El Salto del MIcrocosmos al Macrocosmos

El problema de la estructura de la materia se habia solucionado con el descubrimiento de los mesones, formados por piones y muones en 1947. Para avanzar en el complejo mundo cuántico se hacían necesarios aceleradores más potentes que los ciclotrones de Lawrence. En 1945 MacMillan en Estados Unidos y Veksler en la Unión Soviética propusieron el principio de estabilidad de fase para construir aceleradores más potentes, surgieron así el sincrociclotrón y el sincrotón, además se construyeron aceleradores lineales merced a los trabajos de Álvarez, Hansen y Panfosky capaces de alcanzar los 900 MeV como el de Stanford. En 1943 Oliphant proponía un nuevo tipo de acelerador en forma de anillo, en el que la aceleración se lograría por la variación simultánea del campo magnético y la frecuencia de la tensión aplicada, principio que fue desarrollado en 1952 por Courant, Livingston, Snyder y Cristofilos que desembocó en la construcción del sincrotón en Ginebra del CERN en 1959, que alcanzaba los 28,5 GeV. Entre tanto, la radiación cósmica vino en ayuda de los físicos. De esta forma, fueron identificados los piones y los muones mediante la interpretación de las trazas dejadas en placas fotográficas por los rayos cósmicos.

Microcosmos y macrocosmos aparecían ligados entre sí. La estructura de la materia y del Universo debían de mantener una fuerte interrelación. De alguna manera la relatividad y la mecánica cuántica deberían estar relacionadas. De hecho, esa ligadura ya se había puesto de manifiesto con el principio de exclusión de Pauli y la ecuación de Dirac, desarrollada en 1928, que le llevó a postular la existencia del positrón, dando entrada al concepto de antimateria, esto es, la existencia de pares de partículas iguales con carga distinta. En 1950 en Berkeley se identificaba un nuevo pión, el pión neutro. A partir de entonces han ido apareciendo nuevas partículas, como los mesones K y los hyperiones. El modelo propuesto por Yukawa para explicar el comportamiento de la interacción fuerte, responsable de la estabilidad del núcleo atómico, fue sustituida en los años setenta por la cromodinámica cuántica (QDC) debido a la creciente complejidad del mundo atómico con la aparición de los quarks. Las partículas que interaccionan fuertemente se denominan hadrones, que a su vez están integrados por dos familias de partículas los mesones y los bariones.

Las características y propiedades de los bariones han dado lugar al establecimiento de la ley de conservación del número bariónico, por la que el número de bariones y antibariones se conserva y explica la estabilidad del protón, que es un miembro de la familia de los bariones, y con ella de la estabilidad de la materia. Además de los hadrones, existen los leptones, constituidos por el electrón, el neutrino y los muones. A su vez los hadrones están formados por quarks, éstos fueron propuestos en 1964 por Murray Gell-Mann y George Zweig. Los mesones están constituidos por un par quark-antiquark, mientras los bariones tienen tres quarks. Según la cromodinámica cuántica, los quarks nunca pueden aparecer bajo la forma de partículas libres. En los años setenta ha sido posible determinar las cargas de los quarks en el interior del protón, gracias al SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). Junto con los quarks, en el interior de los hadrones se encuentran los gluones, responsables de la unión de los nucleones, observados en 1979 por el acelerador PETRA de Hamburgo. Como consecuencia del descubrimiento en la radiación cósmica de una nueva partícula neutra, llamada hyperión lambda, y del mesón K a ella asociado se descubrió un nuevo número cuántico, al que se denominó extrañeza, que aparece asociado a un nuevo quark, el quark s. La desintegración de las partículas con extrañeza responden, como la desintegración beta, a la interacción débil. La combinación de los quarks d, u y s explican la existencia de los hyperiones epsilon, descubiertos a principios de los años cincuenta, los hyperiones forman la familia de las partículas delta.

