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Sean Carroll: La ciencia de Interstellar

Sean Carroll, autor de La partícula al final del universo. Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo, es cosmólogo en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), donde también trabaja Kip Thorne, asesor científico de Interstellar, la película de Christopher Nolan que ha puesto los agujeros negros y agujeros de gusano en boca del gran público. En el texto que sigue (extraído de sendas entrevistas para Sloan Science & Film y Yahoo! Movies), Carroll ofrece su opinión sobre la ciencia y otros aspectos del film de Nolan.

[AVISO: ESTA ENTRADA CONTIENE SPOILERS]

Pregunta (Sloan Science and Film): Empecemos por la premisa básica de la película. Los protagonistas parten en busca de otro planeta donde la humanidad pueda sobrevivir. ¿Hasta qué punto es esto posible?

Respuesta (Sean Carroll): No cabe duda de que hay muchísimos planetas en el universo. Vivimos en una galaxia con más de 100.000 millones de estrellas, y tenemos motivos para suponer que muchas de estas estrellas tienen planetas. Además, los datos de los telescopios parecen indicar que una gran proporción de dichas estrellas tienen planetas a su alrededor, de varias formas, tamaños y condiciones. Por lo tanto, es muy probable que algunos de estos planetas posean condiciones similares a las de la Tierra. Pero no podemos saber a ciencia cierta cuántos de ellos podrían ser susceptibles de albergar vida. Es todo muy especulativo. La posibilidad existe, pero no hay manera de saberlo.

P: Los personajes utilizan un agujero de gusano para viajar a través del espacio. ¿Nos puede dar una definición básica de qué es un agujero de gusano?

R: La mejor manera de entender un agujero de gusano es como un atajo a través del espacio-tiempo. La gran aportación de Einstein en la relatividad general consistió en decir que el espacio y el tiempo son curvos, que poseen una dinámica propia, y que se pueden curvar y estirar, cosa que experimentamos en forma de la gravedad. Normalmente, si estamos en el Sistema Solar, bajo la influencia de la atracción de la Tierra o del Sol, dicha atracción es moderada, pero una vez que damos rienda suelta a nuestra imaginación, podemos suponer que existe un tubo que conecta dos regiones distantes del espacio-tiempo. Sin duda, el espacio-tiempo podría curvarse de esta manera. Lo asombroso es que la distancia entre dos lugares muy remotos en el universo podría ser corta a través de un agujero negro.

Stephen Hawking con Kip Thorne y los actores de Interstellar. Fuente: Stephen Hawking en Facebook.
Stephen Hawking con Kip Thorne y los actores de Interstellar. Fuente: Stephen Hawking en Facebook.

«Hace unos años, discutí con mi amigo Kip Thorne sobre las ideas que Lynda Obst y él tenían para filmar una película de ciencia ficción sobre agujeros de gusano. Dichas ideas acabaron formando parte de la película Interstellar, de Christopher Nolan. Kip y yo asistimos a su estreno en el Reino Unido. Kip también aparece en el film sobre mi vida, La teoría del todo, que se estrenará próximamente.» Stephen Hawking

P: Pero esto es algo teórico, ¿no? No se ha demostrado la existencia de los agujeros de gusano.

R: No. De hecho, probablemente no existan. Lo que tenemos es una buena teoría. La teoría de la relatividad general de Einstein nos da una cierta idea de lo que debería cumplirse para que hubiese agujeros de gusano. Pero hay un par de problemas: Si quisiésemos tener un agujero de gusano, y quisiésemos mantenerlo abierto, necesitaríamos una cantidad negativa de energía. En grandes cantidades, la energía normalmente es positiva. Puede haber pequeñas fluctuaciones cuánticas que hagan que sea fugazmente negativa pero, en general, las energías son positivas.

Podemos imaginar un agujero de gusano de tamaño microscópico, que sería algo extraordinariamente fascinante, pero si lo que queremos es un agujero grande, por el que pueda pasar una nave espacial, es de suponer que se necesitaría una cantidad astronómica de energía para crearlo y mantenerlo abierto. Además, para empezar, ni siquiera sabemos cómo crear un agujero de gusano. Si tratásemos de hacerlo, probablemente colapsaría para dar lugar a un agujero negro, que no nos sería nada útil. No lo sabemos con certeza, pero lo más probable es que los agujeros de gusano no existan en la naturaleza.

