Herrera El Higgs

5/20/2018 Herrera El Higgs

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El Higgs, el universo lquidoy el Gran Colisionador

de Hadrones

FSICA

LA

C I ENC I A

PA RA

TOD OS


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EL HIGGS, EL UNIVERSO LQUIDOY EL GRAN COLISIONADOR

DE HADRONES


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Comit de seleccin de obras

Dr. Antonio AlonsoDr. Francisco Bolvar ZapataDr. Javier BrachoDr. Juan Luis Ciuentes

Dra. Rosalinda ContrerasDra. Julieta FierroDr. Jorge Flores ValdsDr. Juan Ramn de la FuenteDr. Leopoldo Garca-Coln SchererDr. Adolo Guzmn ArenasDr. Gonzalo Half er

Dr. Jaime MartuscelliDra. Isaura MezaDr. Jos Luis Morn LpezDr. Hctor Nava JaimesDr. Manuel PeimbertDr. Jos Antonio de la PeaDr. Ruy Prez amayo

Dr. Julio Rubio OcaDr. Jos SarukhnDr. Guillermo SobernDr. Elas rabulse


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La Cienciapara odos

Desde el nacimiento de la coleccin de divulgacin cientca delFondo de Cultura Econmica en 1986, sta ha mantenido un ritmosiempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personase instituciones que la hicieron posible. Los cientcos siempre hanaportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursinen un campo nuevo: escribir de modo que los temas ms complejos ycasi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lec-

tores sin ormacin cientca.A los 10 aos de este ructero trabajo se dio un paso adelante,que consisti en abrir la coleccin a los creadores de la ciencia que sepiensa y crea en todos los mbitos de la lengua espaola y ahoratambin del portugus, razn por la cual tom el nombre de LaCiencia para odos.

Del Ro Bravo al Cabo de Hornos y, a travs del mar ocano, a la

pennsula ibrica, est en marcha un ejrcito integrado por un vastonmero de investigadores, cientcos y tcnicos, que extienden susactividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual seencuentra en plena revolucin y continuamente va cambiando nues-tra orma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalizacin de La Ciencia para odos no es sloen extensin sino en proundidad. Es necesario pensar una ciencia en

nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradicin humanista,crezca sin olvidar al hombre, que es, en ltima instancia, su n. Y, enconsecuencia, su propsito principal es poner el pensamiento cient-co en manos de nuestros jvenes, quienes, al llegar su turno, crea-rn una ciencia que, sin desdear a ninguna otra, lleve la improntade nuestros pueblos.


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Gerardo Herrera Corral

EL HIGGS, EL UNIVERSOLQUIDO Y EL GRAN

COLISIONADORDE HADRONES

laciencia/236para todos


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Primera edicin, 2014

Herrera Corral, GerardoEl Higgs, el universo lquido y el Gran Colisionador de Hadrones / Gerardo Herrera

Corral. Mxico : FCE, SEP, Conacyt, 2014.231 p. : ilus. ; 21 14 cm (Colec. La Ciencia para Todos ; 236)Texto para nivel medio y medio superiorISBN 978-607-16-1846-7

1. Bosn de Higgs 2. Hadrones, Colisionador de 3. Fsica 4. Divulgacin cientca I. Ser.II. t.

LC QC793.5 Dewey 508.2 C569 V.236

Distribucin mundial

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Econmica,al que pertenecen tambin sus derechos. Se publica con los auspiciosde la Secretara de Educacin Pblica y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa.

Diseo de portada: Teresa Guzmn RomeroImagen de portada:

Reelaboracin de grcas: Karen Jacqueline Chacn Crdenas

D. R. 2014, Fondo de Cultura EconmicaCarretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 Mxico, D. F.Empresa certicada ISO 9001:2008

Comentarios: editorial@fondodeculturaeconomica.comwww.fondodeculturaeconomica.comTel. (55) 5227-4672; fax (55) 5227-4640

Se prohbe la reproduccin total o parcial de esta obra, sea cual fuereel medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos.

ISBN978-607-16-1846-7

Impreso en Mxico Printed in Mexico


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Carta a Adriana


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NDICE

Prlogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Brizna de luz entre la noche csmica . . . . . . . . . 17No tiene comienzo el mar . . . . . . . . . . . . . . . . 20

I. El mundo de las ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Hace ms de 100 aos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

La primera revolucin . . . . . . . . . . . . . . . . . 25La segunda revolucin . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Dicotoma secular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

El modelo estndar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41La teora de cuerdas y el universo hologrco . . . . 50

II. Para asir el universo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64La edad del universo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64El tamao del universo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70La nada antes que todo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Breve historia del universo . . . . . . . . . . . . . . . 78

III. Gran ciencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Ciencia en grande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88La Torre de Babel: la Organizacin Europea

para la Investigacin Nuclear () . . . . . . . 97


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El Gran Colisionador de Hadrones para alcanzarel cielo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

El dominio del fuego: el experimento . . . . . 113

Mxico en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

IV. Del Higgs y la simetra escondida . . . . . . . . . . . . 132Simetra en el universo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132El campo de Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134El Higgs, descubrimiento del siglo . . . . . . . . . . . 140 y el Higgs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

El Higgs y el universo lquido . . . . . . . . . . . . . . 158

V. Imagen de lo invisible y el universo lquido . . . . . . 164La materia de quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Recreando la Gran Explosin: lumbre en el aire . . . 166Las huellas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

La extraeza se incrementa . . . . . . . . . . . . . . 173

El encanto desaparece . . . . . . . . . . . . . . . . . 175Extincin de jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178El uir de la energa / el universo lquido . . . . . . . 183El universo lquido y los agujeros negros . . . . . . . 186

