad de la luz, E = mc2 sigue siendo una buena aproximación, y no cometemos un error grave si decimos que la inercia y la gravedad son proporcionales a la masa.

Para un cuerpo cuya velocidad se acerca a la de la luz, en cambio, E = mc2 se desvía mucho. No es que Einstein se equivocase, sino que debe usarse una versión más general y sofisticada de la fórmula, también ideada por Einstein. La fórmula más general muestra que un fotón porta energía, y que por tanto tiene inercia y ejerce gravedad, pese a tener masa cero.

La carga eléctrica de una partícula gobierna la intensidad con la que participa en la fuerza electromagnética. Ya hemos explorado la naturaleza de esta fuerza en el texto principal. Aquí nos centraremos en la propia carga eléctrica como propiedad de las partículas elementales.

Hay en la carga eléctrica dos características que hacen que sea especialmente fácil y agradable trabajar con ella. La primera es que es aditiva, es decir, que para calcular la carga eléctrica total de un conjunto de objetos basta con sumar las cargas eléctricas de sus componentes. La segunda es que se conserva. Eso significa que la carga eléctrica total de una región aislada del espacio permanecerá siempre igual al margen de lo que suceda dentro de esa región. La carga puede cambiar si se introducen o extraen cosas, pero no si se reordenan o chocan unas con otras.

Las cantidades que son aditivas y se conservan encarnan la noción intuitiva de «sustancia». Suman y no se pierden. En un sentido muy literal, podemos contar con ellas.

Las cargas eléctricas de las partículas elementales siguen un patrón mucho más simple y más regular que sus masas. Muchas partículas elementales tienen carga eléctrica cero, y todas las cargas distintas de cero son cifras enteras múltiplos de una unidad común, algunas positivas, otras negativas.

La carga eléctrica de un cuerpo, como ya he dicho, rige la intensidad de su respuesta a los campos eléctricos y magnéticos. Hay otros dos tipos de carga, análogos en muchos sentidos a la carga eléctrica, que desempeñan un papel parecido en las otras interacciones fundamentales. Son la carga de color y la carga débil.

La carga de color de un cuerpo gobierna la intensidad de su respuesta a los campos de gluones. Me gusta decir que la carga de color es como la carga eléctrica, pero con esteroides. La unidad de carga de color, que gobierna la intensidad de la fuerza fuerte, es mayor que la unidad de la carga eléctrica (es decir, la carga del electrón). Eso es lo que hace fuerte a la fuerza fuerte. No solo eso, sino que hay tres tipos de carga de color y ocho tipos de gluones que responden a ella, a diferencia de un solo tipo de carga eléctrica y de fotón.

En conjunto, el sistema de ecuaciones que gobierna la fuerza fuerte, que se conoce como cromodinámica cuántica (CDC), es una versión mayor y más simétrica de las ecuaciones de Maxwell, que rigen la electrodinámica cuántica (EDC), la teoría moderna del electromagnetismo. La CDC es la EDC con esteroides.

La carga débil se presenta en dos tipos, y su unidad es ligeramente mayor que la unidad de carga eléctrica. La significación física de la carga débil solo se muestra con claridad en el contexto de las ideas en torno al condensado de Higgs, que se comentan en el capítulo 8.

Lo que he llamado partículas de cambio son de dos tipos. Los bosones W y Z, y el bosón de Higgs, son unas cien veces más pesados que los protones. Además, son muy inestables. Estos dos hechos —peso e inestabilidad— implican que son partículas difíciles de producir y que son transitorias. Su producción y detección fue un gran logro de los aceleradores de alta energía de décadas recientes. Los neutrinos son muy ligeros y básicamente estables, pero interactúan de manera muy débil con la materia común (es decir, la que está hecha de las partículas de construcción). El siguiente cuadro es paralelo al que hemos presentado en el texto principal para las partículas de construcción:

Aunque no son ingredientes significativos de la materia común, estas partículas desempeñan un papel crucial en el mundo natural. Están involucradas en procesos de transformación: la llamada interacción débil, o fuerza débil. En el mundo natural, la fuerza débil aparece implicada en los procesos que mueven las placas tectónicas y alimentan las estrellas. También hace posible los reactores nucleares y las armas nucleares.

Hay tres clases de neutrinos que se distinguen por su masa y por interacciones levemente distintas. Todos son muy ligeros. Tal como se indica en la tabla, su masa no es más que una minúscula fracción de la del electrón, pero en al menos dos casos (y probablemente en los tres) no es cero. Como tienen carga eléctrica cero y carecen de carga de color, los neutrinos solo interactúan de forma muy débil con la materia común, y eso hace que sean muy difíciles de estudiar. Cuando Wolfgang Pauli propuso, por razones teóricas, la existencia de los neutrinos, no escribió un artículo científico al uso, sino que envió una carta jocosa a un congreso de físicos nuclear que incluía el siguiente reproche contra sí mismo: «Hoy he hecho algo terrible al proponer una partícula que no puede detectarse, algo que nunca debería hacer un teórico».

Pero los experimentadores aceptaron el ambiguo desafío de Pauli construyendo y dotando de instrumentos unos gigantescos detectores. En la actualidad, la física de los neutrinos es una pujante actividad experimental que, entre otras cosas, nos permite atisbar en el núcleo del Sol y en las violentas transformaciones que impulsan las explosiones de supernovas.