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En busca de nuevas leyes

 

 

En esta conferencia no voy a hablar del carácter de las leyes físicas en sentido estricto. Cuando se habla de las leyes físicas, cabe suponer que se está hablando de la naturaleza; pero en esta ocasión no quiero hablar de la naturaleza, sino de nuestra posición actual en relación a la naturaleza. Quiero hablar de lo que creemos saber, de lo que queda por descubrir y de cómo nos las arreglamos para entrever cosas nuevas. Alguien ha sugerido que sería perfecto que a lo largo de la charla pudiera explicar con detalle cómo descubrir una ley y acabar creando una nueva ley para ustedes. No sé si seré capaz de hacerlo.

Primero quiero hablar de la situación actual, de lo que sabemos en física ahora mismo. Alguien puede pensar que ya lo he explicado todo, puesto que he hablado de todos los grandes principios conocidos. Pero los principios se refieren a algo: el principio de conservación de la energía se refiere a la energía de algo, y las leyes de la mecánica cuántica son leyes de la mecánica cuántica de algo. Ninguno de estos principios nos dice de qué parte de la naturaleza estamos hablando. Así pues, les voy a hablar un poco de aquello a lo que, se supone, se refieren todos estos principios.

En primer lugar existe la materia; y, curiosamente, toda la materia es de la misma clase. La materia de la que están hechas las estrellas es la misma que compone la Tierra. Las características de la luz emitida por las estrellas nos proporcionan una especie de huella dactilar que nos permite saber que en ellas hay los mismos elementos químicos que en la Tierra. Los mismos átomos parecen estar presentes tanto en los seres vivos como en la materia inanimada: las ranas están hechas de la misma materia que las piedras, sólo que ordenada de forma distinta. Esto simplifica nuestro problema, ya que no tenemos más que átomos por todas partes.

Los átomos parecen estar hechos todos de la misma manera. Tienen un núcleo alrededor del cual hay electrones. Podemos confeccionar una lista de las partes del mundo que creemos conocer (figura 32).

 

Figura 32

 

En primer lugar están los electrones, que son las partículas más externas del átomo. Luego están los núcleos, que hoy se consideran compuestos de otras dos cosas (dos tipos de partículas) llamadas neutrones y protones. Lo que vemos de las estrellas y sus átomos es la luz que emiten, y la propia luz se describe en términos de partículas llamadas fotones. Comenzamos hablando de la gravedad; si la teoría cuántica es correcta, la gravedad debería consistir en ondas que también se comportarían como partículas, los llamados gravitones. Pero si prefieren no creer en ello pueden conformarse con hablar simplemente de gravedad. Por último mencioné también lo que se conoce como desintegración beta, en la que un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino (en realidad, un antineutrino). Así que existe otra partícula, el neutrino. Además de todas estas partículas están, por supuesto, las antipartículas. Esto no es más que una forma expeditiva y sin complicaciones de duplicar el número de partículas.

Mediante las partículas citadas pueden explicarse todos los fenómenos de baja energía, de hecho todos los fenómenos comunes que, hasta donde sabemos, ocurren en cualquier parte del universo. Hay excepciones, como cuando alguna partícula de muy alta energía se deja caer de tarde en tarde, o se crea en el laboratorio. Pero si dejamos de lado estos casos especiales, todos los fenómenos corrientes pueden explicarse por las acciones y movimientos de las partículas. Por ejemplo, se supone que la propia vida es inteligible en principio a partir de los movimientos de los átomos, y estos átomos están hechos de neutrones, protones y electrones. Debo aclarar enseguida que cuando afirmamos que la vida es inteligible en principio sólo queremos decir que creemos que, si pudiéramos conocer todos los detalles, hallaríamos que no hay que descubrir nada nuevo en física para comprender el fenómeno de la vida. Otro ejemplo, el hecho de que las estrellas emitan energía, solar o estelar, seguramente es también comprensible en términos de reacciones nucleares entre estas partículas. Detalles de toda suerte sobre el comportamiento de los átomos quedan perfectamente descritos por este tipo de modelo, al menos en la medida de nuestro conocimiento actual. De hecho, me atrevo a decir que en la actualidad no hay fenómeno del que creamos que no puede explicarse de esta manera, o siquiera que sea demasiado misterioso.

