A horcajadas en el Tiempo

Teoría Relativista del Campo Cuántico
Se puede decir que durante algo más que la mitad del siglo XX, y tras importantes descubrimientos experimentales y teóricos, se pudo
estructurar la imagen del micromundo subatómico que hoy conocemos. Las dos grandes familias de partículas, como los hadrones y los leptones
más sus respectivos ligamentos, constituyen las unidades básicas de la materia. Las interacciones de las partículas de cada una de esas familias
pueden llegar a explicar, en principio, todas las cosas materiales del universo. Pienso que lo logrado en este campo de las partículas, ha sido un
gran paso que ha dado la humanidad en la empresa de comprender la naturaleza. Proporciona el instrumento conceptual necesario para
entender el Big Bang.
La teoría relativista del campo cuántico nació en las pizarras de loa gabinetes de trabajo de los físicos teóricos en los años veinte. La
desarrollaron cuando intentaban conjugar la nueva teoría cuántica con la teoría de la relatividad restringida o especial de Einstein. Conseguirlo
resultó bastante más difícil de lo que se había supuesto. Como decía Steven Weinberg:
"La mecánica cuántica sin la relatividad nos permitiría concebir muchísimos sistemas físicos posibles... Pero cuando se unen la
mecánica cuántica y la relatividad, resulta que es prácticamente imposible concebir ningún sistema físico. La naturaleza consigue, no
se sabe cómo, ser relativista y cuántica a la vez; pero esas dos exigencias la constriñen tanto que sólo tiene una posibilidad de
elección limitada en cuanto a cómo ser... una elección afortunadamente muy limitada."
El comentario de Weinberg representaba algo muy cierto, ya que tanto el principio de la relatividad como los principios de la teoría
cuántica, constituían exigencias muy restrictivas, y no estaba nada claro que pudiesen integrarse con éxito en una sola descripción matemática.
Pero, afortunadamente, el resultado fue otro, se logró su integración y esto tuvo consecuencias trascendentales.
Los primeros intentos exitosos lo dieron los físicos teóricos Max Born, Werner Heisenberg y Pascual Jordan en 1926, cuando
demostraron cómo podían aplicarse los nuevos conceptos cuánticos al campo electromagnético, campo que ya obedecía las normas de la teoría
de la relatividad especial de Einstein. Estos físicos demostraron cómo podía expresarse matemáticamente la primitiva idea de Einstein de que el
fotón era una partícula de luz. El llamado efecto fotoeléctrico.
Los siguientes pasos decisivos los dieron Jordan y Eugene Wígner en 1918, y Heisenberg y Wolfgang Pauli en 1929-1930. Estos
investigadores demostraron que cada campo diferenciado (el electromagnético, el del electrón, etc.) tenía una partícula asociada. Las partículas
eran manifestaciones de un campo «cuantificado». Esta era la idea básica de la moderna teoría de campo, que desterraba para siempre la vieja
concepción según la cual partículas y campos eran entidades diferenciadas. Las entidades fundamentales eran los campos, pero se
manifestaban en el mundo como partículas.
Estas ideas trajeron como consecuencia un emplazamiento para que los físicos teóricos se esforzaran durante décadas para profundizar
en estas nuevas teorías de campo, una aventura intelectual que se ha prolongado hasta hoy, pero ahora no sólo usando pizarras sino que
también poderosos computadores coadyuvantes. Ello, ha llevado a los teóricos ha obtener nuevos conceptos, que no sólo son el producto de sus
propios trabajos, sino que además han sido fuertemente empujados por los descubrimientos de sus colegas experimentales (descubrimientos
que exigen una explicación) y también su propio deseo de hallar un lenguaje coherente definitivo para describir el mundo cuántico. Pero, esas
ideas ¿cómo nos llevan a concebir las partículas cuánticas?
Resulta difícil no imaginar las partículas cuánticas como objetos corrientes sólo que muy pequeños. Y por eso, porque es tan fácil
hacerlo, los físicos piensan en ellos como si fueran objetos corrientes. Pero las partículas elementales no están hechas de «material», como un
mueble está hecho de madera, tornillos y cola. Cualquier imagen visual simple de este tipo se desintegra por completo en cuanto se empiezan a
formular preguntas detalladas. Entonces es cuando entra en juego el extraño mundo de la realidad cuántica.
El primer medio del que se sirven los físicos para concebir estas partículas son las propiedades intrínsecas que las clasifican, como su
masa, spin, carga eléctrica, etc. El segundo medio que tienen de pensar en ellas son sus interacciones con otras partículas. En cuanto un físico
conoce las propiedades intrínsecas de una partícula cuántica y conoce todas sus interacciones, sabe ya todo lo que puede saber de esa
partícula. Pero, ¿cómo describen los físicos lo que saben?
Las propiedades observadas de las partículas cuánticas pueden describirse con exactitud en el lenguaje de las matemáticas, y dentro de
este lenguaje, la noción de simetría ha pasado a desempeñar un papel de importancia creciente. ¿Por qué simetría? Uno de los motivos es que
se cree que las partículas cuánticas fundamentales, como los electrones o los fotones, carecen de estructura (no están compuestas de partes
más simples), pero poseen, sin embargo, ciertas simetrías, lo mismo que posee simetría un cristal. Además, el electrón, sea lo que sea, es muy
pequeño, quizás una partícula puntiforme. Los conceptos de simetría resultan sumamente útiles para describir algo que carece de partes y es
muy pequeño. Imaginemos, por ejemplo, una esfera inmóvil en el espacio. La esfera parece la misma si nos movemos a su alrededor, tiene la
propiedad de ser esféricamente simétrica. Aunque la esfera se contraiga mucho, incluso hasta el tamaño de un punto, conserva esa propiedad de
la simetría esférica; la partícula es también esféricamente simétrica. Si en vez de una esfera imaginamos un elipsoide, que sólo es simétrico
alrededor de un eje, cuando se reduce hasta un tamaño cero, también conserva su simetría. Todos estos ejemplos nos indican que aunque algo
sea muy pequeño y carezca de estructura, de todos modos, puede tener simetrías específicas. Incluso a un objeto complicado, como un átomo
formado de electrones y núcleo, o un núcleo atómico compuesto de neutrones y protones, puede aplicársele, con consecuencias apreciables, el
concepto de simetría. Las interacciones entre los elementos constitutivos de átomos y núcleos poseen también simetrías específicas que ayudan
a determinar las estructuras más complejas, lo mismo que las simetrías de las baldosas determinan de qué modo pueden disponerse.
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_04.htm (2 of 4)29/12/2004 23:26:23