Aquella vez que Stephen Hawking esperaba ver formarse un agujero negro en la Tierra

“Espero que hagas agujeros negros”, dijo Stephen con una amplia sonrisa. Salimos del ascensor de carga que nos había llevado bajo tierra a la caverna de cinco pisos que albergaba el experimento ATLAS en el laboratorio del CERN, la legendaria Organización Europea para la Investigación Nuclear cerca de Ginebra. El director general del CERN, Rolf Heuer, movió los pies con inquietud. Esto fue en 2009, y alguien había presentado una demanda en los Estados Unidos, preocupado de que el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el LHC, recién construido, produjera agujeros negros u otra forma de materia exótica que podría destruir la Tierra.

El LHC es un acelerador de partículas en forma de anillo que se construyó, principalmente, para crear bosones de Higgs, el eslabón perdido, en ese momento, en el modelo estándar de física de partículas. Construido en un túnel debajo de la frontera entre Suiza y Francia, su circunferencia total es de veintisiete kilómetros (casi diecisiete millas), y acelera protones y antiprotones1 que se ejecutan en haces contrarrotativos en sus tubos de vacío circulares al 99,9999991 por ciento de la velocidad de la luz. En tres lugares a lo largo del anillo, los haces de partículas aceleradas se pueden dirigir hacia colisiones altamente energéticas, recreando condiciones comparables a las que reinan en el universo una pequeña fracción de segundo después del big bang caliente, cuando la temperatura era más de un millón de billones. grados

La demanda pronto sería desestimada sobre la base de que “el temor especulativo de un daño futuro no constituye un daño de hecho suficiente para conferir legitimación”. En noviembre de ese año, el LHC se encendió con éxito, después de una explosión en un intento anterior, y los detectores ATLAS y CMS pronto encontraron rastros de bosones de Higgs en los restos de las colisiones de partículas. Pero, hasta ahora, el LHC no ha creado agujeros negros.

Sin embargo, ¿por qué no era del todo irrazonable que Stephen (y también Heuer, creo) esperara que fuera posible producir agujeros negros en el LHC? Por lo general, pensamos en los agujeros negros como los restos colapsados ​​de estrellas masivas. Sin embargo, esta es una visión demasiado limitada, ya que cualquier cosa puede convertirse en un agujero negro si se comprime en un volumen suficientemente pequeño. Incluso un solo par protón-antiprotón acelerado casi a la velocidad de la luz y chocando en un poderoso acelerador de partículas formaría un agujero negro si la colisión concentrara suficiente energía en un volumen lo suficientemente pequeño. Sería un pequeño agujero negro, seguro, con una existencia fugaz, ya que se evaporaría instantáneamente a través de la emisión de radiación de Hawking.

Al mismo tiempo, si la esperanza de Stephen y Heuer de producir agujeros negros se hubiera hecho realidad, habría señalado el final de la búsqueda de décadas de los físicos de partículas para explorar la naturaleza a distancias cada vez más cortas mediante la colisión de partículas con energías cada vez mayores. Los colisionadores de partículas son como microscopios, pero la gravedad parece establecer un límite fundamental para su resolución, porque desencadena la formación de un agujero negro cada vez que aumentamos demasiado la energía tratando de mirar en un volumen cada vez más pequeño. En ese punto, agregar aún más energía produciría un agujero negro más grande en lugar de aumentar aún más el poder de aumento del colisionador. Curiosamente, por lo tanto, la gravedad y los agujeros negros invierten por completo el pensamiento habitual en la física de que las energías más altas sondean distancias más cortas. El punto final de la construcción de aceleradores cada vez más grandes no parece ser un bloque de construcción fundamental más pequeño, el sueño final de todo reduccionista, sino un espacio-tiempo curvo macroscópico emergente. Al convertir distancias cortas en distancias largas, la gravedad se burla de la idea profundamente arraigada de que la arquitectura de la realidad física es un sistema ordenado de escalas anidadas que podemos despegar una por una para llegar a un constituyente fundamental más pequeño. La gravedad, y por lo tanto el propio espacio-tiempo, parece poseer un elemento antirreduccionista, una idea difícil de entender pero importante. Entonces, ¿a qué escala microscópica la física de partículas sin gravedad se transmuta en física de partículas con gravedad? (O dicho de otro modo, ¿Cuánto costaría cumplir el sueño de Stephen de producir agujeros negros?) Esta es una pregunta que tiene que ver con la unificación de todas las fuerzas, el tema de este capítulo. La búsqueda de un marco unificado que abarcara todas las leyes básicas de la naturaleza ya era el sueño de Einstein. Se relaciona directamente con si la cosmología de multiversos realmente tiene el potencial de ofrecer una perspectiva alternativa sobre el diseño que alienta la vida de nuestro universo. Porque solo una comprensión de cómo todas las partículas y fuerzas encajan armoniosamente entre sí puede brindar más información sobre la singularidad, o la falta de ella, de las leyes físicas fundamentales y, por lo tanto, en qué nivel se puede esperar que varíen a través del multiverso. Se relaciona directamente con si la cosmología de multiversos realmente tiene el potencial de ofrecer una perspectiva alternativa sobre el diseño que alienta la vida de nuestro universo. Porque solo una comprensión de cómo todas las partículas y fuerzas encajan armoniosamente entre sí puede brindar más información sobre la singularidad, o la falta de ella, de las leyes físicas fundamentales y, por lo tanto, en qué nivel se puede esperar que varíen a través del multiverso. Se relaciona directamente con si la cosmología de multiversos realmente tiene el potencial de ofrecer una perspectiva alternativa sobre el diseño que alienta la vida de nuestro universo. Porque solo una comprensión de cómo todas las partículas y fuerzas encajan armoniosamente entre sí puede brindar más información sobre la singularidad, o la falta de ella, de las leyes físicas fundamentales y, por lo tanto, en qué nivel se puede esperar que varíen a través del multiverso.

