La historia moderna de la física de partículas comienza a finales del
siglo XIX cuando grandes físicos comienzan a romper la materia en
pequeños laboratorios. Es la época del descubrimiento del electrón en
Cambridge mientras J. J. Thomson trabajaba con rayos catódicos. La baja
energía de estos rayos fueron suficiente para arrancar electrones de la
prisión atómica. Desde que Dalton propusiera su teoría atómica para
explicar las propiedades físico-químicas de los gases a comienzos del
XVIII, el concepto de materia formada por entidades fundamentales
indivisibles era bien parecido a la clásica idea de Demócrito en el
siglo V a.C. Durante dos largos milenios la humanidad confió en una
interpretación reduccionista y corpuscular de la materia. Con los
trabajos de Thomson se abrió la veda a una sucesión de experimentos que
refutaron la indivisibilidad del átomo. La historia empezó a cambiar.
La era nuclear de la primera mitad del siglo XX
El descubrimiento de la radiactividad sirvió de nueva fuente energética
para bombardear la estructura atómica con partículas radiactivas de
energía un millón de veces superior a la de los rayos catódicos. Esta
energía fue suficiente para que Rutherford y Chadwick identificaran al
protón y al neutrón en la prodigiosa década de los veinte. En el primer
tercio del siglo XX el hombre alcanzó la frontera nuclear y descubrió
que el átomo es un denso núcleo de protones y neutrones, protegido por
una pantalla de electrones. Siendo el electrón la primera partícula
atómica descubierta resulta comprensible por qué fue la electrodinámica
la pionera teoría cuántica de campos. La segunda era de la física de
partículas se propuso el reto de penetrar la esfera nuclear. Pero,
¿cómo conseguir la energía?
La mirada se puso en el cielo. Con
frecuencia la Tierra es bombardeada por rayos cósmicos procedentes del
espacio exterior. La energía media de estos rayos es suficiente para
romper el núcleo atómico y poder observar su interior. Sin embargo, es
imposible predecir el lugar y el momento exactos donde caerá un rayo
cósmico. Fue en los años sesenta cuando la tecnología de los
aceleradores de partículas consiguió controlar energías de alcance
nuclear. El resultado fue el descubrimiento de dos nuevas interacciones
físicas de mayor y menor intensidad que la electromagnética: la nuclear
fuerte y la nuclear débil.
Bajo estas condiciones energéticas
impuestas por los experimentadores el protón sufre una resonancia
inexplicable para una partícula fundamental. Se descubrió que el protón
no era una partícula elemental como a Demócrito le hubiese gustado.
Cada protón está constituido por tres quarks ligados por interacción
fuerte residual. Entre 1977 y 1996 se ha confirmado experimentalmente
la existencia de seis tipos de quarks que, además de carga eléctrica,
tienen carga electrodébil, de sabor y de color. El primero y último de
ellos, los quarks b y t, se descubrieron en el Fermilab de Chicago.
Los aceleradores de partículas rompen la barrera nuclear
Con energías aún mayores, en las profundidades subnucleares las
partículas experimentan la interacción débil. De menor alcance e
íntimamente relacionada con la electromagnética, la interacción débil
causa las desintegraciones nucleares más fácilmente detectables, las
desintegraciones beta de protones y neutrones. Fue Fermi quien dio
nombre a una nueva partícula resultante de estas interacciones: el
neutrino. Los neutrinos son exóticas partículas de masa despreciable,
predichas por Pauli en los años treinta y descubiertas en 1956 por los
nobel en física, Clyde Cowan y Frederick Reines.
El carácter fundamental de las
partículas es un concepto histórico que depende de la energía máxima de
los aceleradores del momento. A energías próximas a la de los modernos
aceleradores, toda la materia ordinaria o fermiónica se compone de tres
tipos de partículas: electrones, neutrinos y quarks. A diferencia de
electrones y neutrinos, los quarks nunca se dejan ver solos, sino
formando dúos o tríos. El protón es el producto resultante de la
interacción de un quark d y dos u, densamente confinados por
interacción fuerte. Los tres quarks del protón apenas suponen una
millonésima parte del volumen del protón. El volumen efectivo del
protón está lleno de un campo de energía de confinamiento.
