Nas entrañas da natureza: simetrías
Zona unificada e aceleradores de fraccións
No catro forzas básicas que os físicos recoñecen paira explicar os fenómenos que ocorren na natureza, a da gravidade é a primeira que se creou historicamente e Newton foi o seu inventor. Mediante esta forza estrutúrase a relación entre as fraccións materiais. Na física newtoniana, a materia (fracción material) é o único elemento de existencia real no marco espazo-temporal prepuesto.
Con todo, na década de 1850 Maxwell, matematicamente a obra de Faraday, construíu una nova teoría física independente da gravitación: Electromagnética. Nesta nova teoría definíronse a Electricidade e o Magnetismo como aspectos diferentes dun fenómeno común, como vibracións do campo electromagnético.
Si na metafísica de Newton a fracción aparece como un elemento irreducible, a metafísica de Maxwell baséase no campo. A partir deste momento toda a ciencia aparecerá mergullada na dualidade fracción/onda, e esa dualidade segue viva na actualidade.
Paira superar esta fracción de identidade da natureza/poderío, Einstein tentou construír a teoría do espazo común. Pero en balde. Mecánica e Electromagnetismo, obstinados, manterán a independencia entre si, aparecendo a Natureza nas súas entrañas como dualista (e non monista).
Con todo, até hoxe chegou o desexo de conseguir a unidade de todos os ámbitos, é dicir, de mostrar o universo por unha soa forza. Na actualidade, os físicos, con axuda dos matemáticos, están a perseguir este obxectivo con máis entusiasmo que nunca, e proba diso son os xigantescos aceleradores de fraccións construídos e en construción. Esta tarefa non foi parecida na historia da ciencia, e paira construír estas máquinas necesítanse enormes cooperacións económicas e sociais entre os estados. (1).
Electrodinámica cuántica
No camiño cara a un campo unificado, o último período de 1960-70 anos foi moi importante, xa que naqueles anos a mecánica cuántica adaptouse con gran éxito aos campos electromagnéticos. Desta unión xurdiu a electrodinámica cuántica. Durante os quince anos nos que existiu esta teoría, demostrou una enorme precisión e capacidade paira predicir fenómenos.
Grazas a este éxito incomparable, os físicos comezaron a cuantificar outras tres forzas na natureza. Pero enseguida empezaron a resignarse. Mentres a forza violenta e a forza débil non se entendían ben, a teoría dos quarks (cromodinámica cuántica) non estaba consolidada, e a gravitación escapaba unha e outra vez á cuantización. Fai uns quince anos a situación era a seguinte: Paira expresar as catro forzas que tiña na natureza, había catro teorías diferentes, das cales só una (a electrodinámica cuántica) funcionaba desde o punto de vista do método científico.
Facíase una pregunta constante sobre os investigadores. Cal era a estrutura específica do campo electromagnético paira poder dar una representación cuántica tan adecuada e precisa aos outros tres campos? Se explicamos a estrutura interna do campo electromagnético, non sería posible adaptar dita estrutura ás outras tres zonas construíndo así a teoría do campo unificado?
Electromagnética e simetrías de Maxwell
Desde o nacemento da civilización humana, a influencia dos modelos simétricos no pensamento e a relixión é innegable, sobre todo as formas simétricas. Pero o concepto de simetría é moi profundo e non só cumpre a simetría formal. Hai un campo moi amplo, aínda sen explorar: a simetría máis abstracta. Este campo de simetrías abstractas foi a canteira da física moderna. E a súa importancia radica en que os físicos de hoxe creen que a existencia das catro forzas básicas que aparecen na natureza dáse paira perpetuar certas simetrías que residen na estrutura máis sinxela da natureza.
A relación entre a física e a simetría xeométrica era coñecida desde hai tempo por leis de subsistencia. As leis de permanencia indícannos que algo se mantén constante ao longo do tempo. A forma máis sinxela de ver as simetrías son as rotacias e os reflexos, pero non todos os tipos de simetrías que explica a Natureza.
Ás veces, ao analizar a descrición matemática dun sistema físico é posible atopar novos tipos de simetría. Temos un exemplo historicamente moi representativo: Caso das ecuacións do campo electromagnético de Maxwell. Maxwell ao analizar as súas ecuacións descubriu que os compoñentes eléctricos e magnéticos non aparecían totalmente simétricos. Baixo unha profunda sensación de intuición estética, engadiu un novo tema nas súas ecuacións para que fosen simétricos. Este novo compoñente conseguiu representar o campo magnético que produce un campo eléctrico variable, o novo efecto, que foi detectado experimentalmente.
Con todo, tardouse máis de 50 anos en comprender a profundidade das simetrías nas ecuacións de Maxwell. Lorentz e Poincaré descubriron con sorpresa que as ecuacións de Maxwell eran simétricas con respecto a una operación de suma de espazos e tempos. Se asociamos tempo ás tres dimensións espaciais, a estrutura en catro dimensións obtense espazo-temporal, entón a simetría de Lorentz/Poincaré é a rotación espazo-temporal. É dicir, existe una relación profunda entre o electromagnetismo e o espazo/ tempo; o espazo/tempo se deforma en forma simétrica cando o observador achégase á velocidade da luz. Tomando como real este fenómeno tan afastado da experiencia tradicional, Einstein aclarou una nova era: A era da relatividad.
Esta traxectoria ao longo da historia da ciencia advírtenos da importancia das simetrías matemáticas paira explicar os fundamentos ocultos que existen na natureza.