P: ¿Qué le sucede al tiempo en el otro extremo de un agujero de gusano?

R: Imaginemos un agujero de gusano lo suficientemente grande y uniforme: sería un lugar donde el espacio tiempo es curvo, y el espacio-tiempo curvo equivale a la gravedad, y la gravedad puede aplastarnos hasta matarnos, o estirarnos hasta despedazarnos. Si el agujero de gusano es pequeño, es poco factible viajar a través de él, por lo que se necesita un agujero muy grande.

Aquí es donde la cosa se pone interesante. En relatividad, la idea de que el tiempo es el mismo para todo el mundo deja de ser válida. Cuando dos lugares del universo están separados por una gran distancia, la relatividad nos dice que debemos renunciar a la idea de la simultaneidad (que algo sucede al mismo tiempo aquí y allá). Si tenemos un agujero de gusano que conecta estos dos lugares, no hay manera de responder a la pregunta de si saldríamos en ese mismo instante. Depende de cómo dividamos el espacio-tiempo. Lo que Kip Thorne ayudó a desarrollar es la idea de que, si pudiésemos manipular los agujeros de gusano de una manera suficientemente drástica, podríamos de hecho viajar hacia atrás en el tiempo. Como el espacio y el tiempo están unidos en un espacio-tiempo tetradimensional, igual que tomamos un atajo de un punto del espacio a otro, con una pequeña variación podríamos tomar un atajo desde un instante a otro.

P: La otra sorpresa de la película es un agujero negro. La existencia de agujeros negros es algo más demostrable que la de los agujeros de gusano, ¿no es cierto?

R: Sí, es casi seguro que los agujeros negros existen. Disponemos de evidencias fiables en el mundo real. Tenemos datos astrofísicos que afirman que hay agujeros negros ahí fuera. Es posible que el centro de nuestra galaxia haya un agujero negro cuya masa es un millón de veces mayor que la del Sol. Pero si caemos en uno de ellos, moriremos. No son muy buenos para viajar.

P: ¿Qué es exactamente un agujero negro?

R: Un agujero negro es un lugar del universo donde el campo gravitatorio es tan extremo que, una vez que entramos en él, nunca más podremos salir de él. Nos veremos atraídos hacia un punto de densidad infinita —una singularidad— donde acabaremos aplastados.

P: ¿Qué experimentaríamos dentro de un agujero negro?

R: Depende de lo grande que sea. Cuanto más pequeño, más intensos son sus efectos, porque se llega antes a la singularidad. Si se trata de un agujero negro muy grande, puede que, en un principio, ni siquiera nos diésemos cuenta de que estamos dentro de él. Transcurirría mucho tiempo antes de alcanzar la singularidad. El proceso que experimentaríamos se conoce como «espaguetización». Si cayésemos con la cabeza por delante, la atracción gavitoria sobre ella sería más intensa que sobre nuestros pies, porque la cabeza está más cerca, de manera que la cabeza se iría separando de los pies y nos convertiríamos en un espagueti fino y alargado antes de acabar despedazados.

[…]

P: Aparentemente, el mundo de la mecánica cuántica le proporciona a la ciencia ficción perspectivas completamente nuevas de las cosas. Las reglas dejan de ser válidas y tenemos más posibilidades (como, por ejemplo, que las partículas al mismo tiempo existan y no existan).

R: Sí, pero los cineastas deben ser especialmente cuidadosos con esto. La mecánica cuántica es extraña y contraria al sentido común, y pueden suceder cosas disparatadas, pero en ella existen tantas reglas como en otros campos de la ciencia. Esa extrañeza parece una licencia para pasárselo bien, pero hay que reflexionar detenidamente sobre cuáles pueden ser las consecuencias.

Creo que muchos cineastas desaprovechan una oportunidad al no pensar como científicos. Tanto si una película cumple o no las reglas de la física, sí debe cumplir algún conjunto de reglas. Si no lo hace, no tendrá ningún interés.

Pregunta (Yahoo! Movies): ¿En qué medida la película se basa en ciencia válida y sólida, y hasta qué punto va más allá de la ciencia actual?

Respuesta (Sean Carroll): La idea de la dilatación temporal y de que el hecho de visitar las proximidades del agujero negro nos trasladaría de cierta manera al futuro, así como la apariencia del agujero negro y del agujero de gusano, es todo buena ciencia, muy respetable. El agujero de gusano en sí, la idea de que exista uno que conecta nuestra galaxia con otra, es más especulativo. Es plausible, es algo que las sólidas evidencias de que disponemos actualmente no permiten descatar.