VI. Reexiones nales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190La fsica posible y la posibilidad de una nueva fsica . 190

La materia oscura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193Agujeros negros y la quinta dimensin . . . . . . . . 196Gran ciencia y desarrollo tecnolgico . . . . . . . . . 198Sorpresas tecnolgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199La sustancia primordial que nos compone . . . . . . 200La diversidad gloriosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203Las ltimas 100 palabras . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

Acerca de cientcos importantes . . . . . . . . . . . . . . . 205Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227


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PRLOGO

Aqu revisaremos algunas de las ideas actuales de la fsica departculas en su interseccin con la cosmologa. Lo haremos ala luz del proyecto cientco ms ambicioso en la historia de laciencia: el Gran Colisionador de Hadrones. ste no slo es unproyecto de largo aliento, de gran inversin y de complejidad

inusitada, sino tambin una empresa humana que, por su carc-ter multinacional, por el modelo de trabajo en colaboracin ysobre todo por el deseo de entender el universo, se convirti enun proyecto cientco asombroso, singular y admirable.

Aqu revisaremos las ideas generales que motivan y con-forman la bsqueda del origen del universo. Esbozaremos lapercepcin actual de su estructura y la relacin que existe entre

el macro y el microcosmos. Al nal, el lector encontrar unalista de reseas de los personajes que, a lo largo de este re-cuento, surgen como parte de las narraciones que componenla crnica.

Uno de los hallazgos ms recientes en la fsica de partculaselementales es la existencia del campo de Higgs. Otro ms, anen ciernes, es la naturaleza lquida del universo temprano. Esteltimo, de apariencia ftil ante el estruendo por la llegada delHiggs, podra ser tomado como banal e intrascendente, y sinembargo bien puede ser el comienzo de un cambio profundo ennuestra manera de ver el universo. Sobre estos descubrimientos


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hablaremos en este libro. En la opinin del autor, stos son los te-mas de mayor calado en el marco de las ciencias naturales de hoy.

Los ttulos introductorios son tomados de la maravillosa

obra potica de Jos Emilio Pacheco. Los poetas tienen las pa-labras difuminadas para decir lo que los fsicos delinean conprecisin en ecuaciones y smbolos. Para Jos Emilio Pacheco,

La gota es un modelo de concisin:

todo el universo

encerrado en un punto de agua.

La gota representa el diluvio y la sed.

Es el vasto Amazonas y el gran Ocano.

La gota estuvo all en el principio del mundo.

Es el espejo, el abismo,

la casa de la vida y la uidez de la muerte.

Para abreviar, la gota est poblada de seres

que se combaten, se exterminan, se acoplan.

No pueden salir de ella,

gritan en vano.

Preguntan como todos:

de qu se trata,hasta cundo,

qu mal hicimos

para estar prisioneros de nuestra gota?

Y nadie escucha.

Sombra y silencio en torno de la gota,

brizna de luz entre la noche csmica

en donde no hay respuesta.1

1Jos Emilio Pacheco, Tarde o temprano,, Mxico, 2009, p. 429.


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A diferencia de la poesa, la exposicin cientca es pensa-miento puro que recurre a signos para describir el mundo. Contodo y esto, detrs de las ecuaciones espera siempre una excla-

macin. Para quienes nos hemos acostumbrado a evocar ideascon jeroglcos, llegar a la exclamacin sin pasar por las ecuacio-nes no es cosa fcil.

La intencin de este libro es recuperar el nombre comn delos smbolos e interponer palabras. Sin embargo, estoy cons-ciente de que la ntima realidad de las cosas no se deja asir confacilidad si no es con la versatilidad de las matemticas, y por

eso me contentar con mostrar un poco de la gran profundi-dad que un poema puede tener.

Por lo dems, sta es una historia que perder vigencia,como ocurre siempre con la historia de la exploracin cient-ca. Aun as, sta es la narracin de una bsqueda que debe serescrita, porque, si bien el conocimiento cambia, el mtodo parallegar a l no pierde validez; porque, adems, se debe reconocer

el camino andado dejando marcas de senderos extraviados yveredas convenientes, pero, sobre todo, porque es el relato deun anhelo y todos los anhelos deben ser contados.


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INRODUCCIN

B

Los sicos han logrado recrear en el laboratorio y de maneracontrolada lo que hoy se cree que es la materia primordial deluniverso. Los estudios ms recientes muestran que esta materiaes un lquido 150 000 veces ms caliente que el centro del Sol y100 veces ms denso que la materia ms densa entre lo que nos

rodea.La sustancia, a dos billones de grados, se orma al provocar

choques entre iones pesados a la ms alta energa nunca anteslograda. Esto se hace en el Gran Colisionador de Hadrones; ah,con la ayuda del detector A Large Ion Collider Experiment(), se ha podido observar el prstino uido universal. Estoocurre en la Organizacin Europea para la Investigacin Nu-

clear (Conseil Europenne pour la Recherche Nuclaire, ).Con la colisin de iones de plomo a muy alta energa, se

consigui crear un pequeo volumen subatmico donde se or-ma, por instantes muy cortos, un plasma de quarks y de gluo-nes. Esta materia extica es la misma de la que proviene el uni-verso entero. Est hecha de partculas subatmicas que, comoveremos, son los ladrillos undamentales de la materia. Losgluones son los responsables de unir a los quarks, y de ah sunombre:glue, pegamento en ingls.