Renormalización e transformación gauge
Uno dos obstáculos máis importantes que se lles presentan á hora de realizar investigacións teóricas por parte dos físicos actuais, son os termos infinitos; nas ecuacións que os utilizan, a miúdo, os valores infinitos que aparecen nas magnitudes físicas. Fronte a este grave obstáculo, o investigador ten dúas vías: abandonar o modelo utilizado (o que significa volver a partir da nada) ou atopar una solución paira superalo. Loxicamente, os físicos optaron por esta segunda vía, e cando eses infinitos aparecen, renormalizan a orixe da escala (correspondente ao momento cero) utilizada por eles para que o cálculo poida continuar, desaparecendo cantidades infinitas. A través dela os teóricos descartan valores infinitos.
A electrodinámica cuántica é una teoría que pode ser renormalizada. Pero cando queremos renormalizar as outras tres forzas da Natureza vemos que non é posible. Por iso, os físicos teóricos empezaron a pensar que o segredo do éxito da electrodinámica cuántica quedaba na súa estrutura interna, e que o seu descubrimento sería aplicable a outros campos (forzas).
Inmediatamente empézase a sospeitar que esa estrutura interna era a simetría, e o convencemento de que para que una teoría fose estable necesitaba una simetría interna especial estendeuse rapidamente en ambientes científicos. Por iso, comezáronse a analizar inmediatamente algunhas posibles simetrías especiais na orixe das catro forzas: As denominadas “gauge”. (2)
As simetrías Gauge están moi relacionadas co problema da renormalización. Estas simetrías permiten reestimar a escala dalgunha magnitude física. Se un sistema ou teoría mantén invariante o carácter físico deste sistema ou teoría respecto dun tipo de cambio, terá simetría Gauge.
É posible reestimar a escala dunha magnitude en todo o campo de análise; entón estamos ante unha transformación global de Gauge. No caso de que os cambios de escala sexan diferentes nos distintos puntos da zona á hora de realizar a normalización, a transformación de Gauge é reducida.
Gravitación e simetrías da natureza
Volveremos á natureza e analizaremos o fenómeno polémico e misterioso da gravitación. Supoñamos que un laboratorio está situado nunha concentración espacial e que ese laboratorio está a se mover polo espazo nunha liña recta, na que non existen forzas externas. Agora supoñamos o segundo caso. Neste caso o laboratorio está a moverse polo espazo, pero o seu percorrido é curvo
Pasar do primeiro ao segundo caso é posible, e paira iso só temos que introducir a influencia dun campo externo. Máis concretamente, introducir un campo gravitatorio.
A traxectoria dun laboratorio na órbita dun planeta é a mesma que a dun laboratorio ao moverse polo espazo baleiro. E a razón é sinxela. O percorrido curvo nunha órbita compensa as forzas que exerce sobre o laboratorio pola gravidade. Desde este punto de vista, a gravidade é un campo compensatorio mediante o cal se recupera a desviación do sistema respecto da liña recta.
Neste sentido, se o campo gravitatorio introducido fóra suficientemente complexo, poderiamos obter leis físicas simétricas, aínda que tivésemos transformacións gauge reducidas. O campo gravitatorio sería o comportamento da Natureza paira manter a simetría gauge reducida. Neste caso, o contido da simetría sería a inalterabilidad das leis físicas cando o percorrido dun movemento cambia arbitrariamente.
Se analizamos os fenómenos físicos desde este punto de vista, a gravidade podería redefinirse como a aparición dunha simetría na Natureza.
Así as cousas, as catro forzas básicas que rexen o comportamento do universo serían as áreas compensatorias que a natureza crea paira equilibrar as simetrías nocturnas reducidas na estrutura interna. Á súa vez, os campos de forza serán a vía paira impor na actividade da natureza as simetrías gauge reducidas no universo.
Se revisamos as construcións físicas máis xerais desde esta perspectiva, darémonos conta de que o campo electromagnético é a simetría nocturna máis fácil de compaxinar coa relatividad reducida. Neste caso correspondería aos cambios nas transformacións voltaicas gauge.
Foi moi importante constatar que o problema da renormalización e o da simetría nocturna están profundamente entrelazados. En definitiva, o funcionamento superperfecto da electrodinámica cuántica e a súa capacidade de renormalización radica na sinxela estrutura interna do campo electromagnético.
OBSERVACIÓNS :
- Entre os aceleradores de fracción actuais, o FERMILAB (Fermi National Accelerator Laboratory) é un dos máis poderosos. Esta máquina acelera os Protones, cuxa enerxía de feixe pode alcanzar os 1000 GeV. Cara a 1990 porase en marcha na URSS o acelerador denominado UNK, obtendo una enerxía de 3000 GeV. Ao redor destas datas porase en marcha o novo FERMILAB de 5000 GeV. Paira finalizar, cabe mencionar que é o maior proxecto tecnolóxico que se expuxo na existencia humana. Este proxecto atópase actualmente a nivel de deseño. Este acelerador chámase VBA (Very Big Acelerator) e acelera os protones. A enerxía que podería obter esta máquina sería de 20.000 GeV. Paira construír un dispositivo deste tipo será necesaria a colaboración de diferentes Estados. Aínda non sabemos o ano da súa posta en marcha, pero sendo tan xigante, o único lugar apropiado paira a súa construción será o deserto. E alí construirano. En inglés gauge symmetries . En castelán, simetrias gauge ou simetrias de aforamento.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
