MIÉRCOLES DE LIBRO (HISTORIA DEL TIEMPO (Del Big Bang a los Agujeros Negros) Stephen Hawking

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.

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MARTES LABRANTE (Del Labrantío de mis Citas)

LUNES DE CHISTE (Clasificación A)

1- Lengüario, médico iridólogo, después de examinar largamente a través de un aparato la pupila de su paciente le dijo: “El examen de su iris me revela que tiene usted arterioesclerosis, insuficiencia cardíaca, hepatitis, inflamación pulmonar; problemas en las vías urinarias, cefalea y callos”. “¡Qué barbaridad! -exclamó el paciente con admiración-. Si todo eso me encontró usted viéndome el ojo de vidrio, ¡qué no encontrará ahora que me examine el ojo bueno!”...

2- Empédocles Etílez llegó a su casa en horas de la madrugada. Venía, como de costumbre, más ebrio que una cuba. Que una cuba ebria, se entiende. Al subir por la escalera que conducía a su recámara empezó a hacer un ruido endemoniado. Desde la alcoba, doña Resignación, su esposa, le preguntó, molesta: “¿Qué haces?”. Respondió el temulento: “Estoy tratando de subir dos cajas de cerveza”. “No hagas tanto ruido -lo conminó la mujer-. Súbelas mañana”. “No puedo -replicó el beodo-. Ya me las tomé”...

3- Doña Jodoncia se enfureció contra don Martiriano, su esposo, porque estaba viendo en la tele un concurso de belleza. Hecha una anfisbena empezó a perseguirlo esgrimiendo un enorme rodillo de cocina. El infeliz salió corriendo de la casa para salvarse de las iras de su tremenda consorte, pero ella continuó la persecución en la calle. Sucedió que cerca de ahí se había instalado un circo. El lacerado vio una jaula en la cual estaban un león, un tigre, una pantera, un leopardo, un puma y un jaguar. Don Martiriano prefirió correr el riesgo de estar en tan dura compañía que el peligro de hacer frente a la ignívoma cólera de su mujer, y apresuradamente se metió en la jaula de las fieras. Llegó doña Jodoncia y le gritó indignada: “¡Sal de ahí, cobarde!”...

SÁBADO DE MISCELÁNEA

VIERNES DE PUNTACHO

   Interrumpió el cotidiano idilio de la muchacha y los tipos. Secretaria y máquina tuvieron un breve descanso. El hombre había estado preso minutos antes. Tenía un recado para ella. Era el de otro preso compañero que le suplicó preguntara y buscara a un hombre barbado y seco. Que le urgía hablar con él, ya que era el único que podía ayudarlo. El hombre, delante de ella, le dijo que ahí le dejaba ese recado pues tenía miedo le fuera a pasar lo mismo.

Al salir de su trabajo, por la tarde, ella se paró en la esquina del mercado. Veía para todos lados. Sabía de un hombre con esas características pero que se aparecía en la ciudad sin periodicidad y en breve tiempo. Nadie sabía cuándo, a qué hora o dónde, sólo aparecía. Y apareció justo en ese instante el hombre de barba ancha, más ancha que su cuerpo. Ella, suponiendo que él era el preguntado, como pudo se dio a entender, pues era extranjero y le habló de aquél preso que lo buscaba. El hombre posó su mano sobre la cabeza de ella y asintió con serenidad luego.

Al día siguiente, muy por la mañana, llegó hasta el rincón de ese diario amorío, un hombre escarnecido y sollozante. Le dio las gracias porque supo que ella había contactado al ermitaño. Le platicó que había llegado el religioso y le contó su miedo. Que él era inocente, pero no obstante, los gendarmes lo habían golpeado y dejándolo medio muerto, lo amenazaron que vendrían al otro día temprano, para rematar su otra mitad desfallecida. Él, lo había escuchado con paciencia pues dejó que terminara su historia, a pesar de que, le dijo el sacerdote, ya sabía su historia, y poniendo su mano en su cabeza le dijo que iba a rezar, que no se preocupara, que los verdugos no vendrían, y él, a esa hora, estaría ya fuera. Y se fue sin decir más palabra. Y así sucedió.