Materia más visible está hecho de átomos que consisten en electrones y un pequeño núcleo, que a su vez es un conglomerado de protones y neutrones. Los núcleos atómicos se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte que actúa sobre los quarks, las partículas constituyentes de los protones y los neutrones. La fuerza fuerte es fuerte, pero tiene un alcance extremadamente corto, cayendo a cero bruscamente más allá de distancias de aproximadamente una diez billonésima de centímetro. La segunda fuerza nuclear, la fuerza débil, actúa tanto sobre los quarks como sobre una segunda clase de partículas de materia que incluye electrones y neutrinos conocidos colectivamente como leptones. La fuerza débil es la responsable de la transmutación de unas partículas nucleares en otras. Por ejemplo, un neutrón aislado es inestable y decaerá después de algunos minutos en un protón y dos leptones en un proceso mediado por la fuerza nuclear débil. La tercera y última fuerza de partículas, la fuerza electromagnética, es la más familiar. A diferencia de las fuerzas nucleares fuerte y débil, el electromagnetismo, como la gravedad, tiene un alcance muy largo. Opera no solo a escala atómica y molecular, uniendo electrones a núcleos atómicos y átomos en moléculas, sino que también actúa a distancias macroscópicas. Así que no sorprende que, junto con la gravedad, el electromagnetismo sea responsable de la mayoría de los fenómenos y aplicaciones cotidianos, desde dispositivos de comunicación y escáneres de resonancia magnética hasta arcoíris y auroras boreales.

Toda la materia visible y las tres fuerzas de partículas que gobiernan sus interacciones se agrupan en un marco teórico estricto: el modelo estándar de física de partículas. Desarrollado en la década de 1960 y principios de la de 1970, el modelo estándar es una teoría cuántica que describe las partículas de materia y las fuerzas en términos de campos, las sustancias ondulantes dispersas en el espacio que hemos encontrado antes. Según el modelo estándar, las partículas de materia como los electrones y los quarks no son más que excitaciones locales de campos extensos. Las excitaciones en forma de partículas de los campos de fuerza que actúan entre las partículas de materia se conocen como partículas de intercambio o bosones. Los fotones, por ejemplo, las partículas de intercambio que median la fuerza electromagnética, son los cuantos de partículas individuales del campo de fuerza electromagnético.

Sus fundamentos teóricos en términos de campos cuánticos moldean profundamente cómo el Modelo Estándar concibe el funcionamiento microscópico del mundo de las partículas. Tomemos la interacción entre dos electrones. Cuando dos electrones se acercan, se desvían y se dispersan porque las cargas eléctricas se repelen. El Modelo Estándar describe este proceso de manera tangible en términos del intercambio de un fotón entre dos electrones. Cuando dos electrones entran en la esfera de influencia del otro, dice, un electrón emite un fotón y el otro lo absorbe. Como parte de este intercambio, ambos electrones experimentan una pequeña patada, lo que los coloca en trayectorias divergentes. Pero eso no es todo. La formulación de la mecánica cuántica de suma sobre historias de Feynman estipula que se deben sumar todas las formas posibles en que uno o más fotones pueden intercambiarse entre los dos electrones para calcular su ángulo de dispersión neto. Esta multiplicidad de historias de intercambio significa que uno no puede precisar exactamente dónde y cuándo ocurrió realmente la interacción, una manifestación del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Ahora, mientras que los fotones no tienen masa, al igual que los gravitones que transmiten la gravedad, los bosones responsables de las fuerzas nucleares débil y fuerte son muy pesados. Esta es la razón por la que las fuerzas nucleares son fuerzas de corto alcance que operan solo en las escalas microscópicas de los núcleos atómicos. En general, cuanto mayor sea la masa de la partícula de intercambio, menor será el rango de la fuerza que transmite. Es la falta de masa de sus cuantos microscópicos lo que hace que el electromagnetismo y la gravedad se extiendan por todo el universo.

