god-particle-higgs-boson-giEl pasado 8 de diciembre, la Real Academia Sueca entregó el premio Nobel de Física a François Englert y Peter Higgs, quienes en los años sesenta del siglo pasado desarrollaron, en palabras de la misma Academia, un “mecanismo que contribuye a nuestro entendimiento del origen de la masa de las partículas subatómicas”. La confirmación experimental de dicho “mecanismo” vino a darse en julio del año pasado, cuando los experimentos ATLAS y CMS de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN, encontraron la partícula elemental predicha por estos físicos. La partícula encontrada no es nada menos que el bosón de Higgs, conocido también mediante el popular sobrenombre de “partícula de Dios”.

Cuando en diciembre de 2011 los portavoces del CERN anunciaron a los medios que se encontraban cerca de corroborar la presencia de la partícula en el Gran Colisionador de Hadrones, que es la infraestructura experimental construida  -entre otras cosas- para hallarla, la excitación que se dio como consecuencia del anuncio en los medios especializados y de divulgación, comenzó a tener eco también en los medios de información más general. Así, el público no especializado ni interesado en la física, comenzó a recibir información sobre lo cerca que estaban los físicos de descubrir la “elusiva partícula de Dios”. La ola de especulaciones relativa al significado de este descubrimiento no se hizo esperar. YouTube es el mejor testigo de esto.

[pullquote]Todavía aún, los físicos especulan acerca del significado que este descubrimiento puede tener para su ciencia, mientras que los “no iniciados” tratan de entender primero, por qué se le dio el nombre de “partícula de Dios” a un “trozo de materia”, y segundo, qué fue realmente lo que descubrieron en el CERN.[/pullquote]

El Modelo Estándar, completado

lhcLa física es, en último término, el estudio de la materia y el movimiento. Un ejemplo paradigmático de esta actividad es la especialidad conocida como “física de partículas”, donde se tienen como objetivos descubrir los componentes fundamentales de la materia y formular las leyes matemáticas que gobiernan su comportamiento.

Un resultado importante -quizás, el resultado– de la física del siglo XX es la corroboración de que la materia no es continua, sino que está hecha de “pedazos” discretos de materia, conocidos con el nombre de partículas fundamentales. Estás partículas son puntos invisibles de materia, sin tamaño alguno, no observables directamente, sino mediante experimentos especializados, y reciben el nombre de fermiones.

Los fermiones interactúan en cuatro formas diferentes: interacción gravitatoria, interacción electromagnética, interacción nuclear débil e interacción nuclear fuerte. Cada interacción entre dos fermiones se da porque éstos intercambian una “partícula mensajera” de la interacción, llamada bosón. Así, además de los fermiones, que forman la materia, existen los bosones, que se encargan de “comunicar” las interacciones de un fermión a otro.

La explicación matemática -si es que la matemática puede explicar algo- de estas interacciones se encuentra resumida en el llamado Modelo Estándar de la Física de Partículas, desarrollado durante el siglo XX por un numeroso grupo de físicos, entre los que se encuentran varios galardonados con el Nobel. Este modelo permite incluir dentro del formalismo matemático las interacciones electromagnética, débil y fuerte. La interacción gravitatoria se encuentra aún fuera del alcance de éste.

peter-higgs-book-chalkboardEl “mecanismo” matemático ideado por Higgs e, independientemente, por Englert y Brout (éste último, el ya fallecido asociado de Englert), surgió inicialmente como una manera de sobrepasar ciertos obstáculos que los físicos encontraban en los cálculos del Modelo Estándar. Cuando a las partículas elementales se les asignaba una masa nula (o sea de cero), la matemática funcionaba, pero, apenas las masas de las partículas eran introducidas en las ecuaciones, todo dejaba de funcionar. Esto contrastaba con el evidente hecho experimental de que todas las partículas que forman la materia -los fermiones- tienen masa, así como algunos bosones (los asociados a la interacción débil).

Lo que hicieron Higgs, Englert y Brout, fue postular un “campo de fuerza”, llamado hoy el campo de Higgs, presente en todo el espacio vacío y el cuál, al interactuar con las diferentes partículas, hace que éstas se comporten como si tuvieran masa, en los valores observados experimentalmente. De esta manera, las incoherencias matemáticas del modelo desaparecían. La única “condición extra” necesaria, es que debía existir una partícula -un bosón- que actuara como mensajero de este “campo”. Adicionalmente, aparece una “interacción” nueva, la “interacción de Higgs”. De esta manera, se afirma que, mediante la interacción con el campo de Higgs, las partículas elementales adquieren masa.

