¿Qué contiene el vacío?

En un lugar del vacío, de cuyo nombre no quiero acordarme, no ha mucho que vivía un protón de los de spin unmedio, carga positiva, masa ligera y velocidad relativista. Una interacción más de fuerte que de débil, gravitones las más noches, neutrones y electrones los sábados, fotones los viernes, y algún pión de añadidura los domingos consumían las tres partes de su energía

Me pregunta la Abejita de la Vega:

- ¿Como pretendemos hacer vibrar el vacio para descubrir la energia oscura, confirmar la constante cosmologica aceleradora y la aparicion del boson de higs o particula de Dios?

A lo cual, respondo con este chorizo:

¿Qué contiene el vacío?

- ¿A qué güelen lah nubeh? ¿Qué ruido hase un árbo ar caé zi no hay naide para e-cusharlo?

Parece una pregunta tonta… pero es lo que trae de cabeza a los físicos desde hace tiempo.

- Pue vaya panda de inútileh. Er vasío eztá vasío, por definisió

No se me acelere el personal. Que tanto trae de cabeza, que han terminado por construir una peaso de máquina que han bautizado (aunque no nos conste que hayan echado agua por encima) “Gran Colisionador de Hadrones”

- ¡Loh bancoh zí que zon unos hadroneh!

No se confunda. Esos son ladrones. Hablamos de hadrones, unas de tantas partículas de materia con la que está constituida el universo, que a su vez están compuestos por quarks, y que por el momento son la partícula más elemental que existe, junto con el electrón, los neutrinos, y todas sus antipartículas

- ¿lo quá?

Sí, ya imagino que aquí se me habrá perdido alguien. Empecemos por Demócrito, y los atomistas. En aquellos tiempos en que los que no había Internet ni fútbol, la gente tenía que emplear el tiempo de alguna forma. Algunos hacían la guerra. Otros se dedicaban a filosofar.

- ¡Ah! Filozofía. Eze arte de desí frazeh bonitah que no quieren desí ná

Pues por aquellos tiempos ya pensaban que la tierra era redonda (incluso calcularon su diámetro, y se acercaron bastante), que giraba en torno al sol, y que la materia estaba hecha de bolitas pequeñas, que eran el ladrillo último con que se componía la materia. Atomistas, les llamaban a éstos últimos, y el átomo era ese ladrillo fundamental de la materia.

Pero bueno, en aquellos tiempos lo más avanzado que tenían eran Grandes Colisionadores de Pedruscos (cuyo palabro técnico era catapulta) y lo empleaban para otros menesteres, así que no podían demostrar sus ideas, y la gente terminó escuchando a un tal Aristóteles que decía cosas muy bonitas, pero más falsas que un dracma de madera.

Así pasaron los siglos hasta que llegamos al XIX donde un tal Dalton, un tipo que hoy día moriría atropellado en un semáforo, descubrió que los compuestos químicos estaban hechos de elementos que se combinaban siempre en las mismas proporciones. Es decir, si en un gramo de agua había dos partes de un elemento llamado hidrógeno, y una de otro llamado oxígeno, en dos gramos había cuatro partes de hidrógeno y dos de oxígeno. Lo que venía a sentar las bases de que había ladrillos fundamentales que formaban la materia. Entonces se empezó a buscar el átomo y a comprender qué era.

Y entonces ocurrió algo que los griegos no habían previsto

-¿Qué el sielo ze cayó zobre zuh cabesah?

No. Esos fueron los galos. Resulta que el átomo, el ladrillo indivisible de la naturaleza… ¡¡se podía dividir!!. Resulta que el átomo se componía de unas partículas con carga positiva, y otras con carga negativa. Y luego llegaron otros diciendo que además de esas, tenían otras partículas que eran neutras, sin carga eléctrica.

- ¡Pueh menoh mal que loh átomoh eran indivizibleh!