Experimentos anteriores han mostrado que la uerza uerteque experimentan los quarks se debilita a temperaturas extre-


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madamente altas. La teora que describe la interaccin entrelos quarks predice que, en un medio muy caliente, stos se en-contrarn a una distancia grande entre s; por esto, se pensaba

que el plasma de quarks y gluones deba ser un gas. Los nuevosdatos muestran que esto no es as. Aun a temperaturas muy al-tas, los quarks siguen interactuando entre s, y aunque la inte-raccin uerte se ha debilitado, la atraccin entre ellos es talque el sistema se comporta como un lquido. Este lquido no escomo ninguno de los que conocemos, pues una pequea gotadel tamao de un aller sera ms pesada que las pirmides de

eotihuacan juntas.No deja de ser sorprendente que a esta temperatura extre-ma la uerza entre los quarks sea de tal magnitud que la mezclaoriginal se mantiene lquida.

Un estado as se haba observado antes en el acelerador Rel-ativistic Heavy Ion Collider () del Brookhaven NationalLaboratory, ubicado cerca de Nueva York en los Estados Uni-

dos. Ah se observ, en choques de iones ms ligeros y de msbaja energa, el comportamiento lquido del plasma. Sin em-bargo, el estado producido tena la mitad de la temperatura delo que se consigui crear en el Gran Colisionador de Hadronesen echas ms recientes.

Se pensaba que al aumentar la temperatura, la uerza uertese debilitara tanto que por n veramos el plasma en orma de

gas. Sin embargo, el Gran Colisionador de Hadrones parecemostrar que esto no ocurre, dejando la impresin de que quizno entendemos la interaccin uerte tanto como pensbamos.

El lquido primigenio existi apenas unas racciones de mi-crosegundo despus de la Gran Explosin que dio origen al uni-verso. En ese momento los tomos eran un uturo por venir ylos protones y neutrones que orman la materia no aparecanan. Cuando el universo se enri y se volvi menos denso, losquarks empezaron a agruparse en combinaciones peculiaresormando partculas. Desde entonces los quarks y los gluo-nes quedaron atrapados y no se les observa libres.


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Los modelos cosmolgicos debern tomar en cuenta la na-turaleza lquida del universo temprano, pues las propiedadesde esta materia primordial determinaron lo que sera del recin

nacido universo. Si el lquido uese viscoso como la miel, eluniverso en su gran escala se vera dierente a como lo vemoshoy. No obstante, ahora sabemos que el uido original tena laviscosidad mnima posible, esto es a lo que los sicos llamanlquido perfecto.

La produccin de estas pequeas gotas de universo tem-prano contina como parte del programa de estudio del expe-

rimento en el Gran Colisionador de Hadrones, donde sequieren medir sus propiedades. La manera en que este lquidoconduce el calor, su viscosidad, la opacidad que presenta, etc.,no slo nos darn una imagen de nuestro origen, sino que ade-

F . Evento real del choque de dos iones de plomo producido ennoviembre de 2011 en el Gran Colisionador de Hadrones y observado

por el experimento . .


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ms nos indicarn cul es el camino por seguir para compren-der la estructura ms elemental de la materia.

La llamada teora de cuerdas, que por mucho tiempo ha

permanecido como una abstraccin muy alejada de la realidad,ahora ha creado mtodos de clculo con los que se puede decircules son algunas de las propiedades de este lquido especial.El experimento ha comenzado a ver algunas caractersti-cas de este nuevo estado de la materia. Cuando se tengan losresultados completos de las mediciones, se podrn compararcon lo que dice la teora de cuerdas, y los resultados de esta com-

paracin podrn ser muy reveladores.Un grupo de cientcos mexicanos ha desempeado un pa-pel importante en el experimento . En Mxico se disea-ron y construyeron partes del detector que ahora concentra laatencin de una amplia comunidad de cientcos del mundo.

N

No existe un punto donde el universo haya empezado. Unobien podra decir que el universo comienza en todas partes,porque al iniciarse en lo que llamamos Gran Explosin, el es-pacio mismo se ue generando. En la actualidad pensamos quemuy poco tiempo despus de la Gran Explosin ocurri algo

sorprendente con el recin nacido universo. El acontecimientoque evit la repentina desaparicin de nuestro mundo se llamainacin, y ue sta la que convirti al microcosmos primige-nio en el majestuoso cielo nocturno.

Fue quizs el campo de Higgs el que impuls al universo asu vertiginosa expansin, amplicndolo en miles de millonesde veces. En un instante inimaginable, lo que hasta entonces eraun punto creci a un ritmo inslito hasta convertirse en unaesera del tamao de una naranja. Al nal de este proceso ygracias al Higgs las partculas adquirieron masa y lo que era luzse convirti en materia.


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El campo que lo llena todo se maniesta como una partcu-la, y sta ue observada por primera vez en el . La obser-vacin ue anunciada en el verano de 2012 por los experimen-

tos del Gran Colisionador de Hadrones.


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I. El mundo de las ideas

H

Hace poco ms de 100 aos la sica vivi una gran crisis, quizla ms grande de cuantas ha padecido. Durante casi todo el si-glo la sica newtoniana haba sido vlida y constitua unbaluarte del pensamiento cientco. Segn muchos, la sica delsiglo siguiente, es decir, del , sera asunto de renamientos

tericos y experimentales que permitiran llegar a valores cadavez ms precisos de las cantidades medidas. El uturo no orecanada nuevo, slo dicultades tcnicas. Para mucha gente, des-cribir el mundo era describir sistemas de muchas partculas, y laposibilidad de describir un conjunto de muchas partculas no es-taba en los principios que subyacen a su comportamiento queya eran conocidos, sino en el laborioso trabajo de clculo

para analizar cada una de las componentes.Puede parecer paradjico, pero el mismo Michelson, de

quien hablaremos ms en este captulo, escriba en 1899:

Las leyes ms undamentales y los hechos de la realidad sica hansido descubiertos y ahora estn tan rmemente establecidos quela posibilidad de ser suplantados como consecuencia de nuevosdescubrimientos es muy remota. Los uturos descubrimientos sedeben buscar ahora en la sexta posicin de los decimales.1

1Albert A. Michelson, Light Waves and Teir Uses, 2 ed., Te University o Chi-cago Press, Chicago, 1903, p. 23.


