HISTORIA DEL TIEMPO
(Del Big Bang a los Agujeros Negros)
Stephen Hawking
Capítulo 5: LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS
FUERZAS DE LA NATURALEZA (Páginas 93 –
100)
Aristóteles creía que toda la materia del
universo estaba compuesta por cuatro elementos básicos. Tierra, aire, fuego y
agua. Estos elementos sufrían la acción de dos fuerzas: la gravedad o tendencia
de la tierra y del agua a hundirse, y la ligereza o tendencia del aire y del
fuego a ascender.
También creía Aristóteles que la materia era
continua, es decir, que un pedazo de materia se podía dividir sin límite en
partes cada vez más pequeñas. Sin embargo, unos pocos sabios griegos, como
Demócrito, sostenían que la materia era inherentemente granular y que todas las
cosas estaban constituidas por un gran número de diversos tipos deferentes de
átomos. En 1803, el químico y físico británico John Dalton señaló que el hecho
de que los compuestos químicos siempre se combinaran en ciertas proporciones
podía ser explicado mediante el agrupamiento de átomos para formar otras
unidades llamadas moléculas. Einstein, en un artículo escrito en 1905 señaló
que el fenómeno conocido como movimiento browniano –el movimiento irregular,
aleatorio de pequeñas partículas de polvo suspendidas en un líquido- podía ser
explicado por el efecto de las colisiones de los átomos del líquido con las
partículas de polvo.
En aquella época ya había sospechas de que los átomos
no eran, después de todo, indivisibles. J.J. Thomson, había demostrado la
existencia de una partícula material llamada electrón, que tenía una masa menor
que la milésima parte de la masa del átomo más ligero. En 1911, el físico
británico Ernest Rutherford mostró, finalmente, que los átomos de la materia
tienen verdaderamente una estructura interna: están formados por un núcleo
extremadamente pequeño y con carga positiva, alrededor del cual gira un cierto
número de electrones.
Al principio se creyó que el núcleo del átomo estaba
formado por electrones y cantidades diferentes de una partícula con carga
positiva llamada portón, se creía que era la unidad fundamental de la que
estaba hecha la materia. En 1932, James Chadwick, descubrió que el núcleo contenía
otras partículas, llamadas neutrones que tenían casi la misma masa que el
protón, pero que no poseían carga eléctrica.
Hasta hace veinte años, se creía que los
protones y los neutrones eran partículas “elementales” pero en realidad,
estaban formados por partículas más pequeñas. Estas partículas fueron llamadas
quarks por el físico Murray Gell-Mann.
Existe un cierto número de variedades
diferentes de quarks: se cree que hay como mínimo seis.
Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los
protones y neutrones, dentro de ellos, son indivisibles. Así la cuestión es:
¿cuáles son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con los
que todas las cosas están hechas? La mecánica cuántica nos dice que todas las
partículas son en realidad ondas, y que cuanto mayor es la energía de una
partícula, tanto menos es la longitud de onda de su onda correspondiente. Así,
la mejor respuesta que se puede dar a nuestra pregunta depende de lo alta que
sea la energía que podamos comunicar a las partículas, porque ésta determina lo
pequeña que ha de ser la escala de longitudes a la que podemos mirar. Estas
energías de las partículas se miden normalmente en una unidad llamada
electrón-voltio. Sabemos que las partículas que se crían “elementales” hace
veinte años, están de hecho, constituidas por partículas más pequeñas. ¿Pueden
ellas, conforme obtenemos energías todavía mayores, estar formadas por
partículas aún más pequeñas? Esto es ciertamente posible, pero tenemos algunas
razones teóricas para creer que poseemos, o estamos muy cerca de poseer, un
conocimiento de los ladrillos fundamentales de la naturaleza.
Todo en el universo, incluyendo la luz y la
gravedad, puede ser descrito en términos de partículas. Estas partículas tienen
una propiedad llamada espín. Un modo de imaginarse el espín es representando a
las partículas como pequeñas peonzas girando sobre su eje. Sin embargo, esto
puede inducir a error, porque la mecánica cuántica nos dice que las partículas
no tienen ningún eje bien definido. Lo que nos dice realmente l espín de una
partícula es cómo se muestra la partícula desde distintas direcciones. Existen
partículas que no parecen las mismas si uno las gira justo una vuelta: ¡hay que
girarlas dos vueltas completas!
Todas las partículas conocidas del universo se
pueden dividir en dos grupos: partículas de espín 1/2, las cuales forman la
materia del universo, y las partículas de espín 0, 1 y 2, las cuales dan lugar
a las fuerzas entre las partículas materiales. Las partículas materiales
obedecen a lo que se llama el principio de exclusión de Pauli que dice que dos
partículas similares no pueden existir en el mismo estado, es decir, que no
pueden tener ambas la misma posición y la misma velocidad, dentro de los
límites fijados por el principio de incertidumbre. El principio de exclusión es
crucial porque explica por qué las partículas materiales no colapsan a un
estado de muy alta densidad, bajo la influencia de las fuerzas producidas por
las partículas de espín 0, 1 y 2. Si el mundo hubiera sido creado sin el
principio de exclusión, los quarks no formarían protones y neutrones
independientes bien definidos. Ni tampoco éstos formarían, junto con los electrones,
átomos independientes bien definidos. Todas las partículas se colapsarían
formando una “sopa” densa, más o menos uniforme.
En 1928 una teoría satisfactoria fue propuesta por
Paul Dirac que fue la primera que era a la vez consistente con la mecánica
cuántica y con la teoría de la relatividad especial. Explicó matemáticamente
por qué el electrón tenía espín 1/2, es
decir, por qué no parecía lo mismo si se giraba sólo una vuelta completa. Pero
sí que lo hacía si se giraba dos vueltas. También predijo que el electrón
debería tener una pareja: el antielectrón o positrón (descubierto en 1932). Hoy
en día sabemos que cada partícula tiene su antipartícula, con la que puede
aniquilarse. Podrían existir antimundos y antipersonas enteros hechos de
antipartículas. Pero, si se encuentra usted con su antiyó, ¡no se dé la mano! Ambos desaparecerían en un gran
destello luminoso.
Una partícula material, tal como un electrón o
un quark, emite una partícula portadora de fuerza. El retroceso producido por
esta emisión cambia la velocidad de la partícula material. La partícula
portadora de fuerza colisiona después con otra partícula material y es absorbida.
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