NO Estamos Hechos de Partículas
¿De qué estamos hechos?
¿De qué están hechas todas las cosas a nuestro alrededor?
Esta posiblemente sea una de las preguntas más antiguas del mundo, y, desde la comodidad
de nuestro mundo moderno, tenemos una respuesta fácil de tirar: las cosas están hechas de
átomos.
Si me apuras, alguien añadirá que los átomos están hechos de electrones, protones y neutrones,
hechos a su vez de quarks up y quarks down.
Incluso el listillo de turno también apuntará que todos estos objetos pueden estar formados
por cosas aún más pequeñas, pero que todavía no hemos descubierto.
En definitiva, estamos hechos por partículas, partículas subatómicas.
Y esta es la respuesta fácil que profesores, divulgadores y demás familia te daremos sin
mayor matización.
Sin embargo, esta imagen del mundo, tal y como la véis en pantalla es falsa.
¿Estamos hechos de partículas tal y como las entiende todo el mundo, como bolitas?
Rotundamente no.
Entonces, ¿por qué todo el mundo habla de ellas así?
En parte es porque los científicos cuando hablan entre ellos abusan un pelín del lenguaje;
cuando hablan de “partículas” en este contexto se refieren a una cosa muy distinta;
entre ellos se entienden.
Esto ha provocado que esta rama del conocimiento, la Física de las Cositas Más Pequeñas de
las que Estamos Hechos se llame Física de Partículas, aunque esas “partículas”
sean mucho más complejas de lo que aparenta el nombre.
Por otro lado, estamos nosotros, los educadores.
Como siempre, corrompiendo a las nuevas generaciones de científicos.
Y es que nuestro trabajo es duro: quieres que la gente entienda los alucinantes descubrimientos
que estamos viviendo (como fue el descubrimiento del Bosón de Higgs), pero a la vez no quieres
meterles a punta de pistola el equivalente a 9 asignaturas de matemáticas y 11 de física
para que entiendan tus ecuaciones.
No.
Muchas veces preferimos meter debajo de la alfombra ciertos detalles, detalles que la
final no aportarían nada a la explicación.
Así es acabamos hablando de bolitas que colisionan, bolitas que se repelen, bolitas que se rompen
en otras, etc Además así es más fácil de dibujar.
Pero eso se acabó.
Hoy os voy a pintar una imagen conceptual de cómo son realmente las “partículas”
que nos forman; un pequeño sketch de la base de la que parte la teoría más precisa creada
por el ser humano: la teoría cuántica de campos.
Y para eso nos hemos venido a una de las catedrales de la física de partículas.
Estoy muy contento de decir que estamos en el CERN, uno de los centros de investigación
más importantes del mundo.
Durante las próximas dos semanas vamos a estar por aquí danzando.
Visitaremos algunas de sus instalaciones, entrevistaremos a algunos de sus científicos
y os contaremos qué se cuece por aquí.
Pero eso lo veréis pronto.
Hoy toca sentar las bases primero.
Porque para entender de verdad de qué va la física partículas hay que darse cuenta
de que realmente es física de… ¿ondas?
Vale, vamos a preguntarnos esto: ¿podríamos estar hechos de ondas en vez de partículas?
Ondas, ya sabéis, una ola, el sonido, la luz...
Se esparcen por el espacio, se reflejan sobre superficies, incluso “bordean” obstáculos.
Ondas.
Un físico te daría varios motivos por los que no podemos estar hechos de algún tipo
de onda, pero uno de ellos seguro que sería que, a diferencia de nosotros, las ondas son
capaces de superponerse.
Una demostración sencilla: si produces dos vibraciones en un medio muy quieto verás
que cuando las ondas vayan a tocarse las dos interferirán en ese punto, pero después
cada una seguirá su camino tan panchas, como si se atravesaran la una a la otra.
Este es el motivo por el que podéis ver este cerdo perfectamente a la vez que también
podéis ver a esta oveja estupendamente desde la otra cámara.
Y es que los rayos de luz que rebotan sobre el cerdo y van hacia esta camara se están
cruzando aquí en medio con los que rebotan en la oveja y van a su cámara.
Si ambos rayos de luz sí que interactuaran entre ellos y no se atrevesaran como si nada,
lo más seguro es que estarías viendo una imagen alterada, influenciada por la de la
oveja.
No es el caso.
Es gracias a que los dos rayos no interactúan, no se modifican el uno al otro, que podéis
ver ambos como si nada pasara.
Conclusión: no parece que estemos hechos por ondas porque esto de la superposición
no se cumple en nuestras carnes.
Choco mis manos y colisionan, interactúan, justo como yo esperaría de una colección
de partículas, no se solapan como lo haría una onda.