Le dijo el hombre a la secretaria: “Gracias por encontrar al Padre”. -Ella respondió- “Después de haberlo escuchado a usted, señor, estoy segura que, a ese hombre de Dios, yo no lo he encontrado. Estoy segura que él me vino a buscar a mí para encontrarlo usted”.

Yo, seguro estoy, que el ermitaño, desde la piedra de su reclinatorio, balbuceó entre sus rezos y sacrificios diarios: "Dios es el que nos ha buscado"

-Acrela-

GLOSARIO:

- RECLINATORIO: Mueble acomodado para arrodillarse y orar.

JUEVES DE PLUMA AJENA (Del Refranero Popular)

MIÉRCOLES DE LIBRO: HISTORIA DEL TIEMPO -Del Big Bang a los Agujeros Negros- Stephen Hawking

HISTORIA DEL TIEMPO

(Del Big Bang a los Agujeros Negros)

Stephen Hawking

Capítulo 5: LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA  (Páginas 100- 107)

Las partículas portadoras de fuerza no obedecen el principio de exclusión. Esto significa que no existe un límite al número de partículas que se pueden intercambiar, por lo que pueden dar lugar a fuerzas muy intensas. No obstante, si las partículas portadoras de fuerza poseen una gran masa, será difícil producirlas e intercambiarlas a grandes distancias. Así las fuerzas que ellas transmiten serán de corto alcance. Se dice que las partículas portadoras de fuerza que se intercambian entre sí las partículas materiales, son partículas virtuales porque, al contrario que las partículas “reales”, no pueden ser descubiertas directamente por un detector de partículas. Cuando un electrón se cruza con otro, se pueden producir fotones reales, que detectamos como ondas luminosas.

Las partículas portadoras de fuerza se pueden agrupar en cuatro categorías, de acuerdo con la intensidad de la fuerza que trasmiten y con el tipo de partículas con las que interactúan. Esta división en cuatro clases es una creación artificiosa del hombre. La mayoría de los físicos esperan encontrar una teoría unificada que explicará las cuatro fuerzas, como aspectos diferentes de una única fuerza. En verdad, muchos dirían que éste es el objetivo principal de la física contemporánea. Recientemente, se han realizado con éxito diversos intentos de unificación de tres de las cuatro categorías de fuerza.

La primera categoría es la fuerza gravitatoria. Esta fuerza es universal, en el sentido de que toda partícula la experimenta, de acuerdo con su masa o energía. La gravedad es la más débil, con diferencia, de las cuatro fuerzas; es tan débil que no la notaríamos en absoluto si no fuera por dos propiedades especiales que posee: puede actuar a grandes distancias, y es siempre atractiva. La fuerza gravitatoria entre el sol y la Tierra se atribuye al intercambio de gravitones entre las partículas que forman estos dos cuerpos. Aunque las partículas intercambiadas son virtuales, producen ciertamente un efecto medible: ¡hacen girar a la Tierra alrededor del Sol! Los gravitones reales constituyen lo que los físicos clásicos llamarían ondas gravitatorias que son muy débiles, y tan difíciles de detectar que  aún no han sido observadas.

La siguiente categoría es la fuerza electromagnética, que interactúa con las partículas cargadas eléctricamente, como los electrones y los quarks, pero no son las partículas sin carga, como los gravitones. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria: la fuerza electromagnética entre dos electrones es aproximadamente un millón de billones de billones de billones (un 1 con 42 ceros detrás) de veces mayor que la fuerza gravitatoria. Sin embargo, hay dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa. La fuerza entre dos cargas positivas es repulsiva, al igual que la fuerza entre dos cargas negativas, pero la fuerza es atractiva entre una carga positiva y una negativa. Un cuerpo grande, como la Tierra o el Sol, contiene prácticamente e mismo número de cargas positivas y negativas. Así, las fuerzas atractiva y repulsiva entre las partículas individuales casi se cancelan entre sí, resultando una fuerza electromagnética  neta muy débil. Sin embargo, a distancias pequeñas, típicas de átomos y moléculas, las fuerzas electromagnéticas dominan. La atracción electromagnética entre los electrones cargados negativamente y los protones del núcleo cargados positivamente hace que los electrones giren alrededor del núcleo del átomo, igual que la atracción gravitatoria hace que la Tierra gire alrededor del Sol. La atracción electromagnética se representa causada por el intercambio de un gran número de partículas virtuales sin masa de espín 1, llamadas fotones. De nuevo, los fotones que son intercambiados son partículas virtuales. No obstante, cuando un electrón cambia de una órbita permitida a otra más cercana al núcleo, se libera energía emitiéndose un fotón real, que puede ser observado con luz visible por el ojo humano, siempre que posea la longitud de onda adecuada, o por un detector de fotones, tal como una película fotográfica. Igualmente, si un fotón real colisiona con un átomo, puede cambiar a un electrón de una órbita cercana  al núcleo a otra más lejana. Este proceso consume la energía del fotón, que, por lo tanto, es absorbido.

