El universo encerrado en una gota de agua*

Reseña del libro El Higgs, el universo líquido y el Gran Colisionador de Hadrones, de Gerardo Herrera Corral

“Cuando la historia mire el siglo XX, verá la ciencia y la tecnología como su tema; encontrará en los momentos de gran ciencia símbolos de nuestro tiempo de la misma manera como seguramente encuentra en Notre Dame un símbolo de la Edad Media.”
Alvin Weinberg.

Cuando uno habla sobre física cuántica, experimentos con partículas subatómicas, teoría de cuerdas o colisionadores gigantes de partículas, tal vez lo último que nos viene a la mente sean las bellas palabras de un poeta. Pero para el físico mexicano Gerardo Herrera Corral, hablar de poesía y hablar de física de partículas es hablar de las mismas cosas, pero de distinta manera.

En su bello libro titulado El Higgs, el universo líquido y el Gran Colisionador de Hadrones (FCE, 2012), Herrera Corral nos introduce en los temas de actualidad que se estudian en lo que hoy se conoce como la Gran ciencia, concepto que a primera vista parece pedante, pero que hace referencia a los esfuerzos monumentales que se han hecho en las últimas décadas para hacer ciencia pura, investigaciones con el único fin de responder a preguntas trascendentes tales como ¿por qué hay algo en vez de nada? ¿Por qué el universo se comporta tal como lo hace? O ¿de qué está hecho todo lo que existe?

Herrera Corral, con una fluidez literaria pocas veces reconocida a un científico, nos dice que la respuesta a estas (y otras) preguntas, se han venido dando de la mano de la gran ciencia, principalmente de la investigación en física de partículas, cosmología y física teórica. No prosigue sin antes aclarar que hablar de la naturaleza del universo usando la ciencia, es similar a recitar poesía. Con gran admiración por literatos como José Emilio Pacheco, Herrara Corral afirma que:

Los poetas tienen las palabras difuminadas para decir lo que los físicos delinean con precisión en ecuaciones y símbolos. 

[…] 

A diferencia de la poesía, la exposición científica es pensamiento puro que recurre a signos para describir el mundo. Con todo y esto, detrás de las ecuaciones espera siempre una exclamación. Para quienes nos hemos acostumbrado a evocar ideas con jeroglíficos, llegar a la exclamación sin pasar por las ecuaciones no es cosa fácil.

El autor, quien además es investigador en el Cinvestav-IPN y tras haber coordinado el grupo de trabajo en física difractiva del experimento ALICE en el CERN, me recuerda a la frase del genial divulgador científico Richard Dawkins: “La ciencia es la poesía de la realidad.”

Nuestro autor, convertido en un poeta de la realidad, nos ofrece un recorrido a través de los orígenes de la física moderna: la problemática de las ecuaciones de Maxwell y la “catástrofe ultravioleta”, así como la resolución del problema con la ecuación de los quantum (conocida como ley de Planck) y la constante dePlanck, dando origen a la física cuántica (lo que llama la primera revolución);  seguido de la problemática desatada por el éter, la refutación de su existencia por medio de losexperimentos Michelson-Morley, dando las bases para la formulación de la teoría de la relatividad de Einstein (la segunda revolución). A partir de aquí, la física y la cosmología no volverían a ser las mismas.

La relatividad y la física cuántica forman los dos grandes bloques teóricos para comprender el Cosmos. Por un lado, la relatividad nos brinda las mejores explicaciones sobre cómo funciona el universo a gran escala (macrocosmos), mientras que la física cuántica nos ayuda a poner orden al caótico mundo de las partículas subatómicas (microcosmos). Pero los físicos han luchado por décadas con un problema fundamental: hasta el día de hoy no existe una teoría que unifique la explicación de la relatividad y las teorías cuánticas de la gravedad. Esta elusiva teoría es mundialmente conocida como la teoría del todo. Una explicación completa de las fuerzas del universo desde la física cuántica, unificando a ésta con la relatividad.

Dentro de la teoría estándar de la física de partículas se nos dice que incluso la gravedad está formada por partículas subatómicas, llamadas gravitones. Si esto fuera cierto, significa que la gravedad también está sujeta a las leyes de la física cuántica. Pero el gravitón es una partícula hipotética, pues hasta ahora, jamás ha sido detectada. Además de la elusiva partícula del gravitón, los físicos de partículas luchan en sus mentes (y en sus laboratorios) con un problema que suena totalmente filosófico: de acuerdo al modelo estándar, existen 16 partículas elementales de las que están hechas todas las cosas. Desde los fotones que constituyen las partículas de la luz hasta los quarks que constituyen las partes más elementales de protones y neutrones. Pero ¿por qué son diferentes entre sí estas partículas y no son todas iguales? ¿Por qué los quarks y los electrones poseen ciertas propiedades específicas y no otras? La respuesta más humilde que encuentra la ciencia es un “no lo sabemos”, pero el hecho de que no lo sepamos con certeza no implica que no se pueda buscar respuestas.