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No obstante, sicos notables como Lord Kelvin vean nu-bes en el horizonte. En un seminario impartido por l mismoen 1900, dijo:

La belleza y la claridad de la teora dinmica segn la cual el ca-lor y la luz son un tipo de movimiento mecnico estn hoy oscu-recidas por dos nubes. La primera gran cuestin est relacionadacon la manera como la tierra se mueve a travs de un cuerpoelstico slido como el ter que se supone sustenta a la luz al pro-pagarse, y la segunda, con la doctrina de Maxwell-Boltzmann de

distribucin de la energa.2

James Clerk Maxwell haba obtenido la ecuacin que descri-be las velocidades de las molculas en un gas. Ludwig Boltzmann,de manera independiente, desarroll la teora que permita en-tender en la escala microscpica las propiedades termodinmicasque vemos en el nivel macroscpico. Sin embargo, cuando la

gente trat de usar las ideas clsicas de estos modelos para des-cribir la radiacin de un cuerpo negro, el racaso ue tan gran-de que se le llam catstroe ultravioleta.

Por otro lado, el ter del que habla Kelvin era una sustanciahipottica que lo llenaba todo y que permita que por l viajasela luz, como sostenindola. Era as un marco de reerencia conrespecto al cual los dems objetos se movan. La palabra ter

viene del griego y signica cielo o rmamento, y en la mitolo-ga helnica era la sustancia brillante que respiraban los dioses,en contraposicin con el aire que respiran los mortales. Si bienpara los sicos del siglo la idea de un ter no era precisa-mente el de una sustancia brillante, s se la pensaba como sus-tancia real. La idea ue puesta a prueba experimental y no pudoser validada. El ter desapareci y con su desaparicin lleg lateora de la relatividad.

2 William Tomson (Lord Kelvin), Nineteenth Century Clouds Over the Dy-namical Teory o Heat and Light, Te London, Edinburgh, and DublinPhilosophi-cal Magazine and Journal of Science, 2 (6): 1-40, 1901.


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La primera revolucin

En 1900 Max Planck propuso una solucin a uno de los dos

grandes problemas sealados arriba. Con la solucin planteadano slo resolvi el problema de la catstroe ultravioleta, cretambin una nueva sica.

Veamos muy brevemente cmo se gener la revolucin cien-tca que dio origen a la mecnica cuntica: cuando uno ca-lienta un cuerpo, por ejemplo, un bloque de metal como hierroo cobre, notar que cuando ste alcanza los 1 000 grados, aproxi-

madamente, se pone incandescente. A esta temperatura el cuer-po emite un resplandor al que llamamos rojo vivo. Si seguimoscalentando, el color ir cambiando poco a poco a anaranjado,luego a amarillo y nalmente a blanco. Si observamos esta luz atravs de un prisma, veremos algo interesante. El prisma des-compone la luz permitiendo que veamos qu colores se combi-nan para ormarlo.

F .. Las curvas muestran la intensidad de cada color que com-pone la luz emitida a diferentes temperaturas. Nuestros ojos slo son

sensibles al intervalo de longitudes de onda que se muestra en colores.

mx

mx

U

V

I


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Cuando tenemos el metal a 1 000 grados vemos un rojo in-tenso; cuando llega a 1 500 grados se ve anaranjado. En este pun-to el prisma nos revela que la luz que vemos est compuesta de

rojo, anaranjado y amarillo. Si la temperatura del cuerpo llega a2 000 grados lo vemos amarillo y el prisma nos revela que apa-rece un color verde entre las componentes. Cuando consegui-mos poner el metal a 3 000 grados lo vemos blanco, y al llegar aeste punto, con ayuda del prisma, nos percatamos de que la luzcontiene todos los colores. Al seguir aumentando la tempera-tura, el color ya no cambia, aunque aumente la intensidad de

cada color que compone el blanco.Cuando a principios del siglo pasado se intent calcular laintensidad de la radiacin que emite el cuerpo caliente, el resul-tado no tuvo ningn sentido. Los clculos decan que el cuerpoemitira una cantidad innita de radiacin en el ultravioletaesto es, abajo del violeta en la gura .. Si bien el violeta esvisible, el ultravioleta no lo es.

Lo que uno observa en el laboratorio es que la intensidadaumenta y luego disminuye nuevamente para longitudes deonda mayores, es decir, para luz roja y ms all del rojo. El in-rarrojo tiene una longitud de onda tan larga que desaparece enla sensibilidad de nuestros ojos.

