Grandes ideas de la física 1

Si comparamos la visión de la naturaleza física imperante en 1970 con la de 1990, enseguida nos percataremos del tremendo giro. Aunque los años cincuenta y sesenta habían dado lugar a una multitud de datos experimentales sobre el mundo subatómico, solo después fue haciéndose la luz. El modelo estándar de la física de partículas quedó establecido a me-diados de los setenta. Su estructu-ra matemática se vio confirmada en 1983, cuando se descubrieron en el CERN las partículas media-doras de las interacciones débiles, los bosones W+, W– y Z0. El otro modelo estándar, el de la gran ex-plosión de la cosmología, quedó confirmado en 1992, cuando el sa-

télite COBE, de la NASA, detectó las anisotropías del fondo de mi-croondas, predicción estrella del modelo.

Los artículos seleccionados y reeditados para este número es-pecial, publicado con ocasión del vigésimo aniversario de la colec-ción Temas de InvesTIgacIón y cIencIa, constituyen un testimo-nio de primera mano de aquella época apasionante. Los textos de Kenneth Wilson, Yoichiro Nambu y Gerard ’t Hooft —premios nó-bel de física los tres— nos ofrecen una brillante introducción a los conceptos que se encuentran en la base del modelo estándar de la física de partículas. Por su parte, los artículos de Stephen Hawking,

Michael Green, Alan Guth y Paul Steinhardt nos abren la puerta a una serie de fenómenos físicos que aún no entendemos por completo y que siguen siendo objeto de una intensa investigación.

Nambu explica cómo los cons-tituyentes de los núcleos atómicos, los protones y los neutrones, es-tán a su vez formados por partí-culas aún más fundamentales, los quarks. En el momento en que es-cribe solo se conocían cuatro tipos de quark, llamados u (up, «arri-ba»), d (down, «abajo»), s (strange, «extraño») y c (charm, «encanto»). Hoy sabemos que existen otros dos más: el b (bottom, «fondo») y el t (top, «cima»), descubiertos respectivamente en 1977 y 1995. Los quarks se clasifican en tres parejas, (u , d), (c , s) y (t , b), de las cuales solo la primera es estable y da lugar a los núcleos de los áto-

mos. Las otras dos se desintegran con rapidez y no forman parte de la materia ordinaria.

Uno de los aspectos más pe-culiares de los quarks es que se hallan siempre «confinados»: no pueden producirse aislados en el laboratorio, sino que se obser-van solo agrupados en compues-tos mayores, como los protones. Nambu presenta con gran maes-tría algunas propuestas teóricas para comprender este fenómeno, que continúa siendo investigado en la actualidad. Una de las ideas aboga por entender el confina-miento como debido a la existen-cia de una «cuerda elástica» que mantendría unidos a los quarks. Con el tiempo, esa propuesta se-guiría su propio curso y evolucio-naría hasta dar lugar a la teoría de cuerdas, de la que Nambu fue también pionero.

PRE SENTACIÓN

Grandes físicos

y grandesdescubrimientos

Luis Ibáñez

Durante los años setenta y ochenta del pasado siglo, un cúmulo de nuevos resultados

en física fundamental cambió para siempre nuestra percepción del universo.

2 TEMAS 80

TH

INK

STO

CK

/ST

UD

IOM

1

Hoy en día contamos con una gran cantidad de indicios a favor del confinamiento, si bien aún ca-recemos de una demostración ma-temática rigurosa. Nambu no las tenía todas consigo, por lo que al final de su texto llega a decir: «Si una partícula no puede ser aislada u observada [...] ¿cómo sabremos nunca que existe?». La respuesta llegaría de la mano de los físicos experimentales, que durante los últimos 35 años han demostrado que los quarks dejan en los detec-tores una señal muy característica en forma de chorros de partículas, cuya distribución queda predicha con inusitada precisión por el mo-delo quark.

’t Hooft nos brinda una vi-sión más detallada del mundo subatómico más allá de los quarks. El modelo estándar incluye otras seis partículas de materia: los leptones, los cuales aparecen de nuevo en tres parejas, (e , ne), (m , nm) y (t , nt). Aquí e denota el elec-trón, que, junto con los proto-nes y los neutrones, da lugar a los átomos, responsables de toda la variedad química de la natu-raleza. Al igual que ocurre con los quarks, el electrón cuenta con dos réplicas inestables y más masivas, los leptones m y t. Los otros tres constituyentes elemen-tales de la materia son los neu-trinos, partículas con una masa extremadamente pequeña y que desempeñan un papel clave en la evolución estelar.