Luego está la parte del final, donde entran de hecho en un agujero negro y utilizan un teseracto para visitar e influir sobre el pasado, y después de alguna manera vuelven a salir del agujero negro. Eso, en mi opinión, va mucho más allá de lo que podríamos considerar actualmente ciencia plausible. Pero las cosas que no sabemos con certeza son suficientes como para que siempre podamos decir «bueno, quién sabe…»

P: ¿Hay alguna teoría científica que podría hacer posible todo lo que sucede al final?

R: Creo que es básicamente magia. Pero algunas de las frases que dicen los personajes, si las entendí bien, se supone que indican que no era un fenómeno que ocurriese de manera natural, sino que lo había montado una especie mucho más avanzada que vive en un espacio-tiempo de más dimensiones y ha aprendido mucho sobre cómo manipular las leyes de la naturaleza.

Recordemos que en la película hay una breve discusión sobre cómo alguien podría realmente vivir en más dimensiones, y cómo verían el tiempo como un lugar que podrían visitar, al que podrían ir y volver. Imagino que se supone que debemos pensar que eso es lo que sucedió. No es simplemente que Matthew McConaughey cayese en un agujero negro, sino que una especie que sabe mucho más que nosotros nos está manipulando, y son capaces de hacer cosas que nosotros no sabemos cómo conseguir.

P: ¿La librería tenía algo de científico?

R: Creo que eso es completamente especulativo. Claramente, para que McConaughey pueda ver algo en absoluto, el único lugar del que puede proceder la librería y el teseracto es su propia imaginación, y eso no es algo que veríamos si usted o yo cayésemos en un agujero negro. Creo que debe ser algo construido artificialmente. Creo que el mayor acto de fe que la película nos exige es aceptar no solo que hay algunas leyes físicas que no comprendemos, lo cual es sin duda cierto, sino que existe una especie hiperavanzada distinta de la humana que ha aprendido a manipularlas y que aquí le echan una mano a nuestro héroe.

P: Entonces, está en el agujero negro, enviándole un mensaje a su hija mediante código Morse. Después, desaparece y lo vuelven a encontrar. ¿Cómo podría uno salir de un agujero negro, aunque sea de forma especulativa?

R: Creo que tengo una cierta idea, pero es algo que en la película no se desarrolla. Nos falta alguna información adicional. Recordemos que en varias ocasiones se hace referencia a las dimensiones adicionales y al «bulk». Esto tiene aquí una papel fundamental, del que nunca se llega a hablar explícitamente. La idea es que en nuestro mundo hay tres dimensiones espaciales y una temporal, cuatro en total, y quizá nuestro mundo sea como el extremo de un algún otro mundo que posee una dimensión adicional.

Así pues, podría existir un mundo con cuatro dimensiones espaciales y una temporal, y que nosotros nos encontremos en su borde. Y este universo pentadimensional es lo que los físicos llaman «espacio-tiempo bulk». Y si eso es cierto —que podría serlo o no—, entonces no solo hay agujeros de gusano, sino que existe otro tipo de atajo fuera de nuestro espacio-tiempo ordinario. Creo que la idea es especulativa, pero no absolutamente imposible. Si estamos limitados a nuestro espacio-tiempo de cuatro dimensiones, no podemos salir de un agujero negro, de su horizonte de sucesos. Pero, si tuviésemos esa capacidad, quizá sí podríamos escapar pasando a la dimensión adicional y volviendo aquí de nuevo.

Pero yo creo que a nuestro héroe, Cooper, básicamente lo rescataron después que un ser que vive en más dimensiones le proporcionase de alguna manera la capacidad de influir sobre el pasado a través del teseracto. Creo que esos seres lo rescataron sacándolo de nuestro universo tetradimensional ordinario hacia una quinta dimensión, y que luego de alguna manera lo devolvieron a nuestro mundo.

P: Anne Hathaway afirma en un momento dado que el amor es algo científico. ¿Qué le pareció eso como científico?