Partículas mediadoras que producen campos físicos
El campo de energía mediador entre fermiones tiene una naturaleza
física distinta bien descrita por un nuevo tipo de partícula denominado
bosón. Todas las partículas interaccionan gravitatoria y débilmente,
pero sólo los quarks experimentan la interacción fuerte. Las partículas
fundamentales fermiónicas se ligan unas con otras a través del
intercambio de otras partículas denominadas bosones mediadores. Cada
tipo de estos bosones produce una de las cuatro interacciones
fundamentales. Las partículas interaccionan al tener al menos una carga
física susceptible a la presencia de algún mediador. Así, dos
electrones interaccionan electromagnéticamente por sus cargas
eléctricas cuando un fotón hace de mediador entre ellos. Del mismo modo
los gluones son bosones con carga electrodébil y de color que aglutinan
los quarks de los protones. A energía de un trillón de electronvoltios
es posible alcanzar los escondrijos del núcleo atómico hasta sentir la
presencia de las interacciones fuerte y débil que experimental los
quarks en el núcleo profundo.
El alcance de las cuatro interacciones
fundamentales depende de la masa de sus respectivos bosones. De acuerdo
con el Principio de Heisenberg, cuanto mayor sea su energía en reposo,
menor es el tiempo de vida media y, por tanto, pueden recorrer
distancias menores, reduciéndose su alcance. Las interacciones de
alcance ilimitado son la electromagnética y gravitatoria, mediadas
respectivamente por el fotón y el hipotético gravitón, que carecen de
masa. Los bosones débiles son realmente masivos. Por ello, la
interacción débil queda limitada al interior del núcleo. Los mediadores
sólo pueden conectar partículas a distancias típicas de la escala
subnuclear. De igual manera, los gluones sólo hacen interaccionar a
quarks que comparten el mismo recinto nuclear. A diferencia de los
bosones débiles, los gluones carecen de masa, pero debido a
interacciones entre ellos se forma una masa efectiva equivalente no
nula que limita el alcance de la interacción. Podemos decir que el
gluón desnudo de masa nula es revestido con una energía de interacción
que lo dota de masa y, en consecuencia, la interacción fuerte se hace
de corto alcance.
Un zoológico de partículas elementales
El espectro de partículas es amplísimo. Por cada partícula elemental
existe una compañera con cargas físicas opuestas. Son las partículas de
antimateria que, al interaccionar con la materia ordinaria, se
transforman en radiación electromagnética. Los bosones mediadores
coinciden con su antipartícula salvo el bosón débil y fuerte. Al resto
de las partículas fundamentales le corresponde una antipartícula
distinta. Por ejemplo, el positrón es una partícula de antimateria con
la misma masa y espín que el electrón, pero con carga eléctrica
positiva. Igualmente existen antiquarks, con cargas eléctricas, de
isoespín y color opuestas a la de los quarks: el compañero de
antimateria de un quark con carga de color roja es un antiquark
antirrojo. Un quark y su antiquark de color opuesto pueden formar
estados ligados y originar mesones, sin carga de color: los piones,
kaones, los mesones …
Un caso importante fue gypsy, un
sistema quark-antiquark, cuyo estudio supuso importantes avances en
cromodinámica cuántica. El último tipo de partículas elementales, los
neutrinos también tiene su respectiva compañera de antimateria, aunque
aún no está clara su verdadera naturaleza. Al ser una partícula neutra,
el opuesto de su cargas coincide con el original y, por tanto, parece
ser que neutrino y antineutrino coinciden (neutrinos de Majorana). De
tener algún número cuántico que los diferenciara serían neutrinos de
Dirac. El debate sigue su curso y tendrá importantes consecuencias en
las nuevas teorías generalizadas de partículas.
Existen partículas que permanecen
estables durante un brevísimo periodo de tiempo hasta desintegrarse por
interacción fuerte en partículas más estables como protones, neutrones
y piones. Son las partículas delta y sigma, que son resonancias
bariónicas de mayor energía que las fundamentales. Es posible, incluso,
que existan un número ilimitado de estas resonancias con mayor masa y
espín. A energías mucho más elevadas que la de los modernos
aceleradores no sería posible otorgar el calificativo de fundamental a
los electrones, neutrinos y quarks frente a las resonancias. Por tanto,
el atributo elemental de las partículas depende de la energía del
entorno en cuestión.
El modelo estándar de partículas en el siglo XX
El conocimiento físico de la materia está recogido canónicamente en el
denominado modelo estándar de las partículas elementales, a excepción
del gravitón. La interacción gravitatoria no puede aún explicarse
físicamente en el mismo marco que las otras tres. Esta limitación del
modelo estándar exige y justifica una especulación físico-metafísica
que trasciende la frontera científica (véase Penrose sienta las bases de una biofísica cuántica de la mente
en Tendencias 21, 23 Febrero 2007) . La teoría cuántica de campos es la
construcción científica más importante. Su potencia de predicción y su
capacidad para desentrañar la realidad física microscópica están
rigurosamente confirmadas por los resultados experimentales. Cualquier
análisis de la materia requiere, por su potencial y precisión, partir
de sus presupuestos teóricos. El modelo estándar es la teoría cuántica
de campos de las partículas fundamentales. La teoría de campos unifica
la teoría cuántica con la Relatividad especial de Einstein, el
Principio de Heisenberg y el Principio de Causalidad. La teoría
cuántica de campos explica el amplio espectro de partículas a partir de
las doce partículas fundamentales y tres bosones mediadores.