Todas las partículas elementales que según este modelo matemático debían existir, habían sido encontradas durante el siglo XX, con la notable excepción del bosón de Higgs, que seguía “eludiendo” a los científicos en los diferentes laboratorios de física de partículas en el mundo. Fue necesaria la construcción del LHC o Gran Colisionador de Hadrones, para poder “observar” experimentalmente este bosón. Por esta razón, el bosón de Higgs era para muchos “la pieza faltante en el rompecabezas de la física de partículas”.

 La “partícula de Dios”

ledermanEl físico norteamericano y laureado con el premio Nobel Leon Lederman escribió en 1993 un libro con el título de La partícula de Dios. Si el Universo es la respuesta, ¿cuál era la pregunta?, que era un texto de divulgación científica y quizás también un panfleto pensado para estimular la construcción del “Supercolisionador superconductivo”, aparato similar al LHC, que debía ser construido en los Estados Unidos con el fin de hallar experimentalmente el bosón de Higgs, pero que finalmente, debido a cuestiones de presupuesto, fue cancelado. El título de libro dio origen entonces al sobrenombre por el que es más conocido el bosón de Higgs.

Lederman justifica el título puesto al libro con dos razones: (1) los editores no le permitirían titular el libro La maldita partícula (maldita, “goddamn”, surge de modificar Dios, “God”), el cual sería -según Lederman- un título más apropiado, debido a la elusiva naturaleza de la partícula, y (2) debido a la relación que encuentra Lederman entre este libro y “otro libro, un mucho más antiguo…”, refiriéndose obviamente a la Biblia. Podríamos pensar en una tercera razón, quizás más coherente con la realidad que las dos anteriores: es sabido que  la palabra “Dios” incluida en un libro de física suele aumentar considerablemente las ventas de dicho libro (¡Pregúntenle a Sagan, Weinberg o Hawkins!). Esta sola razón basta para incluirla, si es posible, en el título, y todas las veces que sea posible dentro del texto… Quizás pecamos de exceso de desconfianza, pues los físicos no son personas ambiciosas, ¿no es cierto?

[pullquote]Aparte del “apodo” puesto a la partícula por Lederman, y después de una concienzuda lectura del libro, no se encuentra en realidad ninguna conexión real entre la física expuesta allí (y hago énfasis en la física, para omitir toda elucubración metacientífica adyacente) y ningún campo de la teología. Podemos respirar profundo y estar tranquilos puesto que, a pesar del hallazgo del bosón de Higgs, tanto la física como la teología se encuentran a salvo. [/pullquote]

No será la primera vez que los científicos tratan de dar nombres rimbombantes a los objetos de su ciencia (piénsese por ejemplo en la Teoría del Todo, en la Supersimetría, o, incluso, en la Gravitación Universal). Por otra parte, y para mayor sorpresa, Lederman dedica un apartado entero del libro a desacreditar a aquellos “que intentan explicar la física moderna en términos de la religión Oriental y el misticismo”, refiriéndose a libros como el Tao de la Física, de Fritjof Capra. Es curioso como las personas no solemos llevar nosotros mismos las cargas que ponemos en hombros de otros.

El triunfo del “método científico”

francis-h.-c.-crick-nobel-prize-medal-1El 8 de octubre pasado, Gunnar Ingelmann, uno de los miembros de la Real Academia Sueca de las Ciencias, anunciaba el otorgamiento del Nobel a Higgs y Englert, enfatizando que el descubrimiento del bosón “ilustra también el método científico, es decir, la formulación de teorías basadas en las matemáticas, en un intento por entender las leyes de la naturaleza, y su confrontación frente a los resultados experimentales”. Podemos preguntarnos entonces ¿fue así en este caso? ¿Es entonces el método científico el método de las ciencias?

Por una parte, es importante reconocer que la formulación matemática del comportamiento de la naturaleza ha tenido un éxito rotundo e innegable. Los modelos matemáticos permiten al científico dar coherencia a los datos experimentales que obtiene, así como predecir nuevos datos que puede medir. Usando la matemática, se puede predecir la existencia de fenómenos no observados aún, cuya observación experimental es una confirmación a posteriori de la validez de las ecuaciones. Finalmente, la matemática se ha convertido en el lenguaje de las ciencias naturales. No se concibe la investigación científica hoy sin el uso de las matemáticas.