No me gustó. Ningún científico diría eso en la vida real. No es falso, pero no es lo que diría un científico, porque los científicos tienen mucho cuidado con el significado de las palabras que utilizan. Si uno quiere decir que el amor es una fuerza, puede ser cierto si se utiliza determinada definición de «fuerza», pero no sería la definición que utilizaría un físico. Sería una licencia poética que se permitirían los científicos.

Fuentes:

‘Interstellar’: A Physicist Explains That Crazy Ending | Yahoo! Movies

Black Holes, Wormholes and Christopher Nolan’s Interstellar | Sloan Science & Film

Más de Sean Carroll:

The Science of Interstellar | Preposterous Universe (el blog de Sean Carroll)

La partícula al final del universo, de Sean Carroll | Biblioteca de Por amor a la ciencia

Sean Carroll explica la importancia del modelo de la inflación cósmica | Por amor a la ciencia

Sean Carroll: Las diez cosas más asombrosas del bosón de Higgs | Por amor a la ciencia

Otras lecturas sobre Interstellar:

Neil deGrasse Tyson Feparates Fact From Fiction in Interstellar | NPR

The Metaphysics of Interstellar. A Conversation With Christopher Nolan and Kip Thorne | Wired

Beyond. A Story in Five Dimensions (Directed by Christopher Nolan) | Wired

Sean Carroll explica la importancia del modelo de la inflación cósmica

Sean Carroll, cosmólogo en Caltech y autor de «La partícula al final del universo», explica en esta entrevista la importancia y consecuencias del descubrimiento anunciado hace unos días por el experimento BICEP 2 en el Polo Sur, que parece confirmar la teoría de la inflación cósmica propuesta hace más de treinta años por Alan Guth (con quien Carroll colabora actualmente en la redacción de un artículo científico sobre el origen de la flecha del tiempo, y por qué el pasado es distinto del futuro):

Transcripción

Presentadora: Es algo alucinante. Nuestro cosmos se expandió prácticamente desde la nada en su primera fase de crecimiento súbito tan solo una billonésima de billonésima de billonésima de segundo después del Big Bang. Los científicos dicen que han confirmado esa teoría utilizando este telescopio en el Polo Sur para observar la luz más antigua que se ha podido detectar. Esa luz muestra patrones y distorsiones en las ondas, que aparecen aquí en rojo y azul, provocadas por ondulaciones gravitatorias durante la expansión conocida como inflación cósmica.

Sean Carroll es físico, cosmólogo y escritor en el California Institute of Technology, y está con nosotros para explicarnos todo esto, que buena falta nos hace… Puede empezar por explicar la inflación cósmica (¡menuda expresión!)

Sean Carroll: Sí que lo es. La expresión «inflación cósmica» se acuñó alrededor de 1980, cuando la inflación económica habitual estaba muy presente en las noticias. Fue Alan Guth, por aquel entonces un joven físico, a quien se le ocurrió que había que explicar varias características muy básicas del universo. Por ejemplo, por qué tiene un aspecto similar, homogéneo, en todas las direcciones. Así, si en los primerísimos instantes el universo experimentó una expansión súper acelerada (como si tirásemos de los extremos de una sábana), esa expansión podría hacer que el universo presentase ese aspecto homogéneo.

P.: ¿Cómo se puede comparar esto con la energía oscura, descubierta en 1998? ¿En qué se parecen?

S.C.: Son casos muy similares. En ambos, sabíamos que existía esta posibilidad. En ambos casos, nos sorprendió un poco que las cosas fueran como son. La energía oscura supuso un cambio radical en nuestra manera de entender el aspecto actual del universo, su composición, etc. Y ahora estamos tratando de entender los primerísimos momentos. Hasta ayer, el primer momento en la historia del universo sobre el que disponíamos de datos era un segundo después del Big Bang. Y ahora, como usted dice, es una billonésima de billonésima de billonésima tras el Big Bang.

P.: Cuando pensamos en el universo, pensamos en algo en expansión, infinito, casi imposible de medir. Lo que usted dice es que lo que conocemos del universo es solo un ínfima porción de todo eso, de lo que realmente es…

S.C.: Desde luego, solo vemos una parte finita del universo. Pero aun así es muy grande: en ella hay cientos de miles de millones de galaxias. Y lo asombroso del modelo del Big Bang es que, en un pasado remoto, hace 14.000 millones de años, todo esto estaba comprimido en un distancia increíblemente diminuta. Lo que los físicos han hecho es partir de las leyes de la física tal y como las conocemos, extrapolarlas mucho más allá de cualquier cosa que hubiésemos visto antes, y hacer una predicción. Y resulta que la predicción es correcta. Así que ahora tenemos mucho más claro que hace un par de días que vamos por el buen camino para entender lo que sucedió justo después del Big Bang.