Pero es que ahí no acaba la cosa. Paul Dirac, un inglés que soltaba frases tan buenas como:

Ciencia es intentar explicar de forma sencilla conceptos complicados. Lo contrario es poesía

llegó a la conclusión de que si bien los electrones tenían carga negativa, existían también electrones con la misma carga… pero positiva. Y los llamó anti-electrones, aunque se les conoce mejor por “positrones”. Es más, dijo que para cada partícula, existía una igual, pero con la carga invertida, por lo que igual que había protones con carga positiva, podían existir los anti-protones con carga negativa. Y si un antiprotón se juntaba con un antielectrón, entonces formaban un antiátomo

- creo que nesecito un güijki para entender ezto

Y aún más, si un antiátomo se encontraba con su átomo… ambos se aniquilaban y desaparecían. Es como sumar 1 y (-1) , que dan como resultado cero.

- Otiá

Pero lo que tiene la física es que las cosas casi siempre funcionan también al revés: del vacío más absoluto…pueden aparecer una partícula y su antipartícula. Es como el cero, que se puede escribir como la suma de 1 y (-1).

-¡La re-otia!. El güijki que zea doble

Entonces el problema es que el vacío... no está tan vacío después de todo, si de él aparecen partículas y antipartículas.

Bueno, no contentos con eso, los malvados científicos siguieron desmontando al átomo. ¿Qué cómo lo hicieron? A la fuerza bruta: lanzaban las partículas unas contra otras, y a ver en cuantas piezas se rompían.

-Ezo zí que eh tecnología punta

El electrón resultó ser una partícula por sí sola, es decir que no podía dividirse más. En cambio, los protones y neutrones se podían separar en otras partículas más pequeñas, que llamaron quarks, palabra que tiene su historia, porque viene de un concurso de la tele que tenía un latiguillo así como “otro quark para Muster Mark” y muestra la escasa imaginación de esos seres perversos que son los científicos.

En principio, creyeron que sólo había dos tipos de quarks: el “up” y el “down” (“arriba” y “abajo”, un alarde originalidad sin precedentes). La combinación de tres de ellos formaban un protón (dos “up” y un “down”) y un neutrón (dos “down” y un “up”). Y luego estaban los antiquarks “anti-up” y “anti-down”. Y de paso encontraron otra partícula, que llamaron neutrino electrónico.

Entonces decidieron ser más brutos, y lanzar más fuertes las partículas. Y para su sorpresa, encontraron más cachitos que no esperaban encontrar. Aparecieron los quarks “strange” y “charm”, con sus antiquarks “anti-strange” y “anti-charm” (“extraño” y “encantador”. Por lo visto la fuerza bruta se incrementa en la misma proporción en que disminuye la imaginación). Y luego también apareció una partícula que llamaron “muón”, y un “neutrino muónico”.

Como los científicos son asín, se dijeron “¿Y si somos más brutos ahora, qué?”. Pues que entonces aparecieron otros dos quarks mas, que, fieles a la costumbre adquirida, llamaron “bottom” y “top” (“inferior” y “superior”) . Y también apareció una “partícula tau”, y su “neutrino tau”.

Total, que con la tontería, del helénico e indivisible átomo aparecieron ni más ni menos que 6 quarks, un electrón, un muón, un tauón, y 3 neutrinos. A los seis primeros se les llamó “hadrones”. Y a los otros 6 “leptones”. La diferencia entre ellos es que los hadrones se combinan entre sí para generar otras partículas como los protones y los neutrones, y otras cuantas más que no vienen al caso (como el kaón, el pión,…)

- Er Cojón…Ah, no que eze eh mi apellido.

Con esto tenemos casi completo el modelo estándar de partículas subatómicas. Faltan las partículas virtuales.

- Tu padre

Son partículas que no existen…

- Mira tú que lizto

…pero que se dejan notar.

Se encargan de llevar las interacciones entre las partículas. En la naturaleza existen 4 interacciones fundamentales: electromagnética, gravitatoria, fuerte y débil (se nota que las dos últimas son modernas, dado el inmenso esfuerzo empleado en bautizarlas)

Un electrón va por su camino tan alegre, hasta que se cruza con otro. Como no se pueden ni ver entre ellos, el electrón 1 se saca del vacío un “fotón virtual”, y se lo tira al electrón 2. El electrón 2 que es de la misma calaña, le tira otro “fotón virtual” que se saca de la manga del mar menor, y cuando los fotones les atizan en la cabeza, los electrones salen despedidos en direcciones opuestas.