La Tercera categoría es la llamada fuerza nuclear débil, que es la responsable de la radioactividad. La fuerza nuclear débil no se comprendió bien hasta 1967, en que Abdus Salam y Steven Weinberg, propusieron una teoría que unificaba esta interacción con la fuerza electromagnética, de la misma manera que Maxwel había unificado la electricidad y el magnetismo unos cien años antes. Sugirieron que además del fotón había otras tres partículas de espín 1, conocidas colectivamente como bosones vectoriales masivos, que transmiten la fuerza débil. La teoría de Weinberg-Salam propone una propiedad conocida como ruptura de simetría espontánea, es decir, que lo que, a bajas energías, parece ser un cierto número de partículas totalmente diferentes es, en realidad, el mismo tipo de partícula, sólo que en estados diferentes. A altas energía todas estas partículas se comportan de manera similar.

A energías más bajas, que se dan en la mayoría de  las situaciones normales, esta simetría entre las partículas se rompería. Sheldon Glashow, había sugerido una teoría similar de unificación de las fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles.

La cuarta categoría de fuerza es la interacción nuclear fuerte, que mantiene a los quarks unidos  en el protón y el neutrón, y a los protones y neutrones juntos en los núcleos de los átomos. La interacción nuclear posee una curiosa propiedad llamada confinamiento: siempre liga a las partículas en combinaciones tales que el conjunto total no tiene color. No se puede tener un único quark aislado porque tendría un color. Tales combinaciones forman las partículas conocidas como mesones, que son inestables porque el quark y el antiquark se pueden aniquilar entre sí, produciendo electrones y otras partículas.

Existe otra propiedad de la interacción nuclear fuerte, llamada libertad asintótica, que hace que los conceptos de quark y de gluón estén bien definidos. A energías normales, la interacción nuclear fuerte es verdaderamente intensa y une a los quarks entre sí fuertemente. Sin embargo, experimentos realizados con grandes aceleradores de partículas indican que  a altas energías la interacción fuerte se hace mucho menos intensa, y los quarks y los gluones se comportan casi como partículas libres.

La idea básica de las TGU (Teorías de gran unificación) es la siguiente: la interacción nuclear fuerte se hace menos intensa a altas energías; por el contrario, os fuerzas electromagnéticas y débiles, que no son asintóticamente libres, se hacen más intensas a altas energías. A determinada energía muy alta, llamada energía dela gran unificación, esas tres fuerzas deberían tener todas la misma intensidad y sólo ser, por tanto, aspectos diferentes  de una única fuerza. Las TGU predicen, además, que a esta energía las diferentes partículas materiales de espín ½ como los quarks y los electrones, también serían esencialmente iguales,. Y se conseguiría así otra unificación.

El valor de la energía de la gran unificación no se conoce demasiado bien, pero probablemente tendría que ser como mínimo de mil billones de Ge V. La generación actual de aceleradores de partículas puede hacer colisionar partículas con energías de aproximadamente 100 Ge V, y están planeadas unas máquinas que elevarían estas energías a unos pocos de miles de Ge V. Pero una máquina que fuera lo suficientemente potente como para acelerar partículas hasta la energía de la gran unificación tendría que ser tan grande como el sistema solar. Así es imposible comprobar las teorías de gran unificación directamente en el laboratorio. Sin embargo, existen consecuencias a baja energía de la teoría que sí pueden ser comprobadas.