El Universo hubiera podido ser un desierto de partículas baldías, pero no lo ha sido. La materia es la fuente de la luz, del calor y la energía, es lo que da forma y propiedades a las cosas, ya estaba cuando la vida no existía y es la causa más primitiva de su evolución, está en el tejido neuronal que nos da la razón y nos hace conscientes de la realidad… ¡La materia lo es todo!

jueves, 31 de octubre de 2013

14.- Teoría de campos y realidad.

Mediante luz polarizada se fotografían las tensiones de materiales que soportan esfuerzos, mediante luz infrarroja se hacen evidentes las distribuciones de temperatura de los cuerpos. Es la materia la que distribuye magnitudes como tensiones y calor, y dichas distribuciones son más fáciles de tratar matemáticamente mediante la teoría de campos.
Algunos campos tienen realidad física tan palpable como cilindros en contacto o la materia orgánica de un tucán. Al contrario, los campos electromagnéticos no parecen tener otra realidad física que la del vacío más absoluto, aunque parezcan evidentes por la orientación de partículas de hierro o los pelos que se ponen de punta por efecto de electricidad estática.
Es incuestionable que hay tensión en todos los puntos de un sólido sometido a un esfuerzo, que hay un medio de propagación de tensiones desde cualquier punto del sólido sometido a presión. Podemos pensar que un potencial gravitatorio es equivalente, que todos los puntos del espacio vacío tienen un potencial aunque solo se pueda probar allí donde exista una masa que lo demuestre.
Según se cuenta, fue Laplace el primero que atribuyó al potencial el rango de “sustancia” o “propiedad” que se expande por el espacio, haciendo que éste adquiera unas determinadas propiedades. Desde entonces, ninguna teoría de la gravedad ha prescindido de los campos como punto de partida.
Hasta la fecha, la única forma creíble para explicar las fuerzas a distancia como la gravedad o el electromagnetismo, es reconocer que hay un medio capaz de transmitir interacciones, pero ese medio es muy extraño cuando se trata del vacío. Si ponemos una masa que sirva de testigo comprobamos que el potencial existe pero, ¿cómo sabemos que no es debido a la masa colocada?, ¿existe campo realmente donde no hay nada?
No lo sabemos pero a efectos de cálculo es irrelevante, sin embargo no es irrelevante interpretar una cosa u otra, porque eso nos acercará o nos alejará del verdadero significado de la realidad. Es lógico que dos cosas iguales físicamente también serán iguales matemáticamente, pero si descuidamos el significado físico de lo que manejamos con las matemáticas, ¿hacia dónde nos dirigimos? Dos cosas que son iguales matemáticamente no tienen por qué ser iguales físicamente, así que podríamos terminar en un laberinto de la razón en el que todo se confunde.
Básicamente, es un riesgo cualquier expresión matemática verificada de forma experimental pero sin demostración, y son muchas las que habitualmente se manejan. Por ejemplo la gravedad de Newton, la relatividad general y la mecánica cuántica están basadas en principios experimentales. La gravedad de Newton es una aproximación muy buena si no hace falta considerar efectos relativistas, pero solo se considera correcta porque se cumple. La relatividad general se basa en la equivalencia física entre masa gravitatoria y masa inercial, ¿pero qué pasaría si tal equivalencia solo fuera matemática? La mecánica cuántica se basa en una función de onda que tampoco se demuestra, y sus buenos resultados experimentales no cambian el hecho de ser un postulado.
 Se dice que la teoría más exitosa de ha historia es la teoría cuántica de campos, una conjunción entre la mecánica cuántica y la relatividad que unifica características de corpúsculos y de campos, de masas puntuales y de fuerzas. Según la teoría, las fuerzas y sus correspondientes campos pueden representarse por el intercambio de partículas denominadas bosones, también reconocidas como “virtuales” porque tienen un período de vida muy corto. Todas las fuerzas conocidas tienen su bosón correspondiente, a excepción de la gravedad para la que todavía no se ha detectado. La acción del campo de fuerza se corresponde con la creación y aniquilación permanentes de una infinidad de partículas virtuales. Todo bosón tiene asociado su campo de fuerza, pero toda partícula fundamental también tiene su propio campo, aunque no sea de fuerza. Por ejemplo el campo correspondiente a los electrones es como un mar de electrones que aparecen y se aniquilan continuamente, hay electrones virtuales y hay electrones que son más estables.