Esto no siempre fue así. Un ejemplo es el fenómeno de la superconductividad, que significa que, a muy bajas temperaturas, los metales conducen la electricidad sin resistencia alguna. Al principio no era en absoluto obvio que fuera consecuencia de las leyes conocidas. Pero ahora que ha sido estudiado a fondo se ha visto que es perfectamente explicable en términos de nuestros conocimientos actuales. Existen otros fenómenos, como la telepatía, que no pueden ser explicados por la física que conocemos. Sin embargo, los fenómenos de este tipo no han sido debidamente verificados y no puede asegurarse que sean reales. Si fuera así, ello indicaría que la física es incompleta, y por eso es tan importante para los físicos saber si tales fenómenos son reales o no. Hay muchos experimentos que indican que no lo son. Lo mismo ocurre con las influencias astrológicas. Si fuera cierto que las estrellas pudieran influir en que un día fuera más adecuado que otro para visitar al dentista (en América tenemos este tipo de astrología), entonces habría que reconocer que la teoría física es incorrecta, porque en principio no existe mecanismo inteligible en términos del comportamiento de las partículas que pueda explicarlo. Es por esto por lo que los científicos se muestran escépticos hacia estas cosas.

Por otra parte, en lo que respecta al hipnotismo, al principio, cuando el conocimiento del fenómeno era incompleto, parecía que tampoco tenía explicación posible en el ámbito de la física. Sin embargo, ahora que se sabe más se reconoce que la hipnosis podría estar mediada por procesos fisiológicos normales, aunque todavía desconocidos. No parece, por lo tanto, que haga falta postular una fuerza especial nueva.

En la actualidad, aunque la teoría que explica lo que ocurre fuera del núcleo parece lo bastante precisa y completa, en el sentido de que si se dispone de tiempo suficiente es posible calcular cualquier cosa con tanta precisión como permitan las medidas, resulta que las fuerzas entre neutrones y protones, los constituyentes del núcleo, no se comprenden del todo bien. Con esto quiero decir que aunque dispusiéramos de tiempo suficiente y buenos ordenadores, nuestro desconocimiento parcial no nos permitiría calcular exactamente los niveles de energía del carbono, por ejemplo. No sabemos lo suficiente. Aunque podemos calcular los niveles de energía de los electrones que rodean el núcleo, no podemos calcular los del núcleo, porque nuestro conocimiento de las fuerzas nucleares es incompleto.

Con el fin de llenar esta laguna, se ha experimentado con fenómenos de muy alta energía. Por ejemplo, se hacen chocar neutrones y protones muy acelerados para obtener cosas poco comunes y, mediante el estudio de estas curiosidades, conseguir entender mejor las fuerzas entre neutrones y protones. ¡Pero estos experimentos han abierto el ánfora de Pandora! Aunque lo único que queríamos era comprender algo mejor las fuerzas entre neutrones y protones, cuando hacemos que estas partículas choquen con gran fuerza descubrimos que existen más partículas en el mundo. De hecho, en nuestro intento de comprender las fuerzas nucleares hemos encontrado cerca de una cincuentena de otras partículas. Coloquemos estas otras partículas en la columna de neutrones y protones (figura 33), porque reaccionan con ellos y tienen que ver con las fuerzas que los unen.

 

Figura 33

 

Por añadidura, mientras se iba excavando todo este cieno, se obtuvo un par de cosas irrelevantes para el problema de las fuerzas nucleares. Una de ellas es el denominado mesón mu o muón, y la otra su neutrino acompañante. Hay dos tipos de neutrino, el que acompaña al electrón y el que acompaña al muón. Dicho sea de paso, ya conocemos todas las leyes del muón y su neutrino, y estas leyes dicen, al menos hasta donde muestran los experimentos, que se comportan exactamente igual que el electrón y su neutrino, con la diferencia de que la masa del mesón es 207 veces mayor que la del electrón. Pero ésta es la única diferencia entre ambos objetos, lo cual no deja de ser asombroso. Cuatro docenas de partículas adicionales (más sus antipartículas) es una cantidad muy grande. Tienen nombres diversos: mesones, piones, kaones, lambda, sigma… ¡Qué importa… con cuatro docenas de partículas hace falta inventar un montón de nombres! Pero resulta que estas partículas se agrupan en familias, lo cual es un consuelo. En realidad, algunas de esas pretendidas partículas duran tan poco que se debate si realmente es posible definir su existencia, pero no voy a entrar en ello.

Para ilustrar la idea de que las partículas se presentan en familias, voy a considerar el caso del neutrón y el protón. Ambos tienen la misma masa, con una diferencia de milésimas. Sus masas respectivas son 1836 y 1839 veces la masa del electrón. Más notable es el hecho de que, en relación con las fuerzas nucleares, las fuerzas fuertes del interior del núcleo, la fuerza entre dos protones es la misma que entre un protón y un neutrón y que entre dos neutrones. En otras palabras, las interacciones nucleares fuertes no permiten distinguir un protón de un neutrón. Se trata, pues, de una ley de simetría: se pueden sustituir los protones por neutrones sin que nada cambie (si sólo importan las fuerzas nucleares). Claro que si sustituimos un protón por un neutrón introducimos una gran diferencia, puesto que el protón tiene carga eléctrica y el neutrón no. La medida de la carga eléctrica evidencia enseguida la diferencia entre neutrón y protón, de manera que la simetría anterior es lo que se denomina una simetría aproximada. Es cierta para las interacciones fuertes de las fuerzas nucleares, pero no es una simetría fundamental de la naturaleza, porque no se cumple para la electricidad. Es, por lo tanto, una simetría parcial, de las que dan problemas a los físicos.