Así es como comienza el terreno de la especulación científica a darnos lo que para muchos físicos actuales podría ser la elusiva teoría del todo: la teoría de cuerdas. De acuerdo a ésta elegante hipótesis matemática, los quarks y los electrones poseen ciertas propiedades físicas porque estas partículas están hechas de “cuerdas” que vibran para obtener sus propiedades. Es decir, las cuerdas serían una escala menor en la estructura que observamos actualmente; de hecho sería la escala más pequeña que existe. La teoría de cuerdas también contempla la existencia de las “branas” en las que las cuerdas pueden unirse, deslizarse e interactuar de distintas maneras. Esta teoría también necesita de la existencia de más dimensiones de las que suponemos que existen. 

Otro aporte valioso del libro de Herrera Corral es su bella explicación de la historia y funcionamiento del LHC. Historia que cualquiera puede consultar en el sitio web del CERN.

Usualmente estamos acostumbrados a pensar que vivimos en un mundo de cuatro dimensiones: largo, alto, ancho (tres dimensiones espaciales) y tiempo (una dimensión temporal). Pero la teoría de cuerdas predice que existen por lo menos once dimensiones. La física básicamente nos dice que muy probablemente no solo lo que observamos existe.

Si usted no ha quedado lo suficientemente fascinado (y aturdido) por todo esto, respire hondo y prepárese para seguir en el campo especulativo de la física teórica: variantes de la teoría de cuerdas predicen que en realidad vivimos en una clase de holograma, un universo holográfico. Algunos físicos teóricos comenzaron a pensar en que tal vez las dimensiones en la naturaleza se comportan como un holograma, es decir, uno podría ver el universo como un gran holograma en el que una de las dimensiones es solo una ilusión. Tan descabellado como pueda parecer, los modelos del universo holográfico son hoy en día un área de intensa investigación en la física teórica, principalmente por sus repercusiones a cómo entendemos el universo entero. 

Los físicos estudian arduamente estas conjeturas ya que brindan la posibilidad de encontrar la teoría del todo, en la que una teoría cuántica de la gravedad sea equivalente a una teoría cuántica de partículas elementales más o menos tradicional que vive en el borde de este espacio. O sea, una teoría de campos. Estas ideas son algunas de las que se estudian en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés) del CERN, buscando indicios que hagan pensar que las teorías en cuestión se encuentran en lo correcto.

Como bien nos recuerda Herrera Corral, todo este gigantesco asunto de cuerdas, branas, universos holográficos y gravedad cuántica sigue siendo un área altamente especulativa, de la que desconocemos si es un modelo que se corresponde con la realidad o no. Para eso, es necesario seguir investigando, cosa que hacen bastante bien en el CERN y en lugares similares.

Tabla de los elementos con las tres familias
en arreglo  vertical cada una de ellas. En la cuarta
columna se muestran las partículas que median
las interacciones.

Las preguntas, a pesar de todo, no dejan de surgir (algo que dota a la ciencia de su atractivo inigualable): los físicos se siguen cuestionando por qué las partículas son tan distintas en varios aspectos. Tomen de ejemplo la masa. Partículas como el fotón y el electrón casi no poseen masa, de modo que son las partículas más ligeras; por otro lado, algunos  leptones como el muon (una partícula hermana del electrón) son increíblemente pesados. ¿Por qué?

Herrera nos cuenta que la respuesta está en lo que se denomina campo de Higgs. De acuerdo al modelo estándar, la materia adquiere masa a través de éste campo, cuyo componente elemental es el famoso bosón de Higgs. La idea básica es que el espacio entero (aún el vacío mismo) está ocupado por un campo similar al gravitacional o al electromagnético. Este campo es una especie de “éter” que todo llena, y sin embargo, como bien aclara este poeta de la realidad, no es éter. Algo que muy pocos saben es que esta idea fue planteada en los años 60s por varios físicos de manera simultánea: Francois Englert y Robert Brout en Bélgica; Gerald Guralnik con Carl Richard Hagen y T. Kibble en EEUU, y Peter Higgs en Inglaterra.

