[Ponencia presentada el 8 de mayo de 1996 en el panel “Investigación y Ciencia en el Posmodernismo”, celebrado en la PUCMM, Santiago de los Caballeros]
[Continuación de la conferencia de Steven Weinberg PENSAMIENTOS NOCTURNOS DE UN FÍSICO CUÁNTICO]
No obstante, ahora que está concluyendo el siglo XX debo confesar que, incluso con el beneficio de tan glorioso progreso, los físicos de hoy tenemos también nuestros pensamientos nocturnos, sólo que con muy diferente forma de los de Víctor Jakob; la verdad es que en algunos respectos son opuestos a aquéllos.
Muchos de ustedes conocen la historia de que Alejandro el Grande lloró al descubrir que ya no había más mundos que conquistar. Los conocedores me explican que el cuento es apócrifo; no figura en ninguna de la exposiciones más antiguas de la vida de Alejandro. Aun sin estas opiniones expertas, siempre me había dado la impresión de que algo andaba mal con dicha historia: Alejandro no pudo en modo alguno haberse figurado que había conquistado el mundo entero. Conocía, por ejemplo, el río Ganges, en la India, y sabía también que no lo había alcanzado. Sabía de seguro, como cualquier griego, que existía en Sicilia la Magna Grecia, la cual no había conquistado. ¿Qué significa entonces esa historia?
Pues bien, sólo tiene sentido si se hace hincapié en la palabra debida: Alejandro lloró porque no había más mundos que conquistara él.
Hoy los físicos de partículas estamos en la situación de Alejandro. Hemos conquistado muchos mundos ya. Comprendemos los átomos y los núcleos atómicos y las partículas que forman los núcleos atómicos y las partículas que forman esas partículas. Todos los misterios de la naturaleza de la materia, la fuerza y la energía han sido encajados dentro del marco del modelo estándar. Sólo que es patente que este modelo estándar no representa la respuesta definitiva y no parece que estemos en condiciones de dar el paso siguiente. Podría dar una conferencia acerca del modelo estándar, que no diferiría casi nada de una conferencia acerca de lo mismo pronunciada hace veinte años. En los últimos quince o veinte años realmente no ha habido progreso esencial en física en el sentido de descubrir teorías más fundamentales, confirmada entonces por confrontación con datos experimentales.
El modelo estándar es, en pocas palabras, una teoría de campo. Pienso que todos ustedes tendrán idea de lo que son los campos. Todos habrán visto, por ejemplo, imágenes de limaduras de hierro sobre un imán, y saben que el imán crea a su alrededor una condición en el espacio que se llama un campo magnético. El campo se siente si acerca uno un trozo de hierro al imán. Análogamente, la Tierra crea una condición en el espacio circundante denominada campo gravitatorio. Cuando es aplicada la mecánica cuántica a semejantes campos, averiguamos que la energía y el momento y otras propiedades de los campos no están difundidos uniformemente; constituyen pequeños paquetes o cuantos. Estos cuantos son lo que reconocemos como partículas.
En la teoría cuántica de campo, los ingredientes fundamentales de la naturaleza son campos, y todas las partículas que son constituyentes de los átomos o constituyentes de los constituyentes de los constituyentes de los átomos (partículas como electrones y quarks) son paquetes de energía campal. En el modelo estándar hay unas cuantas docenas de tipos de campo y todas las partículas son, ni más ni menos, epifenómenos, manifestaciones secundarias de tales campos.
Si hace veinte años me hubiesen preguntado cuál sería la forma de la siguiente teoría fundamental, habría contestado que sería una teoría del campo mejor, que de algún modo conectara todo de modo matemáticamente más elegante y nos permitiese comprender por qué las cosas son lo que son. Tal teoría no ha aparecido. Mientras, nos hemos enterado de que el modelo estándar no es la respuesta final, dadas sus evidentes imperfecciones, las cuales, tengo que decir, son estéticas.
El modelo estándar da razón de todo lo que sabemos que ha sido descubierto en los laboratorios con aceleradores diseñados para ponerlo a prueba, pero es visiblemente imperfecto. Según dije ya, requiere un amplio surtido de campos —algunas docenas—, pero ignoramos por qué son estos campos y no otros. Por añadidura, unas dieciocho magnitudes, que representan ciertas constantes de la naturaleza (por ejemplo la masa del electrón) aparecen en las ecuaciones del modelo estándar pero no se pueden explicar; simplemente hay que averiguarlas experimentando. No es casi decir demasiado afirmar que la teoría fundamental de la naturaleza tiene dieciocho parámetros libres imposibles de explicar.