De otra parte, es importante reconocer, como lo hace Gerard ‘t Hooft, otro laureado con el Nobel de Física, en su libro Partículas Elementales, que “el problema no es sólo enfrentarse a las matemáticas abstractas; con mayor frecuencia la parte más difícil es establecer las ecuaciones y los formalismos matemáticos correctos… Pero ¿qué son las ecuaciones?”. El que las matemáticas se puedan usar exitosamente en las ciencias naturales es un hecho que ningún científico es realmente capaz de explicar, es sólo algo que sucede. Nadie, hablando de física, sabe realmente qué son las ecuaciones o por qué funcionan.

equationsNo obstante, es preciso decir, junto con Martinus Veltman, otro ganador del Nobel de física (¡han sido numerosos!), que “los problemas realmente fundamentales de la física pueden siempre ser explicados en términos simples, sin la ayuda de ecuaciones complicadas o argumentos matemáticos”. Esto es cierto, en tanto en cuanto los problemas realmente fundamentales de la física están dentro el dominio de otro campo de mayor vuelo y amplitud: la filosofía. Los científicos podrán, en el mejor de los casos, explicar el cómo de los fenómenos físicos, pero con muy poco éxito podrán explicar el qué y mucho menos el por qué. El mismo Veltman termina admitiendo en su libro Hechos y Misterios en la Física de Partículas Elementales, que la física moderna no es más que una “fenomenología”.

En el caso en cuestión, el del mecanismo de Brout-Englert-Higgs, podemos afirmar con Veltman que “desde un punto de vista físico, poco se gana proponiendo que el bosón de Higgs da cuenta de la masa”. La ignorancia acerca del origen de las masas de las partículas es reemplazado -vía el campo de Higgs- con la ignorancia acerca de cómo interactúan las partículas con el campo (porque no está claro); no se gana ningún conocimiento real. A nivel conceptual, sólo se ha convertido una pregunta en otra.

No obstante, está el hecho concreto de que el bosón de Higgs existe. Ha sido localizado independientemente por los sensores ATLAS y CMS, con una gran coincidencia en los resultados. ¿Puede cuestionarse este hecho tangible?

De nuevo, es deber del no científico (y del científico también), aplaudir la eficacia con la que los experimentadores han sido capaces de corroborar cada predicción de los físicos teóricos (y también de desmentirla, cuando fuese el caso). Si las matemáticas implicadas en la física contemporánea nos asombran, más se puede decir aún de los métodos experimentales desarrollados para corroborar sus predicciones. Si se examina sólo superficialmente la ingeniería asociada al LHC, uno podría terminar creyendo que le están hablando de una obra de ciencia ficción. No podría ser menos, pues el consenso adoptado por los físicos para determinar que han descubierto algo es que la observación debe repetirse muchas veces, tantas que, finalmente, la probabilidad, de que el supuesto descubrimiento sea una señal proveniente del ruido experimental, o sea, de la variación normal a la que están sujetas las cosas reales, sea de ¡una en 3.5 millones! Éste es el llamado criterio de “cinco sigma” o “cinco desviaciones estándar”. Para los que alguna vez hemos hecho algún tipo de experimento, obtener un nivel de confianza de una o dos sigma ya es todo un reto.

[pullquote]Es curioso, primero que todo, observar que el criterio de juicio del resultado experimental, es, nuevamente, matemático. Para ser más precisos, estadístico. Esto se debe a algo que se encuentra dentro del corazón del llamado “método científico” y es que el científico experimental, al tratar con el mundo real, decide deliberadamente ignorar ciertos aspectos de éste. Por ejemplo, si realizo un experimento en el que quiero estudiar el tiempo de caída de un objeto desde cierta altura, puedo ignorar variables como la temperatura y presión del aire, la velocidad del aire, el estado de las baterías del equipo que uso para medir tiempos, la temperatura de la barra con la que mido las distancias, etcétera. Todas estas variables se incluyen dentro de mi resultado como un valor de incertidumbre de la medición. [/pullquote]

Esto es necesario dentro de la experimentación científica, pues si un experimentador decidiera tener en cuenta dentro de su ensayo de laboratorio todas las variables que pueden afectar la medida, nunca podría llegar a un resultado concreto, pues se la pasaría toda su vida tratando de calcular el efecto de estas variables en su resultado. La consecuencia de todo esto es clara: una sola medición no dice nada; hay que realizar muchas mediciones.

En el caso del descubrimiento del bosón de Higgs hay un ingrediente adicional y es de origen humano y tecnológico. Debido a que la cantidad de partículas que colisionan en el LHC es muy grande (unas veinte colisiones cada veinticinco nanosegundos), la cantidad de información que se genera dentro de sus detectores es inmensa, del orden de un petabyte cada dos segundos (un petabyte es la información que cabe en los discos duros de unos mil computadores personales de hoy), por esto es necesario que sea filtrada a un tamaño más manejable, para luego ser estudiada por los físicos involucrados en el proyecto. Se instalan entonces filtros electrónicos y de software, donde se programa a priori cuáles eventos deben ser tenidos en cuenta y cuáles no; la abrumadora mayoría de la información generada en las colisiones es ignorada. Aunque los científicos son muy cuidadosos en corroborar que ninguna información vital esté siendo filtrada, es posible aún que ciertos fenómenos que puedan ser de interés simplemente estén siendo pasados por alto.

