El meollo de la física

Dos holandeses, Gerardus "t Hooft y Martinus Veltman (Gerard y Tini para sus colegas) han recibido el Nobel 99 de Física por una serie de trabajos que convirtieron nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la naturaleza en una teoría consistente y capaz de hacer predicciones precisas y certeras, cuando hasta finales de los años sesenta no era sino una chapuza casi impresentable. Sus publicaciones culminaron, aunque después continuaran, con la tesis doctoral de Gerard, el alumno de Tini. Es relativamente frecuente que los premios Nobel se concedan a un trabajo de alguien muy joven -Gerard tenía 22 años- y que pase un tiempo considerable -en este caso, alrededor de 30 años- antes de que el galardón se materialice. No cabe duda de que estos detalles tienen un profundo significado.La tesis de "t Hooft empieza, a modo de abracadabra, diciendo algo así como "Se construyen modelos renormalizables en los cuales una invariancia de gauge no abeliana se rompe espontáneamente". ¿Qué diablos quiere decir eso? ¿Y para qué sirve? Mi tarea de hoy consiste en contestar a estas preguntas.

Todo lo existente está hecho de partículas elementales. La materia conocida está compuesta de átomos, que son conjuntos de electrones y de quarks. Los quarks residen en los núcleos atómicos: son los constituyentes de los protones y neutrones de los que los núcleos están hechos.

Las fuerzas de la naturaleza se transmiten por medio de otras partículas elementales, como los fotones, que son a la vez partículas de luz y transmisores de las fuerzas electromagnéticas. Hay otras fuerzas, como la llamada débil, que describe los procesos de desintegración radiactiva, transmitida por otras partículas que se llaman, no muy elocuentemente, W y Z. Esta descripción de todo lo que hay se llama el Modelo Estándar. Modelo le viene de antiguo, en el terreno científico la palabra tiene una connotación peyorativa, de obra incompleta.

La teoría de casi todo

Volvamos a 't Hooft y Veltman. Lo que la espeluznante frase de la tesis de 't Hooft significa es que el Modelo Estándar no es sólo un modelo, sino una teoría de verdad, consistente y predictiva; que no es sólo una lista de "las cosas que hay", sino que explica cómo funcionan. Una teoría bellísima, con una simetría profunda -aunque misteriosamente oculta- y a la que se aplican los restantes y alucinantes adjetivos que aún he de explicar. El trabajo de estos dos holandeses tuvo un efecto revolucionario: de repente, todas las piezas del rompecabezas cayeron en su sitio y podíamos entender con precisión los procesos naturales más fundamentales y profundos.

La teoría de todo o de casi todo (las fuerzas gravitacionales no están aún completamente entendidas) nacía en aquel momento. Y cosechó desde entonces sólo éxito tras éxito en sus augurios y explicaciones. La teoría era tan elegante y convincente, que cuando algunas de sus fundamentales predicciones se comprobaron -como con el descubrimiento del W y del Z en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, CERN, con todas sus propiedades exactamente "como en el libro"-, los físicos, en lugar de entonar un ruidoso eureka, dijeron más bien, con cierta calma: "¡Claro está!".

Menos claras están las incomprensibles palabrotas que inician la tesis de "t Hooft y que ahora intento explicar.

Los pájaros se posan tranquilamente sobre las líneas de alta tensión sin electrocutarse. Gracias, claro está, a que la teoría que describe todos los fenómenos eléctricos y magnéticos es una teoría de gauge (o de calibre, en castellano menos anglosajón). Los cables pueden tener un voltaje enorme, pero lo que cuenta son las diferencias de voltaje, en este caso entre el cable y el suelo. Si un pájaro aún encaramado pudiera estirar una patita hasta tocar el suelo, caería achicharrado. Las teorías basadas en voltajes o potenciales, en las cuales sólo las diferencias son significativas, se llaman teorías de calibre.

Supongamos que el lector estuviese de pie, mirando al norte. Si gira 180 grados sobre sí mismo, mirará al sur. Si después se deja caer hacia adelante, acaba tumbado boca abajo, con la cabeza al sur. Empecemos de nuevo, pero en el orden contrario: primero dejarse caer y quedarse tumbado boca abajo. Y después girarse para acabar tumbado panza arriba, con la cabeza aún al norte. ¡El resultado final depende del orden en que uno efectúa estos encomiables ejercicios! Una teoría en la que el resultado de sucesivas operaciones depende, asimismo, del orden en que éstas se realicen, se llama una teoría no abeliana.

Más ejercicios. Ahora con un lápiz, que será menos cansado. Ponemos el lápiz de pie sobre la mesa. El lápiz es redondo y lo podríamos girar sobre el eje vertical, todas sus posiciones son equivalentes. Eso se llama una simetría. Ahora el lápiz se cae y acaba apuntando en una dirección determinada. Ya no hay la simetría original, el lápiz apunta en una dirección y no en otra. Dícese que "la simetría se ha roto espontáneamente", como la caída del lápiz hacia una posición más estable, caída que pudiera ser casi espontánea.

Partículas borrosas

Los más pequeños objetos existentes, las partículas elementales, no tienen partes, pueden considerarse como puntos infinitesimales. Pero esto es sólo cierto si se miran con una precisión determinada. Si se miran con mayor detalle, resulta que pueden emitir y reabsorber otras partículas con las que interaccionan: ahora la visión de la partícula resulta borrosa. El proceso de mirar con más y más detalle puede extenderse indefinidamente, el resultado es cada vez más complejo.

Lo malo es que la descripción de este fenómeno conduce normalmente a teorías de un grado de complicación ilimitado: las cosas se pueden enrevesar tanto, que la teoría pierde su capacidad de hacer predicciones sensatas a distintos niveles de detalle o, en la práctica, a distintas energías. Sólo las teorías que salvan este escollo son totalmente satisfactorias, se les llama teorías renormalizables. Y fueron "t Hooft y Veltman quienes convirtieron el Modelo Estándar en una teoría de este tipo, cuyas predicciones -por ejemplo, la masa que las partículas W y Z deberían de tener- no sólo eran sólidas, sino que resultaron acertadas.

El lector que hasta aquí haya llegado se merece un final menos duro. Tanto Tini como Gerard tienen caracteres fuertes. Dicen las malas lenguas que sus relaciones -inicialmente de maestro a alumno- no siempre han discurrido por los más idílicos cauces.

Quizás el Nobel les reconcilie definitivamente. O quizás no. Una de las decisiones más arduas que afronta el comité que decide sobre este premio es a quién citar primero en el Nobel de Física, si es compartido. El primer físico citado recibe el primer premio de manos del rey de Suecia y se sienta (si, como en este caso, se trata de un hombre) al lado de la Reina en el banquete de gala. Frecuentemente, el comité Nobel toma la cómoda decisión de utilizar el orden alfabético. Pero en este caso, "t Hooft es, hasta en sueco, alfabéticamente inclasificable, así que habrán tenido que tomar una decisión menos cómoda, sobre alguna base que se mantendrá eternamente en secreto.