Ahora que se han ampliado las familias, resulta que las sustituciones del tipo neutrón por protón pueden hacerse extensivas a gran número de partículas. Pero la precisión es aún menor. La afirmación de que se pueden sustituir protones por neutrones es sólo aproximada (no es cierta en lo que respecta a la electricidad), pero las sustituciones adicionales descubiertas poseen un grado de simetría todavía menor. Sin embargo, estas simetrías parciales han permitido agrupar las partículas en familias y localizar huecos por llenar con partículas aún por descubrir.

Este juego de entrever relaciones de parentesco ilustra el tipo de precalentamiento que precede al descubrimiento de alguna ley profunda y fundamental. Una buena analogía es la confección por Mendeleiev* de la tabla periódica de los elementos. Fue un primer paso, pero la descripción completa de la fundamentación de la tabla periódica fue mucho más tardía y llegó con la teoría atómica. De modo parecido, la organización de nuestro conocimiento de los niveles nucleares fue efectuada hace unos años por Maria Mayer y Jensen,* en lo que denominaron el modelo de capas del núcleo.

La física participa de un juego similar, en el que se reducen las complejidades mediante la apreciación de relaciones aproximadas. Además de todas las partículas citadas tenemos todos los principios de los que hemos hablado (de simetría, de relatividad…) junto con la obligación de que las partículas se comporten según dicta la mecánica cuántica y, combinando esto con la relatividad, que todas las leyes de conservación sean locales.

Ahora bien, si juntamos todos estos principios constatamos que hay demasiados, que son mutuamente inconsistentes. Si tomamos la mecánica cuántica, más la relatividad, más la proposición de que todo tiene que ser local, más una serie de supuestos tácitos, da la impresión de que se tropieza con una inconsistencia, porque cuando calculamos ciertas cosas obtenemos un valor infinito; y si obtenemos un infinito, ¿cómo podremos decir que el resultado concuerda con la naturaleza? Un ejemplo de los supuestos tácitos que he mencionado, en relación con los cuales tenemos demasiados prejuicios para comprender su verdadera significación, es una proposición como la siguiente: si se calcula la probabilidad de todas las alternativas de un suceso (50 por ciento de posibilidades de que ocurra esto, 25 por ciento de que ocurra eso otro, etc.) su suma deberá ser igual a 1. Creemos que si sumamos todas las alternativas debemos obtener una probabilidad del 100 por ciento. No hay duda de que esta afirmación parece razonable, pero el problema siempre está en las cosas que parecen razonables. Otra proposición de este estilo es la que afirma que la energía debe ser siempre positiva. Otra proposición que seguramente contribuye a la inconsistencia es lo que se denomina causalidad, la idea de que los efectos no pueden preceder a sus causas. En realidad, nadie ha construido un modelo en el que se ignore la proposición relativa a las probabilidades, o se ignore la causalidad, y que a la vez sea consistente con la mecánica cuántica, la relatividad, la localidad, etc. De manera que no sabemos cuál de nuestros supuestos es el que nos crea problemas con los infinitos. ¡Bonito problema! Sin embargo, resulta que es posible camuflar los infinitos mediante un truco algo burdo y continuar temporalmente con nuestros cálculos.

Bien, ésta es la situación actual. Ahora les explicaré cómo buscar una nueva ley.

Por regla general, la búsqueda de nuevas leyes sigue los pasos que voy a describir. Primero la conjeturamos. A continuación calculamos las consecuencias de nuestra idea primitiva para ver cuáles serían las consecuencias de ser cierta nuestra conjetura. Comparamos luego los resultados de nuestros cálculos con lo que sabemos, por los experimentos o por la experiencia, acerca de la naturaleza para ver si cuadran. Si están en desacuerdo con los experimentos es que la conjetura está equivocada. En esta simple afirmación radica la clave de la ciencia. No importa que nuestra conjetura sea preciosa, ni lo listo que sea uno, ni el nombre del autor. Si los cálculos no concuerdan con lo observado la conjetura no vale. Y esto es todo. Es cierto que a todo ello hay que darle varias vueltas antes de emitir un veredicto definitivo, porque puede haber habido un error experimental, o algún detalle del experimento que haya pasado inadvertido, como un poco de suciedad, o que haya habido errores en el momento de transcribir los resultados. Todo esto es obvio, de manera que cuando hablo de que los cálculos no concuerdan con lo observado, se sobreentiende que el experimento y los propios cálculos han sido comprobados varias veces para certificar que las consecuencias calculadas son las consecuencias lógicas de nuestra conjetura y que, en última instancia, están en desacuerdo con un experimento cuidadosamente verificado.