Así que ¿asunto zanjado y estamos hechos de bolitas?
No del todo.
Porque resulta que hay ondas que sí pueden chocar.
Pensad en el mar, siempre identificamos las olas como ondas, pero cuando viene una ola
muy grande suele pasar que se acaba desmoranando.
Colapsa y se rompe en otras onditas más pequeñas.
¡Wat!
Eso es un decaimiento, un objeto rompiendose en varios.
Eso es algo que no le pasa a las ondas de las que estabamos hablando.
Y estas olas grandes siguen teniendo cosas raras: se sospecha que entre ellas pueden
interaccionar.
Tal vez hayáis visto este vídeo de Martí de CdeCiencia sobre la olas monstruo, gigantescos
muros de agua que se producen muy puntualmente.
Bien, pues una de las teorías es que estas olas monstruos se generan por estas interacciones.
No porque haya un solape de varias olas, sino gracias a que estas olas son capaces de chocar
entre ellas, y en esos choques se transfieren energía… Tal y como lo hacen las partículas.
Y esto no es exclusivo de los océanos.
En acústica tenemos cosas como las ondas de choque, que también acaban disipándose
en una especie de decaimiento y, por otro lado, la luz cuando se propaga en algunos
materiales muy específicos también hace cosas raras como interaccionar consigo misma.
Todas siguen siendo ondas: son vibraciones que se propagan por un medio, tienen frecuencias
asociadas… Pero no se comportan como esperaríamos.
Y esto tiene una explicación.
La razón es que las características habituales de una onda provienen de una aproximación:
que las perturbaciones que le estamos metiendo al medio al vibrar son muy pequeñitas, tanto
que cualquier medio elástico podemos pensar en él en términos de simples muellecitos
conectándolo todo.
Esto se llama el régimen lineal.
Ahora, empieza a meter ondas de las gordas, como una buena ola o una onda de choque, que
la aproximación de los muellecitos ya no funciona.
Has llegado a un punto en el que los detalles del medio elástico en concreto en el que
estás trabajando, están afectando a la onda.
Por ejemplo, cuando una ola se vuelve muy alta la gravedad le va a empezar a afectar.
Y en un medio material, si una onda electromagnética es muy intensa puede excitar a las cargas
que viven aquí dentro e influenciar a la onda que se está propagando.
Este momento en el que las reglas clásicas de las ondas se rompen y pueden exhibir comportamientos
de partícula se llama el régimen no lineal y, sorpresa, la no linealidad es en parte
la responsable de que el mundo material sea como es.
Los físicos llevaban toda la historia separando el Universo en dos grupos: la materia que
contiene y las fuerzas que la domina, las partículas por un lado y por otro las ondas
y los medios en las que se propagan, que llamamos campos.
Pero ¿y si las dos cosas caben debajo del mismo paraguas?
¿y si las partículas de las que estamos hechos se pueden explicar a través de un
campo?
Esta es una piedras fundacionales de la teoría cuántica de campos.
La idea de iniciación es esta: al igual que el campo electromagnético llena el Universo
y sirve de “medio” para que la luz se propague, el Universo también está lleno
por el campo del electrón.
Cada electrón que vemos en el Cosmos en una vibración, es una onda, que se propaga en
este campo.
Es una onda con un comportamiento altamente no lineal, lo que permite, al igual que las
olas grandes en el mar, que estas vibraciones hagan cosas que desde fuera interpretamos
como de partícula.
En realidad las razones por las que un electrón se comporta como un electrón son muchísimo
más complicada, que quede claro.
Pero esta es una idea natural que sugiere cómo las cosas de las que estamos hechos
pueden estar descritas por un campo.
Y sí, esto es aplicable a todas las partículas subatómicas que conocemos.
Los quarks que forman el núcleo atómico, los neutrinos… Todas tienen campos asociados
que llenan todo el Universo y, en esencia, lo que nosotros llamamos partículas, y dibujamos
como bolitas, son realmente las ondas que se propagan en estos campos.
Es más, todos estos campos tienen una cosa llama acoples.
Suponed que tenéis dos mallas elásticas diferentes.
Si las hacéis vibrar, ondas se propagan por la superficie de cada una, como es de esperar.
Pero ahora imaginad que, a través de muellecitos, conectais una malla con la otra.
Ahora las vibraciones que ocurran en una malla pueden pasar a la otra; como están conectadas,
lo que ocurra en una malla afecta a la otra.
Esta es una “imagen conceptual de juguete” que nos permite intuir cómo interactúan
partículas de distinto tipo.
Por ejemplo, por qué los gluones afectan al movimiento de los quarks, pero no afectan
al movimiento de los electrones.
Unos están acoplados, los otros no.
