A horcajadas en el Tiempo

Teoría Relativista del Campo Cuántico
Como veremos más adelante, las partículas cuánticas elementales se definen en función de cómo se convierten en «operaciones de
simetría» matemáticas. Por ejemplo, cómo cambia una partícula cuántica si le hacemos efectuar una rotación alrededor de un eje en el espacio,
una operación de simetría. El papel de la simetría en la descripción de las propiedades de las partículas cuánticas es básico en todo el campo de
la física moderna. El físico teórico C. N. Yang lo expresó así:
"La naturaleza parece aprovechar las simples representaciones matemáticas de las leyes de simetría. Si nos detenemos a considerar
la elegancia y la bella perfección del razonamiento matemático que entra en juego y las comparamos con sus consecuencias físicas
complejas y de largo alcance, surge siempre un profundo sentido de respeto hacia el poder de las leyes de simetría."
Para entender mejor la relación entre simetrías matemáticas abstractas y cómo se representan éstas en las partículas elementales
reales, recordemos la aplicación decimonónica de las ideas de simetría a los diversos tipos de cristales que se forman en la naturaleza, como la
sal, los diamantes o los rubíes. Podemos imaginar un cristal como un reticulado espacial, una estructura periódica concreta de átomos en el
espacio.
Olvidémonos por el momento de los cristales y, en vez de pensar en ellos, imaginemos un reticulado matemático de puntos unidos por
líneas, como la malla de una tela metálica que llenase todo el espacio. La malla es cuadriculada como una rejilla cuadrada, pero podríamos
imaginar perfectamente una rejilla de forma romboidal o triangular, siempre que se repitiera periódicamente. Los matemáticos determinaron y
clasificaron todas las estructuras reticulares periódicas posibles de este tipo en el espacio tridimensional por medio de ideas abstractas sobre
simetría. En este caso, la simetría es la simetría o invarianza que se apreciaría al realizar un desplazamiento en el espacio, como, por ejemplo, a
lo largo del contorno de un cubo en un reticulado cúbico infinito, y descubrir que el reticulado no varía. Estas simetrías pueden considerarse,
pues, operaciones matemáticas abstractas en el espacio tridimensional.
Si volviésemos ahora a pensar en los cristales concretos que hallamos en la naturaleza, nos encontraríamos con que todos los cristales
reales posibles son representaciones de esas simetrías matemáticas, porque también ellos son estructuras periódicas en el espacio. Asimismo,
las partículas cuánticas concretas observadas en la naturaleza (electrones, protones y neutrones) representan las simetrías matemáticas
abstractas de la leyes naturales. Hablando en términos generales, las partículas cuánticas son como cristales microscópicos y pueden describirse
plenamente por sus propiedades de simetría. La simetría es la llave que abre la puerta del mundo microscópico al pensamiento humano.
La teoría relativista del campo cuántico (el lenguaje que describe las simetrías de las partículas cuánticas) es una disciplina matemática
compleja, pero sus ideas básicas pueden captarse en términos elementales.
EL ENIGMA EN El
CORAZÓN DE LA FISICA
El desafío de intentar comprender la naturaleza de la materia y la energía ha lastrado el ingenio de los
científicos desde los días de Aristóteles. Muchos se han dedicado al estudio de la luz en busca de respuestas, pero a
menudo las respuestas no han hecho más que suscitar nuevas preguntas. En el siglo XVII, por ejemplo, Isaac Newton
experimentó con prismas que refractaban la luz y propuso la idea de que la luz estaba hecha de un chorro de
partículas. Este punto de vista fue ampliamente aceptado hasta principios de la década de 1800, cuando el
compatriota de Newton Thomas Young halló razones de peso para rechazar la teoría de la luz como partículas.
Utilizando un dispositivo similar a los ilustrados abajo, Young hizo pasar una luz a través de estrechas ranuras en un
tablero en dirección a una pantalla detectora situada al otro lado. El resultado -una serie de franjas brillantes y
oscuras- le convenció de que la luz se mueve en ondas. Del mismo modo que las aberturas en un rompeolas generan
conjuntos de olas que se superponen, las ranuras en el experimento de Young parecían hacer que la luz produjera un
esquema de interferencias similar (abajo, a la derecha). Las bandas brillantes en la pantalla representaban lugares
donde las ondas se reforzaban unas a otras; las bandas oscuras, lugares donde las ondas se cancelaban.
La interpretación de Young suplantó a la teoría de las partículas durante un tiempo, pero no pudo explicar
fenómenos tales como el efecto fotoeléctrico (arriba). En realidad, ni la teoría de las ondas ni la de las partículas sola
puede describir completamente el comportamiento de la luz. Se precisa una juiciosa aplicación de ambos modelos
para cubrir los fenómenos electromagnéticos, una paradoja que ha sido apodada el «misterio central» de la física. Los
científicos que reproducen hoy el experimento de las dobles ranuras de Young con un equipo más sofisticado pueden
demostrar la naturaleza dual de la luz. Como se ilustra abajo, partículas como balines producirán un tipo de esquema
cuando pasen a través de dos ranuras, las ondas causarán otro. Si se individualiza la luz, el esquema creado debe
parecerse al generado por los balines. Y, de hecho, si primero se cierra una ranura y luego la otra, el esquema
resultante seguirá las reglas del comportamiento como partículas: dos bandas alineadas con las ranuras. Pero tan
pronto como sean abiertas las dos ranuras, el esquema cambia a una serie de bandas resultantes de la interferencia
ondulatoria. Esto sigue siendo cierto aunque los fotones sean lanzados tan lentamente a la pantalla que la alcancen
http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_04.htm (3 of 4)29/12/2004 23:26:23