En esta discusin hemos usado metales para mostrar lasideas de emisin de radiacin cuando son calentados. Los si-

cos discuten estos enmenos con un objeto ideal al que se lla-ma cuerpo negro, y por consiguiente se habla de radiacin decuerpo negro. odos los cuerpos emiten y absorben radiaciny el cmo lo hacen no slo depende de la temperatura; tambindepende del tipo de supercie expuesta. Un cuerpo al que sepinta de negro ser un excelente emisor, y como en generallos buenos emisores son tambin buenos absorbentes de ra-diacin, el cuerpo negro resulta ser muy eciente al absorberradiacin. Si al mismo cuerpo se le pinta de blanco, se con-vertir en psimo emisor y tambin en un muy mal absorben-te de radiacin. Si la taza de ca es negra, el ca en ella se


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enriar ms rpido que si la taza es blanca. odos sabemosque la ropa negra no es muy conveniente en un da calurosoporque el color negro absorbe de manera eciente el calor,

aunque uno podra pensar que tambin es un buen emisor, yes cierto, slo que si la temperatura externa es mayor que lade la piel, la ropa dar calor al cuerpo. En cambio, la ropablanca es un buen reector y por consiguiente un pobre ab-sorbente de calor.

Para los propsitos de estudio que hemos esbozado antes esbueno usar un cuerpo negro que sea lo ms prximo posible al

ideal. Una supercie de terciopelo negro absorbe cerca de 97%

F .. Las partculas estn asociadas a ondas. A aquellas partcu-las con mayor energa como la que se muestra arriba, donde hemos

representado la cantidad de movimiento con una echa se les asocian

ondas que oscilan con mayor rapidez que a aquellas que tienen menor

energa, como la de abajo.

Longitud de onda (larga)

Menor frecuencia

Menor energa

Longitud de onda (corta)

Mayor frecuencia

Mayor energa


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del calor que le llega, y para muchos propsitos se le puedeconsiderar un cuerpo negro. Los metales pulidos de los que ha-blamos anteriormente slo absorben 6% del calor que les llega,

y por eso mismo estn lejos de ser un cuerpo negro ideal. An-tes usamos el metal como ejemplo porque resulta ms intuitivopara el lector imaginar las ideas, pero la verdad es que est lejosde ser un buen cuerpo negro.

Ante la catstroe ultravioleta, el sico alemn Max Planckpropuso describir la emisin de radiacin del cuerpo negrocomo si uera discontinua. l se imagin que el cuerpo estaba

compuesto de partculas que oscilaban a una cierta recuencia.A estas pequeas unidades o paquetes de energa los denomi-n quantum. Estableci adems que la cantidad de energa de unquantum depende de la longitud de onda de la radiacin, esdecir, del color de la emisin: cuanto menor uera esa longitud,mayor sera la uerza energtica del paquete.

La ecuacin que Max Planck propuso es:

E = h v,

donde Ees la energa del paquete y v su recuencia. La letra h esuna nueva constante de la naturaleza a la que se llama hoy laconstante de Planck.El valor de esta constante es muy pequeo:

h = 6.6 1034J .s

Con estas ideas Planck pudo describir la emisin de cuerponegro, que, como dijimos, era uno de los problemas abiertoscuando el siglo comenzaba.

En su momento la teora de los paquetes de radiacin tuvopoca repercusin por ser demasiado revolucionaria. A nadie sele hubiese ocurrido pensar que el cuerpo negro emitira de ma-nera discontinua. La teora de Planck, sin embargo, sirvi msadelante para explicar otros enmenos. Fue as como naci lacuantizacin de la energa, que en los aos siguientes vendra a


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ormalizarse y a adoptar una orma ms completa. ste es el ori-gen de la mecnica cuntica.

La segunda revolucin

A nes del siglo se aceptaba ya que los planetas y las estre-llas se movan. La pregunta crucial, no obstante, era: con res-pecto a qu se mueven los astros?

La sica newtoniana armaba que todo se mova en una sus-tancia incorprea denominada ter.Si el ter permaneca inm-

vil, entonces el movimiento de los cuerpos se podra determi-nar usndolo como marco de reerencia. Sin embargo, en 1887el sico estadunidense Albert Michelson, junto con EdwardW. Morley, realiz varios experimentos que mostraron la inexis-tencia del ter. Ya antes, en 1881, Michelson haba construidoun interermetro que pereccion en 1887. Con este aparatose poda medir la dierencia de velocidades de la luz en direccio-

nes perpendiculares. Si la luz viaja ms rpidamente en la di-reccin de movimiento del planeta que en la perpendicular, sedebera ver un corrimiento en el patrn de intererencia. Si elter se opone al movimiento de la luz como el viento lo hacecuando viajamos en un auto a una velocidad considerable,esta oposicin del viento ser menor en la direccin perpendicu-lar y aun avorable en la direccin opuesta. La dierencia se puede

apreciar con cambios en el patrn de intererencia de la luz.Una manera sencilla de explicarlo es en trminos de dos

nadadores que compiten en tiempo de nado de la misma dis-tancia. La competencia consiste en salir de un punto, llegar auna cierta marca y regresar. Si la competencia se realiza en unapiscina donde el agua no corre, la carrera terminar en empate,porque pensmoslo as los dos nadadores son igualmenteveloces. Sin embargo, si existe una corriente que va en contradel nadador 1, mientras que el nadador 2 avanza en la direc-cin perpendicular a la corriente, no es dicil saber que el na-dador 2 ganar la competencia.


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En la gura . hemos dibujado el interermetro de Michel-son de manera muy sencilla. Ah se puede identicar al rayode luz 1 y al rayo de luz 2 como los dos nadadores de los que

hablamos.Las distancias entre los espejos son tales que las distanciasa las que los rayos 1 y 2 viajan sern las mismas, de tal maneraque los dos rayos llegarn en ase, es decir, que, siendo ondas,los mximos y mnimos de ambos rayos debern coincidir,produciendo un patrn constructivo que se ver en la pantallaamarilla con un brillo mayor. Si por alguna razn un haz viaja

a mayor velocidad que el otro, entonces la intererencia entre

F ..En la imagen, la fuente de luz produce un haz que incide enun espejo medianamente plateado, es decir, que deja pasar la mitad de

la luz y reeja la otra mitad. De esta manera hemos construido dos na-

dadores: (1) y (2). Los rectngulos azules son espejos que reejan la luz.