Los campos cuánticos están cuantizados y se dice que dan lugar a una partícula cuando están en estado excitado, de forma que la energía que los excita siempre resulta ser un número entero de veces la energía de una sola partícula. No puede corresponder a 3 electrones y medio, por poner un ejemplo. Las partículas emergen como estados excitados de los campos, pero su posición y momento lineal cumplen el principio de indeterminación de Heisenberg, de forma que el producto de los errores de ambas magnitudes tiene que ser mayor de cero.
Hablar de partículas es hablar de algo relativamente nítido emergiendo de campos difusos, pero no lo bastante nítido como para saber con seguridad su posición y su velocidad, ya que si una disminuye su error la otra lo aumenta, y si una elimina su error la otra tendrá un error infinito. Lo mismo que sucede con la posición y el momento también ocurre con su masa y su tiempo de vida en el caso de partículas virtuales. Por ejemplo ya sabemos que los bosones de la interacción débil son tremendamente masivos pero su período de vida es extremadamente corto. Cuando se habla de error es en términos de probabilidades que se distribuyen en el espacio, alcanzando un máximo para una determinada posición, pero no como un pico muy agudo sino como un monte ancho y no muy elevado.
El concepto difuso de partícula se explica porque debe su existencia a la aparición y aniquilación de sus equivalentes virtuales, sumergiéndose y emergiendo de un vacío tan lleno que cuando una se hunde otra es obligada a sacar la cabeza del vacío y aparecer en la realidad material. En una determinada región del espacio puede haber un número entero de partículas que no caben en el vacío y se dejan sentir como materia, pero no son siempre las mismas moviéndose por el espacio, son más bien como las gotas de lluvia que caen por todas partes pero se diluyen tan rápido como hacen contacto con el agua del estanque. Esa lluvia de puntos dibuja una probabilidad que se intensifica en unas zonas y se difumina en otras.
La creación de una partícula virtual podría ser coherente para un observador pero inaceptable para otro, como por ejemplo viajando hacia el pasado. Esta incoherencia se elimina cambiando a la partícula por su antipartícula correspondiente, puesto que en ese caso aparece viajando hacia el futuro. Debido a esa razón relativista se deduce que deberían crearse y aniquilarse partículas y antipartículas, de forma que la creación de unas exige la aniquilación de las otras, y a la inversa.
Rafael Andrés Aleman Berenguer, de la Universidad Miguel Hernández de Elche, nos cuenta su visión acerca del significado filosófico de la teoría cuántica de campos, en el siguiente artículo:
Lo que sigue es un resumen intentando evitar palabras demasiado técnicas…
Encontramos muchos análisis filosóficos sobre la física cuántica pero no de la teoría cuántica de campos, a pesar de ser una de las herramientas más precisas en física. No obstante, sus cimientos conceptuales siguen siendo altamente controvertidos, y cabe dudar si una ampliación de su formalismo conduciría a la deseada unificación de las fuerzas fundamentales.
Más de 60 años después del desarrollo de la teoría cuántica de campos, no solo no se ha conseguido la deseada unificación sino que ni siquiera estamos convencidos de que sea estrictamente compatible con la relatividad especial, y no digamos de la general. La mayor parte de los textos están dedicados a la formación de especialistas, y los escasos trabajos divulgativos raramente abandonan una línea laudatoria hacia los logros de la teoría.
El hecho de manejar distribuciones matemáticas y no funciones, implica que los operadores cuánticos de campo no resultan definibles en un punto concreto, sino en un entorno espacio-temporal de extensión finita. Naturalmente, los productos de estos operadores en un punto (a diferencia de la teoría clásica de campos) tampoco están definidos, y no es de extrañar que aparezcan divergencias infinitas al aplicar este formalismo tan espinosamente construido.