En 1964 se descubrió una nueva partícula con extrañeza, la omega- predicha con anterioridad por la teoría de Gell-mann y Ne´eman, con ella podían interpretarse satisfactoriamente los sistemas de hadrones constituidos por los quarks d, u y s. Sin embargo, en la segunda mitad de los años sesenta los físicos predijeron una nueva interacción, la interacción de la corriente neutra que fue observada en el CERN en 1973, asociada a un nuevo quark: el quark c, predicho en 1970 por Sheldon Glashow. En 1974 se descubrió en el laboratorio Brookhaven por Sam Ting y en el SLAC por Burton Richter una nueva partícula, la psi, que Richard Feynman y Harald Fritzsch atribuyeron a un nuevo número cuántico al que denominaron encanto. En 1979 se encontraron evidencias de la existencia del número cuántico encanto en los bariones, que se añadían así a los mesones encantados. En 1970 Gell-Mann y Fritzsch postularon la existencia de un nuevo número cuántico al que llamaron color, para explicar por qué el estado de la partícula delta++ es antisimétrico como exige el principio de exclusión de Pauli. De esta forma, los quarks podían ser rojos, verdes y azules -los colores son exclusivamente denominaciones-, con el número cuántico color se desarrolló la cromodinámica cuántica (CDQ), que ha venido ha completar a la electrodinámica cuántica (QED) que se ocupa de la interacción electromagnética a escala cuántica, para explicar la estructura y comportamiento de la materia.

La física de las partículas elementales ha permitido avanzar en el conocimiento de la estructura del Universo. De esta forma, relatividad general y física cuántica se revelan como dos teorías fundamentales para comprender el macrocosmos. A razón de ello estriba en el hecho de que las partículas elementales requieren altísimas energías para su producción, capaces de romper las fuerzas de ligadura del núcleo atómico. Estos procesos sólo se producen en el interior de las estrellas o en la explosión de las mismas en sus variadas formas, en función de su masa: supernovas y gigantes rojas, que dan lugar a estrellas de neutrones, agujeros negros, enanas blancas y enanas negras; o en las primeras etapas del big bang. El big bang se considera la singularidad inicial de la que parte nuestro actual Universo. La teoría del Big bang forma parte del modelo estándar surgido de la relatividad general, que además se ajusta con bastante precisión a los resultados de la física cuántica en el ámbito de las partículas elementales. En 1948, George Gamow predijo que debería existir un rastro en el Universo de la explosión inicial o big bang, dicho rastro fue observado en 1965 por Penzias y Wilson, era la radiación de fondo de cuerpo negro, radiación térmica de 2,7 grados kelvin residuo del big bang.

En los instantes posteriores al big bang el Universo estaba extremadamente caliente y condensado, en aquellos momentos las leyes de la física no operaban y las partículas elementales de la materia no eran viables. Steven Weinberg ha descrito lo que sucedió en el lapso de tiempo comprendido entre una diezmilésima de segundo después del big bang y los tres primeros minutos del Universo actual, lapso en el que el Universo inicio su expansión y enfriamiento haciendo posible las fuerzas de ligadura que regulan las leyes de la física. Una hora y cuarto después del big bang la temperatura ha descendido a algo menos de una décima parte, unos 300 millones de grados kelvin, en ese momento las partículas elementales se encuentran ligadas en núcleos de helio o en protones libres, además de la existencia de electrones. Alrededor de 700.000 años después del big bang la expansión y el enfriamiento del Universo permitirán la formación de núcleos y átomos estables, el desacoplamiento de la materia y la radiación permitirá el inicio del proceso de formación de galaxias y estrellas.

El modelo actual del Universo introduce la flecha del tiempo, que en el ámbito de la física había sido introducida por Ludwig Boltzmann con la segunda ley de la termodinámica en el último tercio del siglo XIX. La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía de un sistema aislado aumenta con el tiempo. En términos generales, la entropía de un sistema es una medida de su desorden manifiesto.

La segunda ley de la termodinámica introduce la asimetría temporal, o flecha del tiempo. El Universo es por definición un sistema aislado, además el modelo actual del Universo dinámico y en expansión se ajusta a la existencia de una flecha del tiempo, cuya dirección discurriría desde el big bang hacia el futuro. El problema se plantea a la hora de hacer compatible la entropía del Universo, regida por la segunda ley de la termodinámica, y las ecuaciones de la relatividad general y de la mecánica cuántica que son simétricas en el tiempo especialmente las primeras, en tanto en cuanto la reducción del paquete de ondas dentro del formalismo mecánico-cuántico es asimétrica temporalmente. En la actualidad se piensa que la solución a este problema vendrá de la mano de la construcción una teoría de la gravitación cuántica, una teoría cuántica de la estructura del espacio-tiempo, para lo que el estudio de los agujeros negros se revela como el camino más factible, los trabajos de Roger Penrose y Stephen Hawking van en esta dirección.