Cuando la luz regresa de los espejos normales al espejo medio plateado

dejar pasar la mitad de uno y reejar la mitad del otro para que stos

formen un patrn de interferencia en el punto amarillo (ntese que la

mitad del rayo 1 que pasa de vuelta hacia la fuente, as como la mitad

del 2 que se reeja hacia la fuente, no estn dibujados).


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ambos producir anillos de intererencia. Si este aparato estmontado en nuestro planeta, que se mueve a 29 000 metros so-bre segundo alrededor del Sol, es decir, que se mueve a esta ve-

locidad con respecto al ter, entonces tendremos el escenariode los nadadores en direccin contraria al viento del ter o endireccin perpendicular. Esto har que uno de los haces esten ventaja con respecto al otro. Al llegar antes producir unaintererencia que podemos medir en la pantalla amarilla.

Los brazos del interermetro de Michelson medan 1.2 me-tros y todo el arreglo de espejos estaba montado en un bloque

de mrmol que otaba sobre mercurio lquido para reducir eleecto de las vibraciones. Una vez ajustado el interermetro po-da ser girado en dierentes direcciones. Considerando la velo-cidad de la luz y la velocidad de la ierra, podan haber visto conacilidad el cambio en el patrn de intererencia que se induci-ra como resultado del eecto que el ter tendra sobre uno y nosobre el otro de los haces; slo que esto nunca ue observado!

Pensaron que quiz la rotacin de la ierra cancelaba eleecto del movimiento del planeta alrededor del Sol, por lo queesperaron 12 horas para repetir el experimento. Pero esto nocambi las cosas y en la pantalla no observaron eecto alguno.Creyeron luego que quiz el movimiento de la ierra alrededordel Sol era cancelado de alguna manera por la posicin del pla-neta en su rbita, por lo que esperaron seis meses para rehacer

el experimento y, de nuevo, no se observ cambio. Entonces sepens que tal vez la ierra arrastraba al ter consigo misma ensu movimiento, por lo que buscaron una montaa en Calior-nia con la idea de que, en la altura, el eecto de arrastre seramenor, pero nuevamente no se observ una intererencia.

Hendrick Lorentz interpret el resultado del experimentode Michelson y Morley en 1892, con la hiptesis de contrac-cin de la longitud. Explic el resultado con la posibilidad deque los objetos suriesen una contraccin a lo largo de la direc-cin de movimiento. La contraccin deba ser tal que permitaajustar el resultado experimental.


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En 1899, sobre la misma lnea de trabajo, Lorentz lleg a lasreglas de transormacin entre marcos de reerencia que ven-dran a ormar la parte medular de la teora de la relatividad.

Por su parte, Henri Poincar en 1904 hablaba ya del principiode relatividad y trabaj la parte temporal de las transormacio-nes relativistas. Con estos antecedentes, Einstein public su a-moso trabajo en 1905, y habra de quedar como el creador de lateora de la relatividad. Al respecto, E. Whittaker escribi enun artculo lo siguiente:

[] en el otoo del mismo ao [1905] y en el mismo volumende la revistaAnnalen der Physiken el que se haba publicado su ar-tculo acerca del movimiento browniano, Einstein escribi unartculo en el que expona la teora de la relatividad de Poincary Lorentz con algunos complementos, el cual llam mucho laatencin.3

Einstein parti de la hiptesis crucial: la velocidad de laluz es una constante que no depender de ningn marco dereerencia. Para mantener esto ue necesario cambiar la mec-nica conocida, dando origen a la teora de la relatividad. La so-lucin propuesta ue tal que no se necesit ms un marco dereerencia absoluto y que las leyes y enmenos que estudiamosno dependen de ningn marco en especial.

La teora de la relatividad tiene dos versiones: la teora es-pecial, que se limita a la descripcin de objetos en movimientocon velocidades constantes, y la teora de la relatividad genera-lizada, que describe la uerza gravitacional y la aceleracin enlos objetos.

La teora general de la relatividad tuvo que esperar variosaos. No ue sino hasta 1915 que David Hilbert, matemticoalemn, present la ecuacin que describe a la uerza gravitato-

3 Edmund Whittaker, History of Aether and Electricity. Te Modern Teories1900-1926,vol. 2, Tomas Nelson & Sons Ltd., Londres/ Edimburgo/ Nueva York,1953, p. 40.


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ria ante la Real Academia en Gotinga, Alemania. El 25 de no-viembre de ese mismo ao, es decir, cinco das ms tarde, AlbertEinstein present la misma ecuacin en una reunin de la Aca-

demia de Prusia.Por qu se ignora hoy la participacin de ms gente en laconstruccin de la teora especial y general de la relatividad?Por qu se atribuye todo a Albert Einstein? Muy probable-mente hay aspectos sociolgicos y de carcter histrico queacabaron por imponer la gura de Einstein como nico autor,pero la verdad es que todas estas ideas estaban en el aire y mu-

cha gente contribuy a la construccin de lo que sera la nuevasica.La teora general de la relatividad establece una relacin

estrecha entre la geometra del espacio-tiempo y la uerza gra-vitacional. Segn la teora, los cuerpos con masa deorman elespacio y el tiempo curvndolo. La uerza que ejercen sobrelos otros cuerpos con masa es pues el eecto de esta deor-

macin.La ecuacin de la relatividad general tiene varias solucio-

nes que dependen de la distribucin de masa del universo. Unasolucin que ue encontrada por el mismo Albert Einstein se

F .. Deformacin del espacio-tiempo por la presencia de uncuerpo con masa. A la izquierda se ilustra en dos dimensiones, pero en

realidad esta deformacin acta en tres dimensiones, como se muestra

a la derecha.