Entonces, ¿esto es para el modelo estándar? ¡No exactamente! Hay una última partícula, el bosón de Higgs notoriamente escurridizo, llamado así por el físico teórico británico Peter Higgs, quien postuló su existencia en 1964. El bosón de Higgs es el cuanto similar a una partícula del campo de Higgs, un campo escalar invisible que, al igual que Se cree que el campo de inflación en el universo primitivo impregna todo el espacio, un poco como una variante moderna del éter. El campo de Higgs es la pieza crucial del modelo estándar que da a todas las demás partículas elementales sus masas. Los electrones y los quarks, e incluso las partículas de intercambio, no tienen masa intrínseca en la teoría del modelo estándar, pero adquieren sus masas a partir de la resistencia que experimentan a medida que se mueven a través del campo de Higgs que lo impregna todo. Es como si las partículas estuvieran constantemente atravesando el lodo cuando se mueven, y el arrastre resultante es lo que llamamos masa. La cantidad de masa con la que terminan las partículas depende de qué tan fuerte sientan el campo de Higgs. Los quarks interactúan muy fuertemente con el campo de Higgs y son pesados, mientras que los electrones más ligeros lo hacen mucho más débilmente, y los fotones, que no interactúan con él en absoluto, permanecen sin masa.

La idea de un campo escalar que dotaría de masa a otras partículas fue propuesta por primera vez por el tímido Higgs e, independientemente, por un dúo más extravagante, el estadounidense Robert Brout y el belga François Englert. La excitación del campo similar a una partícula se conoció en Bélgica como el bosón de Brout-Englert-Higgs, y como el bosón de Higgs en otros lugares. Constituye la piedra angular del modelo estándar y finalmente se encontró con el LHC casi cincuenta años después, en 2012, en un descubrimiento que cuenta como un verdadero triunfo de una larga y profunda simbiosis de ciencia impulsada por la curiosidad, ingeniería avanzada y cooperación internacional. . Al igual que el descubrimiento de la energía oscura en la cosmología, el descubrimiento experimental del bosón de Brout-Englert-Higgs muestra una vez más que el espacio vacío no está vacío sino que está lleno de campos invisibles. uno de los cuales es responsable de la masa de la materia que compone casi todo lo que encontramos en la vida diaria. También demuestra que la naturaleza realmente hace uso de los campos escalares como uno de los ingredientes clave que tiene a su disposición para dar forma al mundo físico. Como tal, el descubrimiento del bosón de Brout-Englert-Higgs da crédito a la existencia de un campo similar que podría haber impulsado la inflación en el universo muy primitivo.

