«¿Es un punto o es una mota? Cuando está bajo el agua, ¿se moja? ¿O es el agua la que lo atrapa a él? Nadie lo sabe». -They Might Be Giants, «Particle Man»
En la escuela aprendemos que la materia está hecha de átomos y que los átomos están hechos de ingredientes más pequeños: protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están hechos de quarks, pero los electrones no. Por lo que podemos decir, los quarks y los electrones son partículas fundamentales, no están construidos a partir de nada más pequeño.
Una cosa es decir que todo está hecho de partículas, pero ¿qué es una partícula? Y ¿qué significa decir que una partícula es «fundamental»? ¿De qué están hechas las partículas, si no están construidas a partir de unidades más pequeñas?
«En el sentido más amplio, las ‘partículas’ son cosas físicas que podemos contar», dice Greg Gbur, escritor científico y físico de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte. No se puede tener la mitad de un quark o un tercio de un electrón. Y todas las partículas de un tipo determinado son exactamente idénticas entre sí: no vienen en varios colores ni tienen pequeñas matrículas que las distingan. Dos electrones cualesquiera producirán el mismo resultado en un detector, y eso es lo que los hace fundamentales: no vienen en un paquete de variedades.
No es sólo la materia: la luz también está hecha de partículas llamadas fotones. La mayoría de las veces, los fotones individuales no son perceptibles, pero los astronautas afirman haber visto destellos de luz incluso con los ojos cerrados, causados por un solo fotón de rayos gamma que se mueve a través del fluido dentro del globo ocular. Su interacción con las partículas del interior crea fotones de luz azul conocidos como luz Cherenkov, lo suficiente como para activar la retina, que puede «ver» un solo fotón (aunque se necesitan muchos más para crear una imagen de cualquier cosa).
Campos de partículas para siempre
Pero eso no es todo: Podemos contar las partículas, pero éstas pueden crearse o destruirse, e incluso cambiar de tipo en algunas circunstancias. Durante un tipo de reacción nuclear conocida como desintegración beta, un núcleo escupe un electrón y una partícula fundamental llamada antineutrino, mientras que un neutrón dentro del núcleo se transforma en un protón. Si un electrón se encuentra con un positrón a bajas velocidades, se aniquilan, dejando sólo rayos gamma; a altas velocidades, la colisión crea toda una serie de nuevas partículas.
Todo el mundo ha oído hablar del famoso E=mc2 de Einstein. Parte de lo que significa es que para crear una partícula se necesita una energía proporcional a su masa. Los neutrinos, que tienen una masa muy baja, son fáciles de fabricar; los electrones tienen un umbral más alto, mientras que los bosones de Higgs pesados necesitan una enorme cantidad de energía. Los fotones son los más fáciles de fabricar, porque no tienen masa ni carga eléctrica, por lo que no hay que superar ningún umbral de energía.
Pero se necesita algo más que energía para crear nuevas partículas. Puedes crear fotones acelerando electrones a través de un campo magnético, pero no puedes hacer neutrinos o más electrones de esa manera. La clave está en cómo esas partículas interactúan utilizando las tres fuerzas cuánticas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte. Sin embargo, esas fuerzas también se describen usando partículas en la teoría cuántica: el electromagnetismo lo llevan los fotones, la fuerza débil se rige por los bosones W y Z, y la fuerza fuerte implica a los gluones.
Todo esto se describe conjuntamente mediante una idea llamada «teoría cuántica de campos».
«La teoría de campos abarca la mecánica cuántica, y la mecánica cuántica abarca el resto de la física», dice Anthony Zee, físico del Instituto Kavli de Física Teórica y de la Universidad de California en Santa Bárbara. Zee, que ha escrito varios libros sobre la teoría cuántica de campos tanto para científicos como para no científicos, admite: «Si se presiona a un físico para que diga qué es un campo, dirá que un campo es cualquier cosa que haga un campo»
A pesar de la vaguedad del concepto, los campos lo describen todo. Dos electrones se acercan y agitan el campo electromagnético, creando fotones como ondas en un estanque. Esos fotones empujan entonces a los electrones a separarse.
¿Qué ondas?
Las ondas son la mejor metáfora para entender las partículas y los campos. Los electrones, además de ser partículas, son simultáneamente ondas en el «campo de los electrones». Los quarks son ondas en el «campo de los quarks» (y como hay seis tipos de quarks, hay seis campos de quarks), y así sucesivamente. Los fotones son como las ondas de agua: pueden ser grandes o pequeñas, violentas o apenas perceptibles. Los campos que describen las partículas de materia son más bien como las ondas de una cuerda de guitarra. Si no se pulsa la cuerda con la suficiente fuerza, no se obtiene ningún sonido: se necesita el umbral de energía correspondiente a la masa de un electrón para producirlo. Sin embargo, con suficiente energía, se obtiene el primer armónico, que es una nota clara (para la cuerda) o un electrón (para el campo).
Como resultado de todo este pensamiento cuántico, a menudo es poco útil pensar en las partículas como si fueran pequeñas bolas.
«Los fotones viajan libremente por el espacio como una onda», dice Gbur, aunque se pueden contar como si fueran bolas.
La metáfora no es perfecta: Los campos para los electrones, el electromagnetismo y todo lo demás llenan todo el espacio-tiempo, en lugar de ser como una cuerda unidimensional o la superficie de un estanque bidimensional. Como dice Zee, «¿Qué se agita cuando una onda electromagnética atraviesa el espacio? No hay nada que se agite. No es necesario que haya agua como con una onda de agua».
Y por supuesto, aún nos queda la pregunta: Si las partículas provienen de campos, ¿son esos campos en sí mismos fundamentales, o hay una física más profunda involucrada? Hasta que la teoría no presente algo mejor, la descripción de partículas de la materia y las fuerzas es algo con lo que podemos contar.