La partícula divina (47 page)

Su fama popular dimana de que encabezase el equipo que construyó en Chicago, durante la segunda guerra mundial, la primera pila nuclear con reacción en cadena. Tras la guerra, también reunió en la Universidad de Chicago a un brillante grupo de alumnos, tanto teóricos como experimentadores. Los alumnos de Fermi, los de su periodo romano y los de Chicago, se dispersaron por el mundo, y en todas partes escalaron puestos y ganaron premios. «Se puede reconocer a un buen maestro por el número de sus alumnos que son premios Nobel», dice un antiguo proverbio azteca.

En 1954 Fermi dio su conferencia de despedida como presidente de la Sociedad Física Norteamericana. Con una mezcla de respeto y sátira, predijo que en un futuro próximo construiríamos un acelerador en órbita alrededor de la Tierra, aprovechando el vacío natural del espacio. Observó también, esperanzadamente, que se podría construir sumando los presupuestos militares de los Estados Unidos y de la URSS. Con unos superimanes y mi calculadora de costes de bolsillo, me salen 50.000 TeV con un coste de 10 billones de dólares, sin incluir descuentos con la cantidad. ¿Qué mejor forma habría de devolver al mundo la cordura que haciendo de las espadas aceleradores?

Cómo violamos la paridad en una semana…

y descubrimos a Dios

No puedo creer que Dios sea un débil zurdo.

WOLFGANG PAULI

Mirémonos en un espejo. No está demasiado mal, ¿eh? Suponed que levantáis la mano derecha y vuestra imagen en el espejo ¡también levanta la suya! ¿Qué? No puede ser. ¡Tenía que levantar la izquierda! Os quedaríais, qué duda cabe, conmocionados si la mano que se levantase fuera la equivocada. Esto no le ha pasado nunca a nadie, que sepamos. Pero sí ocurrió algo equivalente con una partícula fundamental, el muón.

La simetría especular se ha comprobado una y otra vez en el laboratorio. El nombre científico de la simetría especular es conservación de la paridad. La historia que sigue trata de un descubrimiento importante, y también de cómo el progreso a veces trae consigo la muerte de una teoría exquisita a manos de un feo hecho.

Todo empezó a la hora de comer un viernes y acabó alrededor de las 4 de la madrugada del lunes siguiente. El resultado fue que una concepción muy profunda de la manera en que se comporta la naturaleza está (débilmente) equivocada. En unas cuantas e intensas horas de toma de datos, nuestro conocimiento de cómo está construido el universo cambió para siempre.

Cuando se refuta una teoría elegante, cunde el desánimo. Parece que la naturaleza es más torpe, más plúmbea de lo que habíamos esperado. Pero atempera nuestra depresión la fe en que, cuando todo se sepa, se revelará una belleza más profunda. Y así fue cuando, en sólo unos pocos días de enero de 1957, en Irvington-on-Hudson, 33 kilómetros al norte de la ciudad de Nueva York, la paridad cayó.

Los físicos aman la simetría por su belleza matemática e intuitiva. Ejemplos de la simetría en el arte son el Taj Mahal o un templo griego: en la naturaleza, exhiben patrones simétricos de gran belleza las conchas, los animales simples y los cristales de distintos tipos, y también la simetría bilateral casi perfecta del cuerpo humano. Las leyes de la naturaleza contienen un rico conjunto de simetrías de las que, durante muchos años, al menos hasta enero de 1957, se pensó que eran absolutas y perfectas.

Han sido inmensamente útiles para nuestro conocimiento de los cristales, las moléculas grandes, los átomos y las partículas.

A una de esas simetrías se le llamaba simetría especular, o conservación de la paridad, y afirmaba que la naturaleza —las leyes de la física— no puede distinguir los sucesos del mundo real de los que se ven en el espejo.

El enunciado matemático apropiado, que daré para que conste, es que las ecuaciones que describen las leyes de la naturaleza no cambian cuando reemplazamos las coordenadas z de todos los objetos por −z. Si el eje z es perpendicular a un espejo —que define un plano—, esa sustitución es exactamente el resultado de que un sistema cualquiera se refleje en el espejo. Por ejemplo, si estáis, o está un átomo, 16 unidades frente al espejo, el espejo mostrará vuestra imagen 16 unidades detrás del espejo. Si las ecuaciones son invariantes bajo esa sustitución (por ejemplo, si la coordenada z aparece siempre en la ecuación como −z), la simetría especular es válida y la paridad se conserva.