El modelo estándar, asimismo, deja fuera un ingrediente harto importante: la gravitación. Sencillamente la gravedad no encaja en el modelo estándar. Ésta es una de las razones por las cuales suponemos que las estructuras que describimos en dicho modelo no serán las estructuras de la siguiente teoría fundamental en física. Durante los pasados veinte años, los físicos hemos sentido, en cierto modo, como si el suelo se hubiese movido bajo nuestros pies. Creímos que en la teoría cuántica del campo teníamos un firme fundamento para desenvolvimientos venideros en física, hasta que empezamos a darnos cuenta de que no. Vamos adquiriendo gradualmente conciencia del hecho de que cualquier teoría que satisfaga ciertos axiomas fundamentales (los de la relatividad, de la mecánica cuántica y unos cuantos más que parecen inevadibles) asume, a escalas de distancia suficientemente grandes, el aspecto de una teoría cuántica del campo.
En otras palabras, el éxito de nuestra teoría cuántica del campo no prueba que sea realmente una teoría fundamental, ya que cualquier teoría, estudiada a escalas de distancia suficientemente grandes (las halladas, por ejemplo, dentro de los núcleos atómicos, que a los actuales físicos de partículas les parecen considerables) (*) adopta el aire de una teoría cuántica del campo.
Mi actual trabajo se ocupa del problema clásico de intentar comprender las fuerzas nucleares. En este trabajo empleo una teoría del campo en la cual uno de los campos es llamado campo mesónico pi. El mesón pi es una partícula que fue descubierta en los rayos cósmicos en 1947. Se cree que desempeña un importante papel produciendo fuerzas dentro del núcleo. Sabemos desde hace unos años que el mesón pi no es una partícula fundamental; se compone de quarks y antiquarks. Pero al vérnoslas con las fuerzas nucleares tiene sentido trabajar con una teoría de campo de los mesones pi como punto de partida porque cualquier teoría, ya trate de quarks y antiquarks o de lo que sea, al ser vista en términos de la escala de distancias relativamente grande que se halla dentro de los núcleos atómicos, tiene el aspecto de una teoría del campo y, dados ciertos principios de invariancia, debe tener el aire de una teoría de campo de los mesones pi. De manera que no interpretamos el éxito de esta teoría como indicación de que el campo mesónico pi sería por necesidad ingrediente de una teoría auténticamente fundamental. Y, por extensión, no podemos interpretar el éxito del modelo estándar como indicación de que los campos de electrones y quarks y demás representan entidades fundamentales.
Este género de revolución en lo que juzgamos fundamental se ha dado anteriormente en la historia de la física. Cuando la teoría general de la relatividad de Einstein sustituyó a la teoría newtoniana de la gravedad, no la reemplazó hallando pequeñas correcciones a la ley del cuadrado inverso. La reemplazó eliminando el concepto fundamental de la teoría de Newton: que la gravedad era una fuerza ejercida por un cuerpo sobre otro. En la relatividad general no se habla de fuerza; se habla de una curvatura del espacio y el tiempo. El efecto de la sustitución de la mecánica newtoniana por la relatividad general en predicciones acerca del sistema solar fue introducir correcciones de menos de una parte en un millón, pero la teoría de Einstein revolucionó nuestro modo de describir la naturaleza.
Ahora necesitamos otra revolución en nuestra manera de describir la naturaleza. En veinte años no hemos adelantado nada el viejo paradigma de la teoría cuántica del campo. En particular, no hemos dado con una manera de describir la gravitación en la teoría cuántica del campo. Si se pretende seguir de frente y se intenta describir la gravitación mediante el mismo género de teoría cuántica del campo que se emplea para otras fuerzas, entonces al usar dicha teoría para responder preguntas perfectamente razonables acerca de procesos gravitatorios, la respuesta suele ser infinita, lo cual no es una respuesta razonable.
Y por esa razón hemos dejado, en gran medida, de intentar. Es claro que si hemos de introducir la gravedad en nuestras teorías, necesitamos algún marco conceptual distinto de la teoría cuántica del campo. ¿Dónde residirán las estructuras más profundas de esta teoría?, y ¿dónde, lo que hay dentro de las partículas más pequeñas del átomo? ¿Cuánto más sutilmente debemos explorar la naturaleza? [continuará].
(*) Las escalas de distancias nucleares son pequeñas; acaso Weinberg, al decir “relativamente grandes” las está comparando con otras aún más pequeñas, como las que existen en partículas compuestas por quarks [DSB].
Dinápoles Soto Bello es profesional de la física y la matemática