Podéis pensar en el Universo como un conjunto de campos conectados unos a otros en un patrón
preciso.
“Entonces, Crespo, ¿esto quiere decir que estamos efectivamente hechos por ondas y no
por partículas?”
Pues fíjate, si me preguntas a mi yo diría que tampoco.
Punto 1, porque no quiero que salgáis de este vídeo pensando que “claro todos somos
vibraciones y energía y estamos conectamos con el Universo...”, no, no, no, lo que
te acabo de contar es una idea hiper hiper simplificada de lo que es un campo para que
tengas algo a lo que agarrarte.
Si me tengo que poner a hablar de espinores, propagadores e integrales complejas acabamos
teniendo que llamar a tu madre para que te recoja.
Lo que quiero decir es que para hacer afirmaciones místicas sobre cuestiones científicos…
Primero hay que entender la ciencia en profundidad; no basta con lo que cuenten en un vídeo superficial
de divulgación.
Y, creedme en esto, la teoría cuántica de campos es extraordinariamente complicada y
llena de detalles, lo que me lleva al punto 2.
Esta imagen que os pintando de onditas haciendo cosas raras no está para nada completa.
Quitando el hecho de que las ondas que se propagan en los campos son no lineales, estos
campos además son cuánticos, obedecen las anti intuitivas reglas de la mecánica cuántica.
Viendo solo una de las facetas de lo que implica esto, los campos cuánticos pueden estar en
múltiples configuraciones al mismo tiempo, superpuestos en una cierta mezcla.
Os lo pongo así, si ya es complejo y exótico estudiar qué hace una sola partícula cuántico…
Imagina la que te ha caído encima cuando tienes que estudiar las infinitas que forman
un campo.
O sea es como “debería haber estudiado ADE”.
A esto se le suma otra cucharada de “vaya movida más rara”: los campos cuánticos
con los que suelen trabajar los físicos obeden también las reglas de la relatividad especial.
Dilatación temporal, la velocidad de la luz como límite, esa relación entre masa y energía…
Todo esto es el día a día de las vibraciones de los campos cuánticos, nada que nuestra
mente pueda procesar con facilidad, únicamente a través de las matemáticas.
Y podrías preguntaros, ok ¿cuántos de estos campos hay?
¿cuántos conforman la realidad que vemos?
Esta pregunta es sutil, y depende de cómo definas lo que es un campo y si separas distintas
propiedades en distintos campos o no, pero si asignas uno por partícula con su masa
y sus cositas tenemos: el electron y sus hermanos, los tres tipos de neutrinos, los seis quarks
cada uno con tres “colores” posibles, el fotón (el campo electromagnético), los
dos bosones W, el bosón Z, 8 tipos de gluones y el bosón de Higgs.
En total hacen 37 campos.
Pero… podría haber más.
Es esto lo que los físicos de partículas están buscando.
Estamos delante de uno de los detectores principales del Gran Colisionador de Hadrones, del LHC.
Gente, os presento a ATLAS.
Este mastodonte de aquí es un ojo, un ojo puesto en uno de los lugares en el que las
partículas que se aceleran en el LHC colisionan.
Lo que pretender observar ATLAS no es simplemente a los protones romperse en las partículas
que lo forman.
Lo que quieren ver es si surge algo nuevo.
Volviendo a la analogía de los muelles, lo que se pretende con el LHC y sus detectores
es generar dos olas tan tan grandes y tan tan potentes que cuando colisionen y sumen
sus energías sean capaz de “tirar” de un muelle nuevo, un muelle que conecta con
un campo que no conocemos, y que de ese tirón se produzca una partícula nueva.
El objetivo de lo que se hace aquí, es traer a la vida partículas que no se producen con
normalidad en nuestro mundo cotidiano y detectarlas, estudiar cómo son.
Y es que lo necesitamos, en física de partículas todavía hay varios problemas abiertos.
No se entiende porqué las partículas que conocemos tienen las masas que tienen, esa
jerarquía, si la materia oscura está formada por una partícula subatómica no se sabe
qué partícula es esa… De estos problemas y muchas más cosa hablaremos
en esta mini serie especial desde el CERN.
Pero antes tengo que enseñaros cómo funcionan las instalaciones que nos permiten despertar
partículas del mismo vacío, lo que veremos la semana que viene en el próximo vídeo.
Mientras aquí me quedo flipando con lo grande que es ATLAS.
Ya podría aprender CMS.
Pero antes, quería recordaos que seguimos en Flooxer comentando la ciencia de películas
y series.
Ya están disponibles los episodios de Mars Attacks y (ou boy) El Barco.
¡Tenéis el link en la descripción!
Y recuerda si quieres más ciencia solo tienes que suscribirte.
Y gracias por vernos.
