Partículas y espacio vacío

“Nada existe, excepto átomos y espacio vacío, lo demás es opinión”. Así resumía y sentenciaba Demócrito de Abdera sus ideas, y la de su maestro Leucipo, sobre la estructura de la materia hace unos 2.500 años. Demócrito daba así respuesta a una de las grandes preguntas que se han planteado muchas civilizaciones desde el origen de la humanidad: ¿qué es la materia?

Que la materia está constituida por pequeñas unidades indivisibles (los átomos griegos) ha sido una idea generalizada a lo largo de la historia. La ciencia y la filosofía se han ocupado de esta cuestión durante siglos y los estudios continúan hoy día bajo la etiqueta de física de partículas. Esta rama de la física, que sigue tratando de describir los constituyentes últimos de la materia y las fuerzas con las que tales partículas elementales interaccionan entre sí, ha logrado un éxito maravilloso al construir una teoría que, junto a la de la relatividad de Einstein, puede considerarse uno de los mayores logros de la mente humana. Es una bellísima teoría que se esconde tras el modesto nombre de modelo estándar de las partículas, el resultado de un incansable esfuerzo llevado a cabo por muchas generaciones de físicos durante casi siglo y medio para unificar y simplificar ideas.

Naturalmente, los átomos de Demócrito, las entidades residuales del proceso de división de la materia que no puede continuar indefinidamente, no se corresponden con los átomos de la física actual. Imaginemos que un átomo tuviese el tamaño del punto de esta i. Habría que ampliar el punto hasta un tamaño de 5.000 kilómetros para que nuestro ojo pudiese apreciar el núcleo del átomo como otro punto, y constataríamos así que los átomos de la materia ordinaria, aunque están prácticamente vacíos, son entidades complejas. Y sería necesario agrandar el punto hasta un tamaño de unos 10 millones de kilómetros para poder apreciar que los núcleos están constituidos por unas unidades menores denominadas quarks. No se ha podido dividir un quark hasta la fecha, ni siquiera aislarlo de los otros quarks con los que se agrupan para formar partículas compuestas como el protón o el neutrón. Además, todas las otras partículas conocidas pueden explicarse como la combinación de algunos de los seis quarks de diferentes tipos. Electrón, muón, tau y tres ligerísimos neutrinos diferentes completan la docena de partículas básicas que son consideradas hoy como indivisibles y elementales. Las 12 partículas básicas pueden ser agrupadas por parejas o por tríos, según consideremos algunas de sus propiedades, forman así un conjunto que encierra muy bellas simetrías.

Aunque la materia esté esencialmente vacía, la experiencia nos dice que no podemos atravesar fácilmente un muro. Ello se debe a que el espacio vacío de los átomos está impregnado de campos electromagnéticos que impiden que nuestros propios átomos se interpenetren fácilmente con los del muro. Una idea básica de la física actual es que el vacío no es lo mismo que la nada. Al asegurar que “nada existe, excepto átomos y espacio vacío”, un moderno Demócrito reemplazaría quizás el término átomos por partículas elementales, pero con esta enigmática frase el sabio griego nos adelantaba un concepto fundamental de la ciencia moderna: el concepto de campo de energía. Hemos visto, por ejemplo, cómo en el vacío de los átomos reside un campo tan importante como el electromagnético, resultado de las fuerzas de interacción entre los electrones y los protones nucleares.

La electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y cada una de estas fuerzas está representada en la física por un intercambio de otras partículas denominadas mediadoras. Así, la fuerza electromagnética está mediada por fotones (los cuantos de la luz). La fuerza nuclear débil, responsable de algunas de las desintegraciones más importantes de los núcleos, está mediada por los tres bosones W+, W- y Z. La fuerza nuclear fuerte, la que mantiene a los quarks pegados entre sí dentro de los núcleos, está mediada por los gluones. Finalmente, la fuerza gravitatoria, que hace que todos los cuerpos masivos se atraigan, está mediada por una partícula hipotética denominada gravitón.

El famoso bosón de Higgs es una partícula que representa otro de los campos fundamentales que impregnan el vació: el campo de Higgs. Cuando las partículas se mueven por el vacío, su rozamiento con ese campo hace que el movimiento lo realicen con mayor o menor dificultad. Esta interacción con el campo de Higgs representa por tanto la inercia frente al movimiento o, en otras palabras, la masa de las partículas.

El vacío, que no es la nada, es por tanto un ingrediente esencial de la física de las partículas. Aunque observásemos un vacío-vacío (sin ningún átomo), al hacerlo con suficiente detalle distinguiríamos allí un intenso palpitar de partículas que se crean y se destruyen continuamente. El vacío está realmente lleno e impregnado de campos de energía, confirmándose así la idea de horror vacui de Roger Bacon: la naturaleza -como algunas tendencias artísticas- parece tener horror al vacío. Quizá sea la energía que reside en este vacío la que origina una repulsión entre las galaxias a muy gran escala, lo que se conoce en la astrofísica como energía oscura.

La posible relación del vacío microscópico de la física de partículas con el vacío cosmológico no es más que uno de los campos abiertos de estudio en la física contemporánea. Por otro lado, la gravedad no se integra de manera natural con el resto de las interacciones, obedece a otra teoría (la relatividad general de Einstein) que parece tener poco que ver con la teoría de partículas. Por eso los físicos han inventado la teoría de la supersimetría, en la que a cada partícula le debería corresponder otra supersimétrica, y la teoría de cuerdas en la que cada partícula se representa por un estado de vibración. Se buscan hoy intensamente fenómenos experimentales que confirmen o refuten tales teorías.

La física de partículas nos lleva pues a un mundo fascinante en el que la materia ya no está constituida por pequeños corpúsculos. Según vamos descendiendo de escala, las partículas parecen desvanecerse en entidades ondulatorias o vibraciones en el seno de un vacío repleto de fenómenos muy sutiles. Pero no se trata de entelequias: partiendo de la ciencia básica, estos estudios de la materia han tenido un impacto enorme en la construcción del mundo moderno. Todos los métodos de obtención de energía, todos los desarrollos de nuevos materiales y de los compuestos químicos, tienen su raíz en el estudio de la materia y de las partículas elementales.

Cuando el gran físico alemán Max Planck llegó a la Universidad de Múnich en 1875, le aconsejaron que no estudiase física pues “ya no quedaba nada por descubrir”. Hoy, tras casi siglo y medio de descubrimientos sobre la naturaleza de la materia, deberíamos haber aprendido a ser más humildes y mantenernos receptivos a todos los fenómenos que, más allá del modelo estándar, seguirán cambiando nuestra manera de comprender el mundo.

Rafael Bachiller es astrónomo, director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN) y miembro del Consejo Editorial de EL MUNDO.

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