P.: Esas predicciones siempre habían sido teorías. ¿Cómo se demuestra una teoría para que deje de serlo?. ¿Es eso lo que hemos hecho? ¿Se ha demostrado?

S.C.: En cierto sentido, la ciencia nunca demuestra nada, sino que acumula evidencias, y llega a conclusiones cuando la cantidad de evidencias en favor de determinado modelo frente a otro es abrumadora. En el caso de la inflación, tenemos una teoría muy bien definida de lo que podría haber sucedido justo después del Big Bang. Hay otras teorías que compiten con ella, pero ninguna está tan bien definida como la de la inflación, que además, a diferencia de las teorías competidoras, hace una predicción muy específica. Así que, ahora mismo, la teoría de la inflación está muy encima de cualquier otra a la hora de entender los primeros instantes del universo. Lo cual no significa que mañana no podría aparecer un científico joven y brillante con un modelo aún mejor.

P.: ¿Por qué se llevó a cabo el experimento en el Polo Sur? ¿Qué hace de este un buen lugar para la exploración del espacio?

S.C.: El Polo Sur es un poco distinto de como nos lo imaginamos. Desde luego, hace mucho frío, pero no nieva. Y el aire está muy muy seco, y a una gran altitud. Hay nieve sobre el suelo, que se desplaza de un sitio a otro. Pero cuando miramos hacia el espacio desde allí el universo se ve con mucha claridad. Así que, aunque es muy difícil llegar hasta el Polo, y aunque una vez que estás allí, si es invierno, no podrás salir hasta que llegue la primavera, es un sitio estupendo para hacer observaciones astronómicas.

P.: Muchos pensamos que todo esto es emocionante pero, ¿cuáles son las consecuencias prácticas para la mayoría de la gente de estos descubrimientos de los que nos hacemos tanto eco?

S.C.: Las consecuencias, en un sentido convencional, son exactamente cero. Comprender el origen del universo no curará ninguna enfermedad, ni permitirá fabricar mejores teléfonos, ni nada parecido. Lo que sí nos permitirá, como especie, es comprender cuál es nuestro lugar en el cosmos, así que, personalmente, creo que debería afectar a nuestras vidas. Nos ayuda a apreciar lo que es el universo, cómo se comporta, y eso tiene que afectar a nuestras ideas sobre nosotros mismos.

P.: Entonces, afecta a cómo vemos el mundo, y nuestro lugar en él, y en el universo en general.

S.C.: Sí. Lo que nos separa de la mera existencia, de sobrevivir día a día, es que somos curiosos. Somos criaturas que queremos entender, como dijo Carl Sagan (cuyo «Cosmos» ha vuelto a la televisión con Neil deGrasse Tyson): «Somos la manera que tiene el universo de pensar sobre sí mismo». Somos un conjunto de átomos y partículas, como el resto del universo, pero tenemos la capacidad de ideas teorías, recopilar datos y entender el contexto, este maravilloso universo en el que vivimos.

P.: Suena casi teológico…

S.C.: Creo que el impulso que lleva a la gente hacia la teología y hacia la ciencia es muy similar: queremos entender el conjunto de todas las cosas. Creo que la ciencia es distinta de la teología en muchos sentidos, uno de los cuales es que exige que se hagan predicciones, y si estas no se confirman las teorías se descartan. Lo fantástico ahora es que esta extrapolación, de Alan Guth y sus colaboradores, hace más de 30 años, de alguna milagrosa manera parece que nos da la respuesta correcta, lo que demuestra una vez más nuestra capacidad para comprender el cosmos.

P.: Pero aún es necesario corroborarla…

S.C.: Por supuesto. Este es el resultado de un solo telescopio, el experimento BICEP 2, y son muy buenos (conozco a muchos de los científicos que participan en él) y súper cuidadosos, y se esfuerzan al máximo, pero no nos lo creeremos completamente hasta que alguien más lo observe también. La buena noticia es que hay media docena de experimentos que tratarán de comprobarlo, por lo que en uno o dos años sabremos con total certeza si el resultado es real o no.