El modelo estándar describe todas las interacciones funda-mentales —menos la gravita-ción— mediante un formalismo compatible con los dos pilares básicos de la física moderna: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial. Sin embar-go, la formulación matemática de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas puso de ma-nifiesto la existencia de un nuevo principio: el de invariancia gauge, relacionado con las simetrías sub-yacentes a las leyes de la naturale-za. ’t Hooft explica brillantemente en su artículo en qué consiste di-cho principio y qué papel desem-peña en las leyes físicas.

En 1971, cuando realizaba su doctorado en la Universidad de Utrecht, ’t Hooft y su supervi-sor de tesis, Martinus Veltman, demostraron la consistencia ma-temática de las teorías gauge, un hito que en 1999 les granjearía el premio Nobel de física.

Al final de su artículo, escri-to en 1980, ’t Hooft enumera una

serie de preguntas que aún hoy continúan sin respuesta: ¿por qué las masas de las partículas ele-mentales son las que son?, ¿qué determina la masa del bosón de Higgs? Hace tres años, los físicos del Gran Colisionador de Hadro-nes (LHC) del CERN nos pro-porcionaron una magnífica pista al producir por primera vez dicha partícula. Su masa ha resultado ser unas 133 veces mayor que la del protón. ¿Por qué? No lo sabe-mos. ’t Hooft concluye su texto con una mención a algunas de las ideas propuestas para resolver ta-les cuestiones: las teorías de gran unificación (GUT, por sus siglas

en inglés), la supersimetría y la supergravedad.

Para comprender estos nuevos conceptos, así como la consisten-cia misma del modelo estándar, resultan fundamentales las ideas que Wilson desarrolló en los años setenta. Su artículo nos presen-ta una nueva técnica para tratar

problemas en los que intervienen múltiples escalas. Dicho méto-do, denominado grupo de renor-malización, es transversal, en el sentido de que puede aplicarse a sistemas muy distintos, desde aquellos que aparecen en física de materiales hasta las partículas y las interacciones elementales. Como el mismo Wilson aclara, «no es una teoría descriptiva de la naturaleza, sino un método ge-neral de construir teorías».

En su aplicación a la física de partículas, el grupo de renorma-lización nos ha enseñado que la intensidad de las interacciones fuertes, débiles y electromagné-

ticas varía con la energía a la que trabajemos. Gracias a esta técni-ca sabemos que las intensidades de las tres interacciones tienden a converger hacia un mismo valor a energías muy elevadas, un suge-rente indicio de la existencia de una teoría unificada.

Los avances de los años setenta condujeron a una descripción mi-croscópica de todas las interaccio-nes fundamentales menos una: la

gravedad. En la búsqueda de una teoría cuántica de la gravita-

ción, un laboratorio matemá-tico clave lo han proporciona-do las propiedades cuánticas de los agujeros negros.

En 1974, Hawking demos-tró que, al incorporar los efec-

tos de la mecánica cuántica, la descripción de los agujeros ne-gros nos obliga a introducir con-ceptos típicos de la termodinámi-ca, como temperatura y entropía. Y que los agujeros negros no lo son tanto, pues emiten radiación... de Hawking. En su artículo, el fí-sico explora esta fascinante co-nexión entre gravedad, termo-dinámica y mecánica cuántica, al tiempo que explica cómo el universo podría estar repleto de agujeros negros remanentes de la gran explosión.

El texto de Green nos ofrece una excelente introducción a la teoría de cuerdas, hoy por hoy, la candidata más sólida a una teoría cuántica de la gravitación. Dicha teoría reúne, además, las caracte-rísticas necesarias para unificar la gravedad con el resto de las interacciones. Incluye de manera natural las ideas que mencionaba ’t Hooft en su artículo (gran uni-ficación, supersimetría y super-gravedad) y las combina en una estructura matemática única.

El artículo de Green fue escri-to dos años después de la llamada «primera revolución» de la teoría de cuerdas. Esta llegó cuando, en 1984, Green y John Schwarz, del Instituto de Tecnología de California, demostraron que las supercuerdas podían combinar-se con teorías gauge del tipo de las requeridas por el modelo es-tándar. A partir de entonces, las supercuerdas se convertirían en

Grandes ideas de la física 3

el campo de estudio de una gran cantidad de físicos teóricos.