Vale la pena mencionar también que se pueden presentar fallos experimentales dentro de las mediciones, como en 2011, cuando el CERN creyó detectar en el LHC partículas que viajaban a una velocidad mayor que la de la luz en el vacío, lo cual viola las leyes básicas de la física de partículas; la causa del error fue posteriormente hallada y corregida.

Dicho lo anterior, es vital una actitud de libertad científica frente al mismo “método científico” y a los descubrimientos clamados por los físicos. No debe ser el escepticismo del que “no cree ni en lo que come”, pero tampoco una candidez sin criterio. Todavía queda un trabajo importante para los filósofos de la ciencia y es el dar un sentido a lo que los físicos han hallado. Y el camino aún está lejos de finalizar…

Más allá del Modelo Estándar

Aunque se encontró “la última pieza” y el Modelo Estándar está finalmente completado tanto a nivel teórico como experimental, los físicos de partículas tienen claro que aún les queda mucho trabajo por delante, pues el Modelo Estándar deja abiertas brechas importantes para ser “cerradas” por estudios posteriores (quienes estaban desistiendo de un pregrado en física, por favor lean lo que sigue). Aquí serán mencionadas sólo dos.

Albert EinsteinLa falla más evidente del modelo es que no incluye la interacción gravitacional. A nivel macroscópico se tiene una teoría bastante consistente de la interacción gravitatoria: la Teoría General de la Relatividad, desarrollada por Albert Einstein en la primera parte del siglo XX. Sin embargo, conciliar esta teoría con la mecánica cuántica ha sido un dolor de cabeza colosal para los teóricos. Lo que funciona en el “reino” de la relatividad general, no funciona en el “reino” cuántico, y viceversa.

Otro vacío, que no podemos adjudicárselo tanto al Modelo Estándar, como a nuestra ignorancia del mundo material, es que la materia ordinaria y visible, de la que están hechos las estrellas y los planetas, representa tan sólo algo así como el 5% de la materia existente. El restante 95% corresponde a la materia oscura y la menos conocida aún energía oscura, siendo ambas materia que sabemos que existe pues podemos detectar sus efectos sobre la materia visible, pero que aún no se tiene una idea clara de qué son. Una tarea posterior del LHC (¡no se gastaron USD 8 mil millones sólo para ver el bosón de Higgs!) será tratar de encontrar partículas candidatas a ser los constituyentes de la materia oscura. Aún queda mucho del universo por explorar.

En la búsqueda de soluciones de los interrogantes que deja abiertos el Modelo Estándar han surgido una variedad de modelos matemáticos más asombrosos aún que los usados hasta ahora. Surgen modelos de supersimetría, teorías de cuerdas y supercuerdas, teorías de membranas, entre otros, que buscan ir más allá, hacia el mundo de lo microscópico. En esta búsqueda se cruzan casualmente con otro fenómeno que ha intrigado a físicos y no físicos durante años: el Big Bang, o la Gran Explosión que se piensa ocurrió al inicio del universo material. Sólo durante esta gran explosión se pudieron dar las energías necesarias para la existencia de muchas de las partículas hoy detectadas en los aceleradores. Así, el LHC termina siendo no sólo el microscopio más potente que existe, sino también una especie de máquina del tiempo.

Para concluir…

Aunque hoy todavía los filósofos tienen la tarea de descifrar los mayores interrogantes que aquejan al hombre, los descubrimientos y los esfuerzos investigativos que se llevan a cabo en el campo de la física contemporánea la convierten en un excitante campo de trabajo, donde quedan todavía muchas cosas por descubrir y muchas preguntas por responder. El Modelo Estándar está completo, pero se continúa hoy con una tarea mayor, la de la física posterior al Modelo Estándar.

© 2014 – Carlos Andrés Patiño para el Centro de Estudios Católicos – CEC

Carlos Andrés Patiño Mejía

Carlos Andrés nació en Medellín, ciudad donde reside. Es Ingeniero Químico de la Universidad Pontificia Bolivariana y ha trabajado siempre en compañías Químicas, primero en el área de Investigación y Desarrollo y, posteriormente, en el área de ventas. Es aficionado al estudio de las Ciencias y su conexión con la Filosofía.

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