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conoce como universo esfrico de Einstein.Segn ste, el uni-verso es como una esfera. En este modelo, las coordenadas espa-ciales estn curvadas con la forma esfrica, pero el tiempo correde manera lineal y recta, de tal manera que en el espacio-tiempoel universo es una especie de cilindro con el eje tiempo paralelo aleje del cilindro.

Otra solucin a las ecuaciones de Einstein fue propuestapor Willem de Sitter. En el modelo de Sitter, tanto el espaciocomo el tiempo son curvos como una esfera donde la latitud esel espacio y la longitud es el tiempo. Ninguno de los dos mode-los estuvo de acuerdo con el universo que observamos en ex-pansin, porque ambos modelos consideraban un universo es-ttico. No obstante, siguen siendo referentes y el universo de

Sitter sigue siendo un modelo til para describir la gravedadcuntica en un agujero negro. De esto hablaremos de nuevo unpoco ms adelante.

La teora de la relatividad general tiene varias conrmacionesexperimentales. Una de ellas es el corrimiento al rojo de las lneasespectrales en la presencia de un campo gravitacional fuerte.

El corrimiento al rojo es un resultado de la deformacin deltiempo cerca de un objeto con masa considerable. Este efectofue medido por primera vez en 1959 por Robert Pound y GlenRebka. El experimento se llev a cabo en la Universidad deHarvard usando fuentes radiactivas de erro.

F .. El universo de Einstein (izquierda)y el universo

de Willem de Sitter (derecha).

esp

acio

tiempotiempo

espacio


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El erro emite luz que lleva una energa de 14 kiloelectron-voltios. Los tomos pueden tambin absorberla si es que la luzle llega con la misma energa, porque de esa manera excita losmismos niveles atmicos que estn en juego en la emisin.

F .. A la izquierda, corrimiento al rojo que sufre la luz en la

presencia de un campo gravitacional fuerte. A la derecha, precesinde Mercurio.

masa

grande

F ..Cuando el erro 57 pasa de un estado excitado al estadobase, emite luz (izquierda). De la misma forma cuando hasta l llega

un fotn con la energa igual a la diferencia de energa entre el estado

excitado y el estado base (derecha), ste ser absorbido. Si la energa no

es igual, el fotn no ser absorbido.


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Pound y Rebka pudieron medir el eecto tan pequeo queel campo gravitacional de la ierra induce en la recuencia dela luz emitida por tomos de erro colocados en la base de una

torre de la universidad. En la parte alta de la torre, a 22.5 me-tros de altura, se coloc erro que deba absorber la radiacinen caso de que su recuencia no hubiese cambiado.

Resulta que debido al corrimiento que sure la luz emitidapor eecto del campo gravitacional de la ierra, la recuenciahabr cambiado al llegar arriba y no ser absorbida ms por lostomos de erro, que slo la absorben si es exactamente igual

que la recuencia de emisin. Se hizo necesario mover los to-mos de erro arriba para que el eecto Doppler compensase elcorrimiento y entonces absorbiese la radiacin. La cantidadde movimiento necesaria para que el erro absorba la luz nosda una buena idea del corrimiento que suri por causa delcampo gravitacional. La conrmacin de la teora general de larelatividad con este experimento lleg cuatro aos despus de

la muerte de Albert Einstein.Aunque aqu no expondremos con detalle este experimen-

to, s queremos mencionar que la relevancia no se qued en lacomprobacin de la teora de la relatividad, sino que ademspermiti pensar en aplicaciones. La precisin alcanzada ue elresultado de un ingenioso sistema de medicin y de control demuchas variables en el montaje.

Actualmente el sistema global de posicionamiento, o GlobalPositioning System (), que nos es muy amiliar, debe consi-derar el corrimiento al rojo inducido por la gravedad del pla-neta para orecer la precisin de 10 metros en la posicin de unobjeto. Los satlites que envan continuamente seales a la ierrapara que los sistemas calculen sus posiciones llevan consi-go relojes atmicos muy precisos. Estos relojes van ms rpidoque los relojes en la ierra por causa de un campo gravitacio-nal ms dbil a la altura a la que se encuentran los satlites.Como resultado de esta dierencia en la gravedad, los relojes enestos satlites se adelantan tres microsegundos por da.


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Sin embargo, si se quiere tener la posicin de un objeto conprecisin de 10 metros, es necesario que las seales de radioestn sincronizadas con gran precisin. Las seales de radio tar-

dan 0.03 microsegundos en recorrer 10 metros. De manera talque la sincronizacin debe ser mejor que eso.En trminos sencillos, si usted busca su posicin en este

momento con los relojes sincronizados, cuando lo haganuevamente una hora ms tarde, por eectos de la gravedad,el satlite estar adelantado 0.25 microsegundos. Esta die-rencia en tiempo con el reloj en ierra es mucho mayor que

los 0.03 microsegundos que se requieren para una preci-sin de 10 metros. Por esto es que el debe corregir estoseectos.

El que usted tiene instalado en su carro o en su celularconrma el corrimiento gravitacional predicho por Einstein en1911 con una precisin mejor que la del experimento de Poundy Rebka. La sica terica ms sosticada y los experimentos

sorprendentes por su alcance y precisin son una realidad ensu bolsillo!