Si una pared del laboratorio es un espejo y los científicos del laboratorio están efectuando unos experimentos, las imágenes del espejo mostrarán imágenes especulares de esos experimentos. ¿Hay alguna forma de decidir cuál es el laboratorio verdadero y cuál el del espejo? ¿Podría saber Alicia dónde está (enfrente o detrás del espejo) mediante alguna comprobación objetiva? ¿Podría un comité de científicos distinguidos examinar una cinta de vídeo donde se hubiera grabado un experimento y decir si se había efectuado en el laboratorio real o en el del espejo? En diciembre de 1956 la respuesta inequívoca era que no. No había forma de que un panel de expertos pudiese probar que la imagen que miraban era la imagen en el espejo de los experimentos que se realizaban en el laboratorio real. En este punto, un inocente perceptivo diría: «Pero, fijaos, todos los científicos de esta película llevan los botones a la izquierda de sus batas. Tiene que ser la imagen del espejo». «No —responden los científicos—, esto no es más que una costumbre; nada hay en las leyes de la naturaleza que obligue a que los botones estén en el lado derecho. Tenemos que poner a un lado todas las peculiaridades humanas y ver si hay algo en la película que vaya contra las leyes de la física.»

Antes de enero de 1957 no se había visto ninguna violación así en el mundo de la imagen en el espejo. El mundo y su imagen especular eran descripciones igualmente válidas de la naturaleza. Todo lo que pasase en el espacio especular podía, en principio y en la práctica, reproducirse en el laboratorio. La paridad era útil. Nos ayudaba a clasificar los estados moleculares, atómicos y nucleares. Además, ahorra trabajo. Si un ser humano perfecto y desnudo está a medias oculto por una pantalla vertical, con estudiar la mitad que se ve se sabe en muy buena medida qué hay detrás de la pantalla. Esa es la poesía de la paridad.

La «caída de la paridad» —como más tarde se denominó a los sucesos de enero de 1957— es el ejemplo por antonomasia de la forma de pensar de los físicos, de la manera en que se adaptan a una conmoción, de cómo la teoría y las matemáticas se doblan ante los vientos de la medida y la observación. Lo que en esta historia dista de ser corriente es la rapidez del descubrimiento y su relativa sencillez.

Viernes 4 de enero, las doce del mediodía. El viernes teníamos la costumbre de almorzar comida china, y el claustro del departamento de física de la Universidad de Columbia se reunía ante el despacho del profesor Tsung Dao Lee. Entre diez y quince físicos marchaban en grupo cuesta abajo desde el edificio Pupin de físicas en la calle 120 hacia el café Shangai en la 125 y Broadway. Estas comidas empezaron en 1953, cuando Lee llegó a Columbia desde la Universidad de Chicago con un flamante doctorado y su imponente reputación de superestrella de los teóricos.

Las comidas de los viernes se caracterizaban por las conversaciones ruidosas y desinhibidas, a veces tres y cuatro a la vez, salpicadas por el ruido que hacíamos al sorber la sopa de melón de invierno y al repartirnos fénix de carne de dragón, bolas de gambas, holoturias y otros exóticos y especiados productos de la cocina china del norte, que en 1957 no estaba todavía de moda. Ya en el camino de ida, estaba claro que ese viernes el tema sería la paridad y las noticias calientes procedentes de nuestra compañera de Columbia C. S. Wu, que estaba realizando un experimento en la Oficina de Medidas de Washington.

Antes de entrar en el serio asunto de las discusiones en la comida, T. D. Lee llevaba a cabo su rutina semanal de confeccionar el menú en un cuadernito que le ofrecía el respetuoso camarero-gerente. T. D. confecciona un menú chino con gran estilo. Es una forma de arte. Mira el menú, su cuaderno, le hace una pregunta en mandarín al camarero, frunce el ceño, posa el lápiz sobre el cuaderno, caligrafía cuidadosamente unos cuantos símbolos. Otra pregunta, cambia un símbolo, mira el artesonado en busca de guía divina y se entrega a una efusión de rápida escritura. El repaso final: pone ambas manos sobre el cuaderno, una con los dedos estirados, que recordaba las bendiciones del papa a la muchedumbre reunida, la otra sosteniendo lo que quedaba de un lápiz. ¿Está todo? ¿El yin y el yang, el color, la textura y el sabor adecuadamente equilibrados? Se entregan cuaderno y lapicero al camarero, y T. D. se sumerge en la conversación.