Se necesita algo como el LHC para crear bosones de Higgs porque el campo de Higgs interactúa fuertemente no solo con otras partículas sino también consigo mismo, otorgando su propio cuanto de partículas con una gran masa, m. Por E = mc2 de Einstein, esto significa que se requiere una gran cantidad de energía, E, para excitar el omnipresente campo de Higgs lo suficientemente fuerte como para que pellizque, aunque sea brevemente, un único cuanto crepitante. De hecho, el LHC logra crear bosones de Higgs en solo una de cada diez mil millones de colisiones de partículas. Y estos bosones de Higgs disfrutan de un brevísimo atisbo de existencia, decayendo casi instantáneamente en una lluvia de partículas más ligeras. Sin embargo, al escanear cuidadosamente a través de sus productos de descomposición, los físicos de partículas han podido deducir algunas de las propiedades del bosón de Higgs, incluido el hecho de que pesa alrededor de 130 protones juntos. Esto puede sonar pesado, pero la mayoría de los físicos de partículas lo encuentran increíblemente ligero. De hecho, la masa del bosón de Higgs es una cien millonésima parte de lo que muchos físicos considerarían un valor natural. Su valor se volvió aún más desconcertante en 2016 cuando, a pesar de una importante actualización, el LHC no conjuró ninguna de las nuevas partículas elementales que los teóricos habían planteado como hipótesis para hacer que la pequeña masa de Higgs fuera algo más fácil de tragar. Un Higgs liviano es importante, sin embargo, porque si el Higgs fuera mucho más pesado, los protones y los neutrones también serían más pesados, demasiado pesados ​​para formar átomos. La insoportable ligereza del Higgs es otra propiedad más que hace que nuestro universo sea propicio para la vida. pero la mayoría de los físicos de partículas encuentran esto increíblemente ligero. De hecho, la masa del bosón de Higgs es una cien millonésima parte de lo que muchos físicos considerarían un valor natural. Su valor se volvió aún más desconcertante en 2016 cuando, a pesar de una importante actualización, el LHC no conjuró ninguna de las nuevas partículas elementales que los teóricos habían planteado como hipótesis para hacer que la pequeña masa de Higgs fuera algo más fácil de tragar. Un Higgs liviano es importante, sin embargo, porque si el Higgs fuera mucho más pesado, los protones y los neutrones también serían más pesados, demasiado pesados ​​para formar átomos. La insoportable ligereza del Higgs es otra propiedad más que hace que nuestro universo sea propicio para la vida. pero la mayoría de los físicos de partículas encuentran esto increíblemente ligero. De hecho, la masa del bosón de Higgs es una cien millonésima parte de lo que muchos físicos considerarían un valor natural. Su valor se volvió aún más desconcertante en 2016 cuando, a pesar de una importante actualización, el LHC no conjuró ninguna de las nuevas partículas elementales que los teóricos habían planteado como hipótesis para hacer que la pequeña masa de Higgs fuera algo más fácil de tragar. Un Higgs liviano es importante, sin embargo, porque si el Higgs fuera mucho más pesado, los protones y los neutrones también serían más pesados, demasiado pesados ​​para formar átomos. La insoportable ligereza del Higgs es otra propiedad más que hace que nuestro universo sea propicio para la vida. a pesar de una mejora importante, el LHC no conjuró ninguna de las nuevas partículas elementales que los teóricos habían planteado como hipótesis para hacer que la diminuta masa de Higgs fuera algo más fácil de tragar. Un Higgs liviano es importante, sin embargo, porque si el Higgs fuera mucho más pesado, los protones y los neutrones también serían más pesados, demasiado pesados ​​para formar átomos. La insoportable ligereza del Higgs es otra propiedad más que hace que nuestro universo sea propicio para la vida. a pesar de una mejora importante, el LHC no conjuró ninguna de las nuevas partículas elementales que los teóricos habían planteado como hipótesis para hacer que la diminuta masa de Higgs fuera algo más fácil de tragar. Un Higgs liviano es importante, sin embargo, porque si el Higgs fuera mucho más pesado, los protones y los neutrones también serían más pesados, demasiado pesados ​​para formar átomos. La insoportable ligereza del Higgs es otra propiedad más que hace que nuestro universo sea propicio para la vida.

Ahora bien, el modelo estándar no predice del todo los valores de las masas de las especies de partículas, incluida la del bosón de Higgs. Esto se debe a que la teoría por sí sola no determina la fuerza con la que cada tipo de partícula interactúa con el campo de Higgs. En total, el modelo contiene una veintena de parámetros, números clave como la masa de las partículas y la intensidad de la fuerza, cuyos valores, a menudo sorprendentes, no están predeterminados por la teoría, sino que deben medirse experimentalmente e insertarse en las fórmulas a mano. Los físicos generalmente se refieren a estos parámetros como constantes de la naturaleza, porque parecen no cambiar en gran parte del universo observable. Con estas constantes en su lugar, la teoría ofrece una descripción extraordinariamente exitosa de todo lo que sabemos sobre cómo se comporta la materia visible. De hecho, a estas alturas, el modelo estándar es, con mucho, la teoría física mejor comprobada de la historia. ¡Algunas de sus predicciones han sido verificadas con una precisión de no menos de catorce decimales!

Sin embargo, podría preguntarse si no existe un principio más profundo, aún por descubrir, que determine los valores de los parámetros en los que se basan los inmensos éxitos del modelo estándar. La masa de Higgs puede parecernos anormalmente pequeña, según lo que sabemos, pero ¿su valor quizás esté implícito en verdades matemáticas superiores? O tal vez las constantes no son realmente los mismos números constantes en todo el universo. Quizás evolucionan muy lentamente, como parte de la evolución cosmológica. ¿O tal vez cambian de una región cósmica a otra, dando lugar a universos insulares con modelos no estándar de física de partículas?

Extraído de SOBRE EL ORIGEN DEL TIEMPO . Copyright © 2023 por Thomas Hertog. Publicado por Bantam, un sello de Penguin Random House.