Ese esfuerzo colectivo condujo en 1995 a la «segunda revolución», detonada por el descubrimiento de que todas las teorías de cuerdas conocidas formaban parte de una estructura aún mayor, conocida como teoría M [véase «La teo-ría M», por Michael Duff; Inves-TIgacIón y cIencIa, abril de 1998, y «Unificación y dualidad en teo-ría de cuerdas», por Luis Ibáñez; InvesTIgacIón y cIencIa, agosto de 1998]. Los primeros esbozos de dicha teoría fueron expuestos por Edward Witten, del Instituto de Estudios Avanzados de Prince-ton, en un congreso celebrado en marzo de aquel año en la Universi-dad de California en Los Ángeles. Todos los que presentábamos allí nuestro trabajo quedamos mudos ante la belleza de sus resultados, basados en hallazgos dispersos a los que muchos habíamos contri-buido, pero con los que no había-mos sido capaces de ir más allá. Hoy, las supercuerdas y la teoría M siguen siendo objeto de una inten-

sa investigación que cada vez nos revela más aspectos sobre su sor-prendente estructura.

Aparte del problema de su uni-ficación con el resto de las inte-racciones, la gravedad desempeña un papel clave en la estructura y evolución del universo. La teoría de la gran explosión describe un universo en expansión, predice un fondo cósmico de radiación de microondas a una tempera-tura de 2,7 grados Kelvin y una abundancia de elementos quími-cos acorde con las observaciones astrofísicas.

En su versión tradicional, sin embargo, dicha teoría adolece de ciertas limitaciones. Para supe-rarlas, Guth propuso en 1980 la existencia de un breve período de expansión exponencial, o «in-flación», durante los primeros instantes del universo. Aquella hipótesis fue desarrollada en los años siguientes por investigadores como Andréi Linde, de Stanford, Andreas Albrecht, de la Univer-sidad de California en Davis, y Steinhardt. En su artículo, firmado

en 1984, Guth y Steinhardt expo-nen los fundamentos de este pilar de la cosmología moderna.

La teoría inflacionaria explica con gran elegancia el origen de las galaxias y predice la aparición de ciertas irregularidades en el fondo cósmico de microondas. Ambos efectos aparecen como consecuencia de las fluctuacio-nes cuánticas en el universo pri-mordial, las cuales se ven amplia-das hasta escalas cósmicas como consecuencia de la expansión in-flacionaria. Durante los últimos años, los satélites WMAP, de la NASA, y Planck, de la ESA, han medido con una precisión enor-me las anisotropías del fondo de microondas. Sus resultados son perfectamente compatibles con un universo inflacionario.

Algunos modelos de inflación cósmica predicen, además, un tipo

muy especial de irregularidades en el fondo de microondas lla-madas «perturbaciones tensoria-les». Su observación supondría un enorme espaldarazo para la teoría inflacionaria. En estos momentos, el satélite Planck y los experimen-tos BICEP y KECK, en el Polo Sur, están analizando con gran detalle el fondo de microondas a la búsqueda de tales fluctuaciones. La respuesta definitiva bien podría llegar dentro de poco.

Los artículos incluidos en este monográfico conservan toda su frescura original y nos dan un pa-norama de completa actualidad sobre la física de lo más pequeño y lo más grande. Los autores, al-gunos de los físicos teóricos más brillantes de las últimas décadas, han sido capaces de transmitir en ellos toda la belleza de la física fundamental. ¡Que lo disfruten!

Luis Ibáñez es catedrático de física teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM)

y miembro del Instituto de Física Teórica, de la UAM y el CSIC.

INVESTIGACIÓN Y CIENCIA

DIRECTORA GENERAL Pilar Bronchal Garfella DIRECTORA EDITORIAL Laia Torres CasasEDICIONES Anna Ferran Cabeza, Ernesto Lozano Tellechea, Yvonne Buchholz, Carlo Ferri PRODUCCIÓN M.a Cruz Iglesias Capón, Albert Marín Garau SECRETARÍA Purificación Mayoral Martínez ADMINISTRACIÓN Victoria Andrés Laiglesia SUSCRIPCIONES Concepción Orenes Delgado, Olga Blanco Romero

EDITA

Prensa Científica, S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (España) Teléfono 934 143 344 Fax 934 145 413 e-mail precisa@investigacionyciencia.es www.investigacionyciencia.es

ASESORAMIENTO Y TRADUCCIÓN

Ramón Pascual: Problemas físicos con muchas escalas de longitud, Supercuerdas; Pedro Pascual: El confinamiento de los quarks, Teorías gauge de las fuerzas entre partículas elementales; Enric Verdaguer: La mecánica cuántica de los agujeros negros; Luis Mas: El universo inflacionario

Copyright © 2015 Scientific American Inc., 75 Varick Street, New York, NY 10013-1917.