Otra vericacin experimental de la teora de la gravitacines la debida al enmeno de precesin de Mercurio. Por precesindel planeta Mercurio nos reerimos al movimiento del perihe-lio que se ilustra en la gura .. Este movimiento de Mercurioera ya conocido antes de la ormulacin de la teora de la gra-

vedad general. Se haba observado que, cada 100 aos, la rbitadel planeta se recorre en 43 segundos de arco. Este movimientose le atribua a la uerza que los otros planetas ejercen sobreMercurio, slo que, al calcular con la teora de la gravitacin deNewton, el resultado terico diera de lo observado. Este hechoue de particular impacto porque la medicin de los astr-nomos estaba muy bien establecida y con una precisin querebasaba la discrepancia entre la teora de Newton y la de larelatividad general. Adems, la precesin de otros planetas sconcordaba con los clculos de la teora de Newton, lo quepona a Mercurio en una situacin especial y cada vez ms


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preocupante para esos tiempos. Cuando los clculos de la nuevateora pudieron explicar esta dierencia, el terreno para la re-cepcin de las nuevas ideas qued preparado.

stas no ueron las nicas vericaciones experimentales.An hoy se siguen conrmando las ideas en observaciones yexperimentos. La teora de la relatividad es la segunda colum-na de la sica moderna.

Dicotoma secular

El siglo termin con dos grandes enigmas que se resolvie-ron planteando la inexistencia de un marco de reerencia abso-luto, por un lado, y la cuanticacin de la energa, por el otro.Estas dos grandes vertientes dieron origen a dos grandes teo-ras: la mecnica cuntica y la teora de la relatividad. Ambasmarcaron no slo la sica del siglo , cambiaron adems nues-tra concepcin del espacio, el tiempo y hasta nuestra manera de

entender el principio de causa y eecto.La relatividad general y la mecnica cuntica describen nues-

tro universo a escalas muy distintas. La relatividad describe eluniverso macroscpico de galaxias y planetas, mientras que lamecnica cuntica lo hace para el mundo microscpico de laspartculas subatmicas.

Sin embargo, y por consistencia, aspiramos a tener un solo

esquema que las haga compatibles. Si bien la gravitacin esmuy dbil como para ser relevante en el mundo microscpicode las partculas elementales, y los cmulos de galaxias son tangrandes como para que los eectos cunticos tengan alguna con-secuencia, s sabemos de por lo menos dos eventos universalesque deben ser descritos por una teora que los concilie, es decir,por una teora cuntica de la gravedad, stos son la Gran Ex-plosin y los agujeros negros.

Los agujeros negros son probablemente el resultado de es-trellas muy grandes que, al agotar su combustible, se colapsanproduciendo un campo gravitacional del cual nada puede esca-


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par, ni siquiera la luz. Deben ser muy pequeos y con una gra-vedad muy intensa.

La Gran Explosin es el mejor modelo que tenemos del ori-

gen del universo. Implica que una gran cantidad de energa seencontraba concentrada en un volumen microscpico donde lamecnica cuntica debe tener validez al mismo tiempo que losefectos gravitacionales.

Ambos, los agujeros negros y la Gran Explosin, involu-cran fuertemente a la gravedad porque las concentraciones demasa presentes son tan grandes que su interaccin no puede ser

ignorada. Por otro lado, los efectos de la mecnica cuntica de-ben estar presentes, ya que, como hemos visto, la concentra-cin es tal que todos los fenmenos se desarrollan en la escalamicroscpica. Es pues en estos dos objetos que de forma irre-mediable se deben juntar las descripciones para explicar los fe-nmenos cunticos y gravitacionales. Es aqu donde la teora dela relatividad general y la mecnica cuntica deben unirse en

un solo esquema que sea consistente.

F ..La imagen de la izquierda muestra cmo se deforma el es-

pacio en dos dimensiones. En la realidad esta curvatura se da en las

tres dimensiones espaciales y la temporal. El crculo rojo muestra el ho-

rizonte, ms all del cual no existe retorno para la luz. A la derecha, la

similitud con la Gran Explosin, en la que tambin debi existir una

singularidad.

S

O

H


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No habra materia, y sus componentes ms elementales

an estaran dispersos por el vasto espacio, de no ser por el llamado

bosn de Higgs, partcula que hasta hace poco era slo

una conjetura terica. La comprobacin experimental de su existencia

es por ello uno de los principales logros de la ciencia contempornea,

alcanzado gracias al que tal vez sea el proyecto multinacionalms ambicioso de todos los tiempos: el Gran Colisionador

de Hadrones. En estas pginas, Herrera Corral explica la importancia

del descubrimiento y algunos de los experimentos que condujeron

a ese feliz desenlace, da cuenta de los vnculos de cientficos

mexicanos con el monumental colisionador cercano a Ginebra

y expone las teoras ms actuales sobre la estructura de la materia,

el origen y la evolucin del universo, demostrando que el hallazgodel bosn de Higgs es slo un pequeo gran paso en nuestro

conocimiento del cosmos. En 2012 esta obra result finalista

en el primer Premio Internacional de Divulgacin de la Ciencia

Ruy Prez Tamayo, organizado por el .

G H C(Ciudad Delicias, Chihuahua, 1963) es doctor

en ciencias por la Universidad de Dortmund, Alemania, y especialistaen el rea de partculas y campos. Coordin el grupo de trabajo en fsica

difractiva del experimento en la Organizacin Europea

para la Investigacin Nuclear (), y actualmente

es investigador en el Cinvestav-.

LAC I EN C I A

PARA

TODOS

www

.fondodeculturaeconomica.com

ISBN:978-607-16-1846-7

Herrera El Higgs

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