La elementalidad de las partículas
fundamentales depende de la energía. No es algo absoluto. A altísimas
energías, la física de partículas no puede distinguir los elementos
básicos de la materia. Todo es un energético dinamismo que hace emerger
multitud de partículas denominadas resonancias. Incluso, en situaciones
de menor energía, cuando las interacciones físicas determinan las
partículas fundamentales por su mayor estabilidad, podemos seguir
hablando de la naturaleza emergente de la materia desde un soporte
básico primario. El protón no es la mera suma de tres quarks, pues su
individualidad carece de sentido. Es, más bien, el todo surgido de una
sinergia física que, a su vez, dota al protón de una cierta
individualidad y propiedades físicas bien definidas. En su dinámica
desde un soporte energético fundamental, la materia emergente
evoluciona hacia estados de mayor definición física como consecuencia
de sus interacciones cuánticas básicas. Se va adquiriendo una mayor
individualidad sin anular definitivamente el potencial emergente de su
verdadera ontología.
La emergencia de la materia en un fondo dinámico de energía
El camino recorrido hacia la esencia ontológica de la materia conduce
hasta un fondo energético pseudo-espaciotemporal dominado por el
Principio de Incertidumbre. Al hablar de fondo de energía nos referimos
al mar de energía planckiano de elevadísimas energías. No es una
energía independiente, sino un campo de energía ligado con la materia
fenoménica, tanto corpuscular como campal.
Esta energética actividad física
recuerda a los fenómenos de fluctuaciones del vacío cuántico. Es
precisamente esta física del vacío cuántico el límite fronterizo usado
por David Bohm (véase La biofísica cuántica de la conciencia, explicada desde la teoría cuántica de David Bohm
en Tendencias 21, 19 Marzo 2007) para distinguir entre su física y
metafísica. El análisis físico de la materia desemboca finalmente en el
estudio de las fluctuaciones de la energía de fondo. Las propiedades
físicas de la materia son el producto resultante de las interacciones
de esta energía. Cualquier partícula fundamental no es una entidad
individual independiente de este fondo de energía. No es tanto una
individualidad cuanto el producto de una necesaria coexistencia. Por
ello, los físicos de partículas niegan que la masa de una partícula
libre sea un observable. Carece de sentido físico porque cualquier
partícula está siempre en interacción. Por tanto, al referirse a la
masa de una partícula se entiende la masa efectiva que resulta bajo la
acción del entorno energético. Las partículas son concentraciones
locales del fondo de energía revestidas de fluctuaciones. Dejan de
asemejarse a las inmutables esferas de Parménides-Demócrito y se
comprenden hoy como campos localizados de energía.
Las propiedades físicas están, pues,
íntimamente ligadas con el entorno. La física de partículas no concibe
partículas desnudas independientes como si tratara de pequeños
corpúsculos indivisibles. Las partículas, cuya naturaleza física
fundamental es siempre relativa, son objetos materiales revestidos o
apantallados por la actividad del vacío. En síntesis, podemos concluir
que cada partícula es más un todo a través de su ligazón a una
ontología capaz de hacer emerger materia, que un mero constituyente. La
materia es en sí misma más interacción que individualidad, aunque la
materia pueda gozar de una relativa independencia a través de
estructuras más complejas surgidas en este orden físico holístico.
Comportamiento cuántico coherente de la materia
El desarrollo tecnológico va corroborando las ideas físicas sobre la
materia. Sistemas artificiales, en las condiciones físicas adecuadas,
presentan un comportamiento cuántico inexplicable desde el conjunto de
leyes clásicas. El estudio de estos sistemas cuántico-tecnológicos pone
de manifiesto las propiedades físicas coherentes de la naturaleza
cuántica subyacente. La materia se estructura de tal forma que los
resultados macroscópicos se agrupan en estados discretos. Todo el vasto
conjunto de electrones se agrupa de tal forma, que el material sólo
adquiere valores bien definidos a partir de la constante de Planck. El
efecto Josephson muestra cómo es posible mantener la coherencia
cuántica de un sistema incluso cuando es escindido en dos por una
barrera de potencial. Este efecto resulta especialmente importante por
su sensibilidad de adaptación a la radiación electromagnética del
medio.