«Ha llamado Wu por teléfono. ¡Los datos preliminares indican un efecto enorme!», dice excitado.

Volvamos a ese laboratorio (el mundo real tal y como Él lo hizo), una de cuyas paredes es un espejo. Nuestra experiencia normal es que, sostengamos ante al espejo lo que sostengamos, hagamos en el laboratorio el experimento que hagamos —dispersar partículas o producirlas, o experimentos gravitatorios como el de Galileo—, las reflexiones en el espejo del laboratorio se atendrán a las mismas leyes de la naturaleza que gobiernan en el laboratorio. Veamos cómo se manifestaría una violación de la paridad. La comprobación más simple de la preferencia por uno de los lados, una comprobación que cabría comunicar a los habitantes del planeta Penumbrio, se vale de un tornillo a derechas. Os ponéis de frente a la cabeza del tornillo y le dais vueltas «en el sentido de las agujas del reloj». Si el tornillo penetra en un bloque de madera, se define como un tornillo «a derechas». Claro está, en el espejo se ve un tornillo a izquierdas porque el tipo del espejo le da vueltas en sentido contrario a las agujas del reloj, y sin embargo penetra. Suponed que vivimos en un mundo tan curioso (algún universo de Star Trek) que sea imposible —contra las leyes de la física— hacer un tornillo a izquierdas. La simetría especular se rompería; la imagen en el espejo de un tornillo a derechas no podría existir en la realidad y la paridad se violaría.

Este es el proemio a cómo Lee y su colega de Princeton Chen Ning Yang propusieron que se examinase la validez de la ley en los procesos de interacción débil. Necesitamos algo que venga a ser una partícula a derechas (o a izquierdas). Como el tornillo, hemos de combinar una rotación y una dirección de movimiento. Pensad en una partícula que gire alrededor de un eje propio —que tenga «espín»—; llamadla muón. Representáosla como un cilindro que gira alrededor de su eje. Con eso tenemos la rotación. Como los cabos del cilindro-muón son idénticos, no podemos decir si gira en el sentido del reloj o al contrario. Para que os deis cuenta de que es así, poneos enfrente de vuestra enemiga favorita con el cilindro en medio. Juraréis que rota a la derecha, como el reloj; ella, en cambio, insistirá en que lo hace a la izquierda. Y no hay forma de resolver la disputa. Esa es una situación de conservación de la paridad.

El genio de Lee y Yang estribó en sacar a la palestra la interacción débil (la que querían examinar) mediante la observación de la desintegración de una partícula con espín. Uno de los productos de la desintegración del muón es un electrón. Suponed que la naturaleza dicta que el electrón sale sólo de un extremo del cilindro. Ello nos da una
dirección
. Y ahora podemos determinar el
sentido
de la rotación —como el reloj o al contrario— porque uno de los cabos (el cabo del que sale el electrón) está definido. Ese cabo desempeña el papel de la punta del tornillo. Si el sentido de rotación del giro con respecto al electrón es a derechas, como el sentido del tornillo con respecto a su punta, hemos definido un muón a derechas. Ahora bien, si estas partículas se desintegran siempre de manera tal que se definan a derechas, tendremos un proceso que violará la simetría especular. Se ve alineando el eje de giro del muón paralelamente al espejo. La imagen en éste es un muón a izquierdas,
que no existe
.

Los rumores sobre Wu habían empezado tras la pausa de Navidad, pero la primera reunión del departamento de física desde las vacaciones fue el viernes siguiente al Año Nuevo. En 1957 Chien Shiung Wu, como yo profesora de física en Columbia, era una científica experimental muy reputada. Su especialidad era la desintegración radiactiva de los núcleos. Era dura con los estudiantes y los posdoctorados, pletórica de energía, cuidadosa en la evaluación de sus resultados y muy apreciada por la alta calidad de los datos que publicaba. Sus alumnos (a sus espaldas) la llamaban Generalísima Chiang Kai-shek.