Si en cambio el electrón se encuentra con un protón, como son muy coquetos, no se tiran los “fotones virtuales”, sino que se los regalan, se piden matrimonio, se casan y forman una familia…digoooo….. átomo.

En realidad, los electrones y protones han tenido una “interacción electromagnética” que los separa (electrón contra electrón, las cargas iguales se repelen) o los une (electrón y protón, las cargas distintas se atraen). Las partículas son virtuales porque “surgen del vacío”, y al terminar el proceso son de nuevo “absorbidas por el vacío”.

Pues igual que el fotón, existe otra partícula, el “gluón” (del inglés “glue” que significa pegamento)

-¡Advertensia! Lah autoridades zanitariah avizan de que eztudiá fízica eh peor que el alseimer

Iba diciendo que el gluón es la partícula virtual que se intercambian los quarks, que se atraen por la llamada “interacción fuerte”. Y luego está la “interacción débil” cuyas partículas son los “bosones W”

- Por curiozidá, el sientífico que bautisó a ezoz bozoneh, ¿cómo ze llama zu hijo?

…que son responsables de algunas otras cosas que ocurren en el núcleo del átomo, y bastante sobrecargado está ya el tema para entrar en ello.

Hasta aquí, todo lo dicho se ha visto alguna vez un acelerador de partículas. Queda por ver aún el “gravitón”, la partícula virtual que lleva la interacción gravitatoria… y el bosón de Higgs.

Así que “el vacío” no está tan vacío. Tiene una capacidad para crear partículas y antipartículas con masa. ¿Qué contiene el vacío? ¿Cómo puede aparecer masa de la nada? ¿Es la materia oscura lo que llena el vacío?

El bosón de Higgs sería la partícula "precursora" de la masa, lo que le da masa a una partícula.

Imagina una fiesta. Una sala grande, donde los invitados se reparten uniformemente por ella, de forma que alguien que mire por arriba no verá diferencias entre un punto y otro. Eso es nuestro vacío. Una aglomeración uniforme de “algo”, en la que no puedes ver diferencias. Sin diferencias, no puedes “observar”,no puedes “medir”,no puedes “cuantificar”. Dirías que no hay nada (está vacío) porque no puedes encontrar diferencias que de permitan decir “aquí hay algo que allí no hay”

-¿Ezo no zerá filozofía, verdá?

Entonces se abre la puerta y entra el camarero con un vaso de agua

-Pue vaya mierda de fiezta

Como a la gente que va fiesta no le va el agua, alrededor del camarero se aglutinan unos pocos invitados. Como a la mayoría de los invitados son unos alcohólicos empedernidos, la mayoría dejará pasar sin mucho problema al camarero y los 4 invitados que arrastra con él.

Un observador que estuviera mirando podría observar, aunque pequeña, una diferencia: puede decir: “aquí hay algo que en el resto de la sala no hay”. Está viendo una partícula con una masa pequeña, que además se mueve muy rápido porque casi nadie interacciona con ella.

Pero entonces entra otro camarero con un plato de gambas

-Ezo ya me guta má

Y alrededor de él se acumulan los invitados. El camarero se ve entorpecido en su movimiento, y cuando ha recorrido unos pocos metros, se le acaban las gambas, y la masa de buitres leonados

-¿No querráh desí “invitados”?

Ejem… como decía, la masa de invitados se disuelve ella sola porque ya no quedan gambas. En cambio, el camarero con los vasos de agua aún tiene para rato.

Un observador habría visto como dos partículas se crean en el vacío. Una es muy ligera, y se mueve rápido. La otra tiene mucha masa, y se mueve despacito. Finalmente la segunda es rápidamente absorbida de nuevo por el vacío, mientras que la otra todavía estará un rato dando vueltas.

Los camareros en este ejemplo vendrían a ser el “bosón de Higgs” (lo que ahora les ha dado por llamar “la partícula de Dios”, dios sabrá por qué)

Pues eso es parte de lo que se quiere saber, y se quiere averiguar de la única forma que saben hacer los físicos

-¿Con la fuersa bruta?

