David Pratt
Enero de 2008, febrero de 2016
01. Introducción
02. Fallas en el modelo estándar (febrero 2016)
01. Introducción
En la siguiente revisión sobre varias teorías de física moderna se repite una serie de temas clave:
a) Es esencial distinguir entre datos experimentales y observacionales por un lado y la interpretación de esos datos por otro. Los datos a menudo están abiertos a más de una interpretación. Cualquier explicación se basa en ciertas suposiciones que pueden no estar verificadas o incluso no ser verificables.
b) Un modelo de realidad no es igual a la realidad misma, así como un mapa no representa el territorio. Un modelo o teoría es siempre una simplificación o aproximación; puede tener un grado de validez o utilidad sin ser literalmente cierto. Incluso si las ecuaciones asociadas con una teoría o modelo particular permiten cálculos precisos de eventos reales, esto no garantiza que ninguna interpretación física particular de esas operaciones se corresponda con mecanismos en el mundo real.
c) Las abstracciones matemáticas (por ejemplo, partículas de dimensión cero, cadenas unidimensionales, cintas de espacio-tiempo bidimensional y espacio-tiempo curvado) no son realidades concretas. Tales conceptos pueden o no pueden ser útiles en ciertos contextos, pero no tienen una existencia concreta fuera de la imaginación humana; no pueden influir directamente en el mundo material y explicar algo. La incapacidad de muchos científicos para hacer esta distinción es la causa raíz de muchas teorías absurdas o "laberintos de irrealidades" que se hacen pasar por "ciencia".
d) En un Universo infinito y eterno no puede haber explicaciones definitivas de los fenómenos naturales, pero si queremos encontrar las causas directas de los eventos debemos buscar sustancias, energías, fuerzas y entidades reales, ya sean físicas o suprafísicas. Una gran cantidad de fenómenos e incluso la existencia misma de la materia física y la fuerza apuntan a la presencia de niveles más profundos y sutiles de realidad. En lo que respecta a la física, esto significa pensar en términos de un éter energético.
02. Fallas en el modelo estándar
A finales del siglo XIX los científicos habían descubierto casi todos los 92 elementos químicos producidos de forma natural y se entendía que cada uno poseía su propio tipo atómico. La creencia de que el átomo era indivisible se vio socavada por el descubrimiento de los rayos X en 1895 y la radioactividad en 1896, y fue demolida en 1897 con el descubrimiento del electrón, la primera partícula subatómica en ser identificada. A esto siguió el hallazgo del protón en 1911 y el neutrón en 1932, las dos partículas que se piensa forman el núcleo atómico. En las décadas que siguieron las partículas subatómicas comenzaron a multiplicarse como conejos; algunas se encontraron en los rayos cósmicos que bombardean constantemente la Tierra desde el espacio, pero la mayoría se generaba en aceleradores de partículas. Cuando éstas se rompen unas con otras en dichos recintos, las energías liberadas pueden originar cientos de partículas transitorias o "resonancias" que se dividen en partes más estables tras una fracción de segundo.
Para inyectar algo de orden en este "zoológico subatómico" se desarrolló el modelo estándar de física de partículas (1). Según la última versión de este paradigma existen doce partículas fundamentales de materia (conocidas como fermiones): seis leptones (que incluyen el electrón) y seis quarks. Además hay una partícula de antimateria correspondiente a cada partícula de materia fundamental y con las mismas propiedades, excepto la carga opuesta. Dado que los quarks libres han resultado imposibles de detectar, se teoriza que pueden existir sólo en partículas compuestas conocidas como hadrones; éstos se dividen en mesones (consistentes en pares quark-antiquark) y bariones (compuestos de tres quarks) como el neutrón y el protón. Al sostenerse que cada quark existe en uno de tres "colores" (rojo, azul o verde) el número total de fermiones elementales es de 48.
