Capítulo 5: LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS
FUERZAS DE LA NATURALEZA (Páginas 107- 113)
La más interesante de ellas es la predicción de
que los protones, que constituyen gran parte de la masa de la materia
ordinaria, pueden decaer espontáneamente en partículas más ligeras, tales como
antielectrones. En la energía de la gran unificación no existe ninguna
diferencia esencial entre un quark y un antielectrón. La posibilidad de
desintegración espontánea del protón no se puede medir experimentalmente.
Ningún experimento ha producido una evidencia
definitiva sobre el decaimiento del protón o del neutrón. La vida media del
protón debe ser mayor de diez millones de billones de billones de años (1 con
treinta y un ceros).
Aunque es muy difícil observar el decaimiento
espontáneo de protones, puede ser que nuestra propia existencia sea un a
consecuencia del proceso inverso, la producción de protones, o más simplemente
de quarks, a partir de un situación inicial en la que no hubiese más que quarks
y antiquarks, que es la manera más natural de imaginar que empezó el universo.
La materia de la Tierra está formada principalmente por protones y neutrones,
que a su vez están formados por quarks. No existen antiprotones o
antineutrones, hechos de antiquarks, excepto unos pocos que los físicos
producen en grandes aceleradores de partículas. En la materia de nuestra galaxia no hay antiprotones o antineutrones, a
parte de unos pocos que se producen como pares partícula/antipartícula en
colisiones de altas energías. Si hubiera extensas regiones de antimateria en
nuestra galaxia, esperaríamos observar grandes cantidades de radiación
proveniente de los límites entre las regiones de materia y antimateria.
No tenemos evidencia directa de si en otras
galaxias la materia está formada por protones y neutrones o por antiprotones y
antineutrones, pero tiene que ser o lo uno o lo otro; no puede haber una mezcla
dentro de una misma galaxia, porque en ese caso observaríamos de nuevo una gran
cantidad de radiación producida por las aniquilaciones. Por tanto creemos que
todas las galaxias están compuestas por quarks en vez de por antiquarks; parece
inverosímil que algunas galaxias fueran de materia y otras de antimateria.
¿Por qué debería haber tantísimos más quarks
que antiquarks? ¿Por qué no existe el mismo número de ellos? Es ciertamente una
suerte para nosotros que sus cantidades sean desiguales porque, si hubieran
sido las mismas, casi todos los quarks y antiquarks se hubieran aniquilado
entre sí en el universo primitivo y hubiera quedado un universo lleno de
radiación, pero apenas nada de materia. No habría habido entonces ni galaxias,
ni estrellas, ni planetas sobre lso que la vida humana pudiera desarrollarse. Hubo
un tiempo, en los primeros instantes del universo, en que éste estaba tan
caliente que las energías de las partículas eran tan altas que estas
transformaciones (quarks en antielectrones, antiquarks en electrones y de
electrones y antielectrones en atiquarks y quarks) podrían tener lugar. ¿Pero
por qué debería esto suponer la existencia de más quarks que antiquarks? La
razón es que las leyes de la física no son exactamente las mismas para
partículas que para antipartículas.
Hasta 1956, se creía que las leyes de la física
poseían tres simetrías independientes llamadas C, P, y T. La simetría C
significa que las leyes son las mismas para partículas y para antipartículas.
La simetría P implica que las leyes son las mismas para una situación
cualquiera y para su imagen especular )la imagen especular de una partícula
girando hacia la derecha es la misma partícula, girando hacia la izquierda). La
simetría T significa que si se invirtiera la dirección del movimiento de todas
las partículas y antipartículas, el sistema volvería a ser igual a como fue
antes: en otras palabras, las leyes son las mismas en las direcciones hacia
delante y hacia atrás del tiempo.
En 1956, dos físicos norteamericanos, Tsung-Dao
Lee y Chen Ning Yang, sugirieron que la fuerza débil no posee de hecho la
simetría P. En otras palabras, la fuerza débil haría evolucionar el universo de
un modo diferente a como evolucionaría la imagen especular del mismo. Encontraron
también que la fuerza débil no poseía la simetría C. Es decir, un universo
formado por antipartículas se comportaría de manera diferente al nuestro. Sin
embargo, parecía que la fuerza débil sí poseía la simetría combinada CP. Es
decir, el universo evolucionaría de la misma manera que su imagen especular si,
además, cada partícula fuera cambiada por su antipartícula. Sin embargo, en
1964 dos norteamericanos más, J. W. Cronin y Val Fitch, descubrieron que ni
siquiera la simetría CP se conservaba en la desintegración de ciertas partículas
llamadas mesones-K.
Existe un teorema matemático según el cual cualquier
teoría que obedezca a la mecánica cuántica y a la relatividad deber siempre
poseer la simetría combinada CPT. En otras palabras, el universo se tendría que
comportar igual si se reemplazaran las partículas por antipartículas, si se
tomara la imagen especular y se invirtiera la dirección del tiempo. Pero Cronin y Fitch probaron que si se reemplazaban
las partículas por antipartículas y se tomaba la imagen especular, pero no se
invertía la dirección del tiempo, entonces el universo no se comportaría igual.
Las leyes de la física tienen que cambiar, por lo tanto, si se invierte la
dirección del tiempo: no poseen, pues, la simetría T.
Ciertamente, el universo primitivo no posee la
simetría T: cuando el tiempo avanza, el universo se expande; si el tiempo
retrocediera, el universo se contraería. Y dado que hay fuerzas que no poseen
la simetría T, podría ocurrir que, conforme el universo se expande, estas
fuerzas convirtieran más antielectrones en quarks que electrones en atiquarks.
Entonces, al expandirse y enfriarse el universo, los antiquarks se aniquilarían
con los quarks, pero como habría más quarks que antiquarks, quedaría un pequeño
exceso de quarks, que son los que constituyen la materia que vemos hoy en día y
de la que estamos hechos. Así, nuestra propia existencia podría ser vista como
una confirmación de las teorías de gran unificación, aunque sólo fuera una
confirmación únicamente cualitativa.
Las teorías de gran unificación no incluyen a
la fuerza de la gravedad. Lo cual no importa demasiado, porque la gravedad es
tan débil que sus efectos pueden normalmente ser despreciados cuando estudiamos
partículas o átomos. Sin embargo, el hecho de que sea a la vez de largo alcance y siempre atractiva
significa que sus efectos se suman. Así, para un número de partículas
materiales suficientemente grande, las fuerzas gravitatorias pueden dominar
sobre todas las demás. Por ello, la gravedad determina la evolución del universo.
Incluso para objetos del tamaño de una estrella, la fuerza atractiva de la
gravedad puede dominar sobre el resto de las fuerzas y hacer que la estrella se
colapse.
--- (Siguiente capítulo: Los Agujeros Negros)
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