Copyright © 2015 Prensa Científica S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (España)

Reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción en todo o en parte por ningún medio mecánico, fotográfico o electrónico, así como cualquier clase de copia, reproducción, registro o transmisión para uso público o privado, sin la previa autorización escrita del editor de la revista. El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, así como el lo-gotipo correspondiente, son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aquí.

ISSN edición impresa: 1135-5662 Dep. legal: B-32.350-1995 ISSN edición digital: 2385-5673

Imprime Rotocayfo (Impresia Ibérica) Ctra. N-II, km 600 08620 Sant Vicenç dels Horts (Barcelona)

Printed in Spain - Impreso en España

DISTRIBUCIÓN

para España:LOGISTA, S. A.Pol. Ind. Pinares Llanos - Electricistas, 3 28670 Villaviciosa de Odón (Madrid) Tel. 916 657 158

para los restantes países:Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a

08021 Barcelona

PUBLICIDADNEW PLANNINGJavier Díaz SecoTel. 607 941 341jdiazseco@newplanning.es

Tel. 934 143 344 publicidad@investigacionyciencia.es

SCIENTIFIC AMERICAN

SENIOR VICEPRESIDENT AND EDITOR IN CHIEF Mariette DiChristina EXECUTIVE EDITOR Fred Guterl MANAGING EDITOR Ricki L. Rusting MANAGING EDITOR, ONLINE Philip M. Yam DESIGN DIRECTOR Michael Mrak SENIOR EDITORS Mark Fischetti, Josh Fischmann, Seth Fletcher, Christine Gorman, Gary Stix, Kate Wong ART DIRECTOR Jason Mischka MANAGING PRODUCTION EDITOR Richard Hunt

PRESIDENT Steven Inchcoombe EXECUTIVE VICE PRESIDENT Michael FlorekVICE PRESIDENT AND ASSOCIATE PUBLISHER, MARKETING AND BUSINESS DEVELOPMENT Michael Voss

PORTADA: Thinkstock/YuLi4ka

4 TEMAS 80

Grandes ideas de la física 5

Edición española deTEMAS de

Número 802o trimestre de 2015

GRANDES IDEAS DE LA FÍSICA6 PROBLEMAS FÍSICOS CON MUCHAS ESCALAS DE LONGITUD

Kenneth G. Wilson Sistemas físicos tan distintos como imanes y fluidos se parecen en que tienen fluctuaciones

de estructura a lo largo de una amplia variedad de tamaños. Se ha inventado un nuevo método

para explicarlos llamado grupo de renormalización.

26 EL CONFINAMIENTO DE LOS QUARKS Yoichiro Nambu ¿Por qué no se ha observado todavía esta clase de partículas elementales, que permiten explicar

tantas propiedades de las demás? Quizá se hallan retenidas en el interior de las otras partículas

por fuerzas características de su propia naturaleza.

40 TEORÍAS GAUGE DE LAS FUERZAS ENTRE PARTÍCULAS ELEMENTALES Gerard ’t Hooft Las fuerzas básicas de la naturaleza se describen ahora mediante teorías de esta clase.

Las propiedades de las fuerzas se deducen de simetrías o regularidades manifiestas

en las leyes de la física.

60 LA MECÁNICA CUÁNTICA DE LOS AGUJEROS NEGROS Stephen W. Hawking Los agujeros negros suelen definirse como regiones de las que nada, ni siquiera la luz,

puede escapar. Sin embargo, hay buenas razones para creer que las partículas sí salen,

en virtud del «efecto túnel».

68 SUPERCUERDAS Michael B. Green Si todas las partículas elementales se consideran cuerdas, aparece una teoría cuántica coherente

que explica las cuatro fuerzas fundamentales. Esta teoría podría transformar las ideas aceptadas

acerca del espacio y el tiempo.

82 EL UNIVERSO INFLACIONARIO Alan H. Guth y Paul J. Steinhardt De acuerdo con una nueva teoría cosmológica, el universo estaría inmerso en una región

del espacio mucho más amplia. Esta región registró un crecimiento extraordinario una fracción

de segundo después de la gran explosión inicial.