La eliminación de las cantidades infinitas, o “divergencias”, en las teorías cuánticas de campo se consigue al precio de introducir grados de libertad (parámetros con valores sin fijar) de dudosa interpretación física. Por desgracia estos grados de libertad no físicos parecen ser imprescindibles para preservar la simetría gauge local y la simetría espacio-temporal del grupo de Poincaré. La apelación a esos grados adicionales de libertad, nos aboca a un espacio ampliado de estados con una métrica indefinida. El espacio de estados genuinamente físicos, por su parte, configura un subespacio con métrica definida positiva, lo que evita la aparición de probabilidades negativas (es decir, la matriz de densidad S permanece unitaria). Considerando el asunto más de cerca, se observa que en la electrodinámica cuántica –una teoría abeliana– los grados de libertad no físicos provienen en exclusiva del gauge del vector potencial del campo electromagnético. Por el contrario, en las teorías no abelianas –como la de simetría SU(2)– surgen por añadidura campos cuánticos escalares sometidos a una estadística fermiónica, rompiendo con ello la conexión espín-estadística que rige en el caso de los grados de libertad verdaderamente físicos.
Las operaciones con cantidades infinitas se suelen considerar matemáticamente ilícitas porque generan indeterminaciones, aunque eso mismo brinda la posibilidad de asignar a esa magnitud indeterminada el valor fenomenológico de la masa y la carga del electrón. Así se hizo con gran éxito práctico, lo bastante para silenciar a muchos de los que dudaban de la solidez matemática del método.
Resulta difícil vincular las operaciones de la electrodinámica cuántica con las funciones de puntos del espacio-tiempo, pero las reglas de renormalización lo tratan como si así fuese. Esas mismas reglas se usan para restar divergencias manipulando integrales mal definidas con la coartada de la teoría de distribuciones y de funciones generalizadas.
Las divergencias de la electrodinámica cuántica provienen tanto de la ausencia de una cota superior para la energía de los cuantos virtuales, como del carácter local de la interacción entre los campos. Dirac explica que la teoría de renormalización ha salido victoriosa de todos los intentos para sanearla de modo matemático, y se inclina a pensar que no durará mucho.
Cuando se contempla la sucesión de alteraciones ad hoc realizadas en la teoría cuántica de campos (mar de electrones de energía negativa, desprecio de auto-energías infinitas y polarizaciones del vacío, invariancia gauge local, renormalización forzada en teorías gauge, ruptura espontánea de simetría, confinamiento de los quarks, color, entre otros ejemplos) y la imagen que emerge del “vacío”(¿éter?), borboteando con pares partícula-antipartícula de todas clases y responsable de la ruptura de las simetrías inicialmente presentes, uno puede preguntar si se supone seriamente o no que la naturaleza ha de ser así.
La electrodinámica cuántica ha suministrado resultados demasiado buenos para que pensemos en desprendernos de ella sin contar con un recambio al menos igual de satisfactorio. Un recambio (no lo olvidemos) que logre combinar la teoría cuántica con, al menos, la relatividad especial de Einstein. Ahí se halla el nudo de la cuestión, puesto que numerosos textos dan por conseguido este objetivo sin que haya plena garantía de ello.
Los modos normales, los cuantos del campo, y las partículas son buenos conceptos para describir los sistemas continuos sólo cuando el acoplamiento entre ellos es despreciable. La condición no siempre se satisface. Por ejemplo, los modos de una cuerda de violín no pueden considerarse independientes unos de otros cuando la vibración es bastante violenta para hacerse inarmónica. Igualmente, cuando los campos cuánticos interactúan, los cuantos pueden excitarse y desexcitarse fácilmente de modo que la imagen estática de los campos cuánticos ya no se aplica. Por ello los teóricos de los campos dicen que las partículas son epifenómenos y el concepto de partícula no es central en la descripción de los campos.
Todo apunta a que haríamos bien en buscar un nuevo tipo de descripción para los componentes fundamentales de la naturaleza. La infructuosidad de los esfuerzos realizados hasta la fecha sugiere no sólo un replanteamiento de nuestros presupuestos ontológicos sobre la materia, sino también sobre el propio espacio-tiempo. Nada inverosímil es suponer que necesitamos conceptos nuevos sobre los cuales construir las nociones de materia e interacción junto con las de espacio y tiempo. La participación del espacio-tiempo en la interacción gravitatoria, revelada por la relatividad general, puede ser el primer paso en un camino aún apenas recorrido.
¿Y qué puede ser más fascinante para un físico (o para un filósofo) que la existencia de elementos previos al espacio y al tiempo? Ante un desafío semejante nuestra imaginación científica puede verse empujada hasta el límite de sus fuerzas. Pues, como una paradoja más de la naturaleza, en nuestra capacidad imaginativa descansa la posibilidad de desvelar la realidad física.






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