Pero, ¿qué es el campo de Higgs? Y más aún, ¿qué es el bosón de Higgs y por qué era tan importante encontrarlo? Una pregunta similar a las anteriores se hizo el ministro de Ciencia y Tecnología del Reino Unido, William Wildegrave, al notar que se estaba gastando mucho dinero en la búsqueda del Higgs. De modo que el ministro se propuso retar a los físicos para que explicaran, en un texto de una página de extensión, lo que es el bosón de Higgs.

El ganador fue el físico David J. Miller quien le propuso una explicación al ministro más o menos de la siguiente manera: imagine una fiesta de gala de algún partido político en el que los invitados se encuentran uniformemente dispersados. En la fiesta, entra uno de los líderes del partido y conforme éste trata de pasar cada vez más personas se le acercan a su alrededor, impidiendo que avance más rápido o con la misma velocidad a la que entró. Esto es el campo de Higgs. Un campo en el que las partículas subatómicas encuentran resistencia al movimiento; dicha resistencia (diferente según la partícula) es lo que dota de masa a las partículas.

Ahora considere un rumor que se extiende por la sala de invitados uniformemente distribuidos. Los más cercanos a la puerta de entrada lo escuchan primero y se agrupan para escuchar los detalles. Luego se mueven a sus vecinos más próximos, quienes quieren saber de qué se trata el rumor. Una onda de agrupamientos corre por la sala para alcanzar todos los rincones o puede formar sólo un paquete compacto que lleva las novedades a lo largo de la línea de invitados hasta el otro extremo donde está un dignatario. Esto es el bosón de Higgs. Ya que la información es llevada por el agrupamiento de invitados y, dado que el agrupamiento es lo que dio masa a las partículas, el agrupamiento que lleva el rumor mismo tiene masa. El bosón de Higgs es este agrupamiento dentro del campo de Higgs.

El campo de Higgs es lo que da masa a las distintas partículas de las que está constituido todo, y el confirmar su existencia se cumplió  justamente uno de los objetivos primordiales del Gran Acelerador de Hadrones. Objetivo que por fin se vio cumplido en julio de 2012, fecha en que se hizo público la detección del bosón de Higgs en los experimentos del CERN. 

Los esfuerzos por lograr detectar aquello que había sido indetectable, por mejorar los instrumentos de medición a niveles inimaginables hace unas cuantas décadas, y a teorizar con rigurosidad y elegancia matemática, son solo algunas de las cosas que el ser humano hace por saber, por el mero placer de saber. México no se queda atrás en esta búsqueda de respuestas elementales, tal como atestigua Herrara, al recordarnos la participación de los físicos e ingenieros mexicanos en la construcción del LHC. Fue en México que se encargó la creación de uno de los dos dispositivos que en conjunto constituyen lo que se conoce como detector V0 (el sistema de disparo del experimento ALICE). El V0 es una parte esencial para el experimento, pues es el sistema encargado de decidir, con un límite de 25 nanosegundos, si se debe registrar o no una interacción dentro del experimento ALICE.

Son los científicos mexicanos quienes actualmente operan el detector V0, poniendo a nuestro país en donde se hace gran ciencia. En donde los descubrimientos y las nuevas preguntas sobre el Cosmos siguen surgiendo. Además de ser testigos de cómo las tecnologías aplicadas al estudio de las preguntas por los orígenes de todo llegan a tener utilidad en su nación para diversas áreas, desde la extracción de petróleo hasta la posibilidad de aplicar las técnicas aprendidas a la obtención de imágenes médicas.

El futuro pues, apunta hacia la fascinación y el descubrimiento. Si la humanidad no termina por destruirse a sí misma primero, la investigación científica promete sorprendernos con más y más respuestas a las preguntas planteadas a través de los siglos por los humanistas. Al fin y al cabo, tal vez no existe humanismo más refinado y coherente que el que nos provee el mirar las estrellas y dejar que éstas nos cuenten nuestra historia. Un libro como el de Herrera Corral es un excelente comienzo para que esta historia se cuente. Una historia imposible de resumir en unas pocas cuartillas. Una historia que merece ser conocida y analizada con paciencia.

La historia de ese polvo de estrellas ordenado de cierta manera que fue capaz de obtener consciencia de sí mismo y de conocer las estrellas para conocerse. Somos, tal como alguna vez diría Carl Sagan, polvo de estrellas que se pregunta por las estrellas… y más allá. El polvo de estrellas que se pregunta por este universo encerrado en una gota de agua, tal como Emilio Pacheco lo expresaría en su tiempo.

*Esta fue una reseña que presenté este semestre en un curso en la universidad a manera de trabajo final. Aquí la reproduzco tal como la mostré con enlaces para evitar las notas a pie de página.