La materia presenta unas propiedades
físicas especiales cuando su dinámica está regida por fluctuaciones del
fondo de energía. Un sistema físico guiado por esta dinámica desde un
estado crítico puede producir estados de macrocoherencia cuántica en
condiciones ambientales extremadamente adversas. Es de notar la
relevancia de estas transiciones en sistemas unidimensionales y sus
repercusiones en el carácter emergente de la naturaleza campal de la
materia.
Fenómenos cuánticos macroscópicos de coherencia cuántica
Los condensados Bose-Einstein son el quinto estado físico de la materia
donde se alcanzan niveles elevados de coherencia cuántica y la materia
presenta un comportamiento más campal. Resultan especialmente
importante los resultados obtenidos en condensados generados a partir
de redes ópticas. La interacción de los bosones con la radiación
electromagnética permite la existencia de oscilaciones de coherencia
cuántica. Los condensados ópticos sufren transiciones reversibles
BEC-Mott entre estados coherentes y no coherentes, de tal manera que el
sistema oscila entre estados de naturaleza campal y corpuscular. Se
hace, pues, manifiesto el doble comportamiento complementario de una
misma unidad material, regulada últimamente por el fondo de energías.
Junto a los condensados Bose-Einstein
los fenómenos de superconductividad y superfluidez son dos ejemplos
paradigmáticos de experimentos que muestran la unidad física coherente
de la materia bajo ciertas condiciones técnicas. En ambos casos, la
materia presenta una coherencia cuántica para un número macroscópico de
partículas clásicas, que dotan al sistema cuántico de una integridad
intrínseca con relativa autonomía frente al medio. Más allá de las
condiciones físicas ideales para mantener estos agregados cuánticos
macroscópicos, en una fase de transición cuántico-clásica, los sistemas
coherentes reaccionan positivamente a las perturbaciones externas,
generando estructuras físicas (vórtices) que logran mantener la unidad
coherente macroscópica. La materia deja de seguir patrones de
interacciones corpusculares y se comporta como un todo unitario donde
no es posible diferenciar componentes elementales. Nos referimos a los
estados macroscópicos de coherencia cuántica.
La naturaleza campal de la materia
El carácter emergentista de los fenómenos físicos apoya una naturaleza
ontológica dinámica de la materia que conforma el universo. Los
fenómenos macroscópicos de coherencia cuántica revelan a nivel
experimental las propiedades fundamentales de la materia como sustrato
ontológico capaz de dirimir la relativa individualidad de sus
componentes para enlazar coherentemente nuevas realidades campales con
un dinamismo unitario. La dimensión campal holista de la materia
permite conexiones que conforman un entramado cuánticamente
interconectado capaz de realizar instantáneamente complicados procesos.
Estos fenómenos cuánticos, junto a la incesante actividad física del
fondo de energía nos presentan una naturaleza física de la materia con
propiedades emergentes.
Supuesta esta ontología física
emergente, resulta natural explicar el origen y evolución del universo
como un producto de este substrato metafísico que se hace explícito a
través de procesos cuánticos consolidados en el régimen clásico de la
experiencia. Las estructuras físicas, los seres vivos, el psiquismo
animal y la conciencia son productos que últimamente emergen de esta
ontología dinámica. La incesante actividad de esta realidad subyacente
dinamiza todo el proceso evolutivo del cosmos, generando estructuras
clásicas más complejas y estables, capaces de resonar las propiedades
cuánticas de su naturaleza material, tal y como los fenómenos cuánticos
macroscópicos mantienen sus propiedades cuánticas a nivel de
experimentación.
Materia y conciencia
Análogamente, las propiedades psíquicas de los animales superiores o la
formación de sofisticados estados conscientes en el hombre son
productos resultantes de la evolución cósmica de estructuras
materiales. Las estructuras psíquicas son resonadores más finos capaces
de explicitar las propiedades psíquicas de la ontología material. No
sólo canalizan la actividad física de la materia, como durante miles de
millones de años hizo el universo físico, sino que activan la dimensión
psíquica de la materia. En este sentido, la actual neurología propone
una coordinación entre las regiones del cerebro más primitivo (físico)
y del moderno neocórtex, más susceptible al comportamiento psíquico.
Una explicación científica, coherente
con el esquema evolutivo del cosmos, debe centrarse en el paradigma
emergentista para poder explicar todas las propiedades psíquicas de los
animales superiores, irreducibles a meras conexiones de corte
mecano-clásico. Así, sobre aún leves pero prometedores resultados
neurológicos experimentales, la neurología cuántica tantea la
posibilidad de comprender cuánticamente el cerebro, en la línea
vanguardista de los modelos de Bohm y Penrose. La física de
microtúbulos y las sinapsis cuánticas (uniones gap) ofrecen nuevas
posibilidades para entender el enigma de la conciencia.
Manuel Béjar es miembro de la Cátedra CTR