Los doce fermiones básicos se agrupan en tres generaciones de partículas sucesivamente más masivas. Sus masas van desde menos de 0,00002 unidades de masa electrónica para el neutrino electrónico hasta más de 342.000 para el quark cima. Nótese que como los quarks individuales son indetectables, la masa de quarks es una construcción teórica.
Tabla 1: Fermiones.
La teoría cuántica de campos afirma que cada uno de los cuatro campos de fuerza está cuantizado; en otras palabras, supuestamente las interacciones electromagnéticas y nucleares débiles y fuertes entre las partículas de materia surgen por el intercambio de partículas portadoras de fuerza (conocidas como bosones gauge) consideradas partículas "virtuales" que parpadean y desaparecen constantemente. Se reconocen 12 bosones:
• el fotón sin masa que media la fuerza electromagnética;
• los bosones W+, W- y Z0 que median interacciones nucleares débiles causando ciertos procesos de descomposición; tienen masas de 80,4 y 91,2 GeV (miles de millones de voltios electrónicos) y una vida promedio de aproximadamente 3 x 10-25 segundos; y
• ocho gluones sin masa que hacen de intermediarios en las interacciones nucleares fuertes entre los quarks.
A los fermiones y bosones se les asigna una propiedad de momento angular conocida como "giro" ("espín"). Se afirma que los fermiones tienen un giro medio-entero y todas las partículas elementales conocidas tienen espín de -1/2. También se sostiene que los bosones tienen giro entero, aún cuando todos los bosones mencionados anteriormente muestran espín de -1. La interpretación de esto sería que no obedecen al principio de exclusión de Pauli, lo que significa que más de uno puede existir en el mismo lugar y al mismo tiempo, produciendo una fuerza más vigorosa.
El modelo estándar no incluye una explicación de la gravedad, que la mayoría de los científicos cree que está mejor descrita por la teoría de la relatividad general. Esta última afirma que la gravedad no es una fuerza que se propaga a través del espacio, sino que resulta de masas que distorsionan el "tejido del espacio-tiempo" en su vecindad de alguna manera misteriosa. Dado que el "espacio-tiempo curvo" es una abstracción geométrica, la teoría de la relatividad no es más que un modelo matemático y no proporciona una comprensión realista de la gravedad, por cuanto hay explicaciones alternativas más racionales para todos los experimentos citados en apoyo de la relatividad especial y general (2). Los postulados de la gravedad cuántica, que van más allá del modelo estándar, sostienen que la gravedad está mediada por un gravitón sin masa de espín 2.
Tabla 2: Fuerzas fundamentales.
Fig. 2.2. El detector de partículas ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (daviddarling.info).
El modelo estándar predice otra partícula elemental conocida como "bosón de Higgs", lo que eleva a 61 el número total de fermiones y bosones elementales. A veces llamado "partícula de dios", el bosón de Higgs es considerado un componente del hipotético campo del mismo nombre; supuestamente las partículas elementales adquieren masa al interactuar con este campo, ¡incluyendo la partícula de Higgs y de la cual consiste dicho ámbito! Se dice que esto ocurre mediante el rompimiento espontáneo de la teoría de campo de Gauge o "recalibración" (2), una de las proporciones matemáticas abstractas que los teóricos han ideado para clasificar y "entender" las partículas fundamentales. De igual forma se cree que la partícula de Higgs no tiene espín, carga eléctrica o de color y es tan inestable que se descompone en otras partículas casi inmediatamente, y algunas extensiones del modelo estándar predicen la existencia para más de un tipo de bosón de Higgs. En julio de 2012 los equipos experimentales de CMS y ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones anunciaron haber detectado un aumento en sus datos que interpretaron como una partícula muy pesada con masa de 125,3 y 126,5 GeV respectivamente; se piensa que es "consistente" con el bosón de Higgs, aunque también hay ciertas discrepancias con las predicciones (3). Un análisis publicado en 2014 concluyó que, si bien se pudo haber encontrado una nueva partícula, no hay evidencia concluyente de que sea la de Higgs (4).