Exacto. Se fabrica un acelerador de partículas gigantesco, (el LHC, Gran Colisionador de Hadrones), y a ver qué cachitos recogemos. En particular, se intenta ver “el bosón de Higgs”, que vendría a ser el camarero de la fiesta. Los invitados son una especie de sábana que llena el vacío. Sin estímulos externos, no hay diferencias de un punto a otro, ni de un instante a otro. Pero en un momento dado, dos hadrones colisionan a gran velocidad, liberando una gran cantidad de energía. Esa energía estimula esa sábana de forma que aparece una ondulación o vibración (un camarero en la fiesta), que enreda la sábana (los invitados alrededor del camarero) y esa ondulación se propaga por la sábana, enredándola más ý más, haciendo aparecer una partícula, hasta que la ondulación o vibración desaparece, y con ella el nudo en la sábana y la partícula. O puede que la ondulación permanezca hasta que choque con otra.

¿Y qué tiene que ver esto con la constante cosmológica?

Rebobinemos. Albert Einstein, físico alemán que en 1905 revolucionó la ciencia. Publicó la teoría de la Relatividad Especial, donde decía cosas tan raras como que si vas a casi la velocidad de la luz, las distancias se acortan, y el tiempo se alarga. Y luego en 1916 llegó la Relatividad General, donde decía cosas tan divertidas como que la luz al pasar al lado de un objeto con mucha masa, como el sol, en vez de ir en línea recta, se curvaba.

-¡Eh! ¡Yo también quiero fumar de ezo!

Lo más divertido es que sus predicciones se cumplían, y la teoría de la relatividad sería rara, pero era correcta.

Con la relatividad general, Einstein podía analizar cómo evolucionaba el universo. Llegó a la conclusión de que el universo está en movimiento: ¡las galaxias se están alejando unas de otras!

- Pue yo miro to loh díah por la ventana, y no veo que ze mueva…

Ni Einstein. Pero eso debido a lo lejos que están las galaxias, y hace falta muuuuuuucho tiempo (más del que viven muchas generaciones de una familia) para observar algún cambio a simple vista. Einstein, movido por su creencia de que el universo era estático, introdujo en sus ecuaciones una “constante cosmológica” que debía contrarrestar el efecto de movimiento que predecía la teoría de la relatividad.

Pero ni por esas. A pesar de esa corrección, la teoría seguía diciendo que el universo seguiría en movimiento. Einstein calificó esa constante como el gran error de su vida (o eso dicen). El astrónomo Hubble…

- ¡Qué curiozo! Ze llama como el telezcopio eze…

…Hubble, que en los 90 dio nombre a un telescopio, comprobó que efectivamente, el universo está en movimiento. Las galaxias se están alejando unas de otras.

Pero vayamos a la chicha. El universo está en movimiento. Se está alejando. Sabemos que la gravedad tiende a atraer los objetos, pero cuanto más lejos están, menos fuerza de atracción sufren. Entonces, ¿se alejan lo suficientemente rápido como para no frenarse, y que el universo se expanda hasta el infinito y más allá, enfriándose lentamente? ¿O se frenará la expansión y llegará un momento en que las galaxias comiencen a acercarse las galaxias, hasta volver al punto inicial del Big Bang?

El destino final del universo depende de la cantidad de masa que hay en el universo. Por el momento, la masa conocida no es suficiente como para frenar la expansión.

Y lo divertido viene ahora, porque, no solo de momento no parece que el universo se vaya a frenar. Es que según las mediciones actuales, ¡se está acelerando!

-¿Y ezo que quiere decir?

Ni más ni menos que hay una fuerza actuando en sentido contrario a lo que hace la gravedad. La gravedad atrae los cuerpos, debería frenar la expansión… pero si hay otra interacción que lo que hace es repeler la masa, estamos ante una “antigravedad”, o algún tipo de energía o materia oscura que lo está provocando y que no conocemos en absoluto.

Este fenómeno es nuevo, y se puede incluir en las ecuaciones de la relatividad como una “constante cosmológica” como la que Einstein pensó (por razones equivocadas) en un momento dado.

¿Puede el bosón de Higss, o entender lo que ocurre en el vacío ayudarnos a comprender qué es esa “energía oscura”, y por qué acelera la expansión del universo? Pues en eso están ahora esos seres sin imaginación llamados científicos.

-Me lo repita