P.: Sean Carroll, de Caltech, autor de «La partícula al final del universo», muchísimas gracias.

S.C.: Ha sido un placer. Gracias.

Más Sean Carroll:

Sean Carroll: Las diez cosas más asombrosas del bosón de Higgs | Por amor a la ciencia

A Great Time for Reason and Science | Preposterous Universe (el blog de Sean Carroll, 19 de marzo de 2014)

«La partícula al final del universo», de Sean Carroll (Debate, 2013)

El autor responde: Sean Carroll

Sean Carroll, autor de La partícula al final del universo: Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo (Debate), es físico teórico en el California Institute of Technology (Caltech), donde dio clase el gran Richard Feynman. (Curiosamente, aunque Carroll no ocupa el despacho de Feynman, sí utiliza su escritorio.)

Sean Carroll en su despacho en Caltech, posa orgulloso junto al escritorio que en su día utilizó Richard Feynman. Fuente: http://www.preposterousuniverse.com/blog/2006/09/24/who-got-feynmans-office/

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Sean Carroll: Las diez cosas más asombrosas del bosón de Higgs

[Tras una emocionante espera (el anuncio se ha retrasado más de una hora, al parecer porque Higgs no cogía el teléfono; han tenido que enviarle un email), el comité del Nobel, como cabía esperar, ha acordado otorgar el premio Nobel de Física 2013 al descubrimiento del bosón de Higgs. En particular, el premio ha recaído en el belga François Englert y el británico Peter Higgs, «por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas».

Sean Carroll, autor de La partícula al final del universo (Debate), estuvo presente en el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, en el CERN, el 4 de julio del pasado 2012, y nos ofrece aquí una lista de «asombrosos datos sobre el bosón de Higgs que podéis usar para impresionar a los amigos y a futuribles conquistas románticas».]

1. No es la «partícula de Dios». Sí, la gente la llama partícula de Dios, porque ese es el nombre que le puso Leon Lederman en un libro del mismo título. Toda una genialidad de marketing, pero totalmente incorrecto. (¿No son todas ellas pequeñas partículas de Dios?) Como Lederman y su coautor Dick Teresi explican en el primer capítulo de su libro, «el editor no nos dejó llamarla partícula maldita [Goddam Particle, en inglés], que habría sido lo más apropiado, teniendo en cuenta su pérfida naturaleza y el dinero que se ha gastado en buscarla.»

2. Los premios Nobel están al caer, pero no sabemos para quién. [Ahora ya sí lo sabemos: Englert y Higgs] La idea del bosón de Higgs surgió en una serie de artículos científicos entre 1963 y 1964. Uno escrito por Philip Anderson, otro por François Englert y Robert Brout (ya fallecido), dos de Peter Higgs y uno más escrito por Gerald Guralnik, Richard Hagen y Tom Kibble. Tradicionalmente, cada año, el Nobel en Física se otorga a un máximo de tres personas, por lo que la decisión va a ser difícil. El descubrimiento experimental sin duda también merece el Nobel, pero en él han participado alrededor de 7.000 personas distribuidas en dos grandes experimentos, así que eso es aún más difícil. Podría recibir el Nobel alguien involucrado en la propia construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider). O alguien podría convencer al comité del Nobel para que abandonase por anticuada la regla de las tres personas, y ese alguien podría recibir a su vez el Nobel de la Paz.

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El 4 de julio de 2012, físicos en Ginebra (Suiza) hicieron pública una declaración importantísima. Descubrieron el llamado bosón de Higgs. Una partícula, una pieza fundamental de la naturaleza que llevábamos buscando más de 40 años. En todos los rincones del mundo, cientos de millones de personas siguieron el anuncio, y se preguntaron: ¿Qué es eso del bosón de Higgs?Es una gran pregunta. Leon Lederman, físico ganador del premio Nobel, le puso el nombre de «partícula de Dios», y desde entonces, durante años, los físicos han estado enfadados con él, porque el bosón de Higgs no tiene absolutamente nada que ver con Dios. Pero es muy, pero que muy importante. Tanto que el mundo ha invertido más de 9.000 millones de dólares en la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la máquina más compleja jamás construida, para buscar el Higgs y otras partículas similares. Es un anillo de 27 kilómetros de circunferencia, a casi 100 metros de profundidad, situado bajo la frontera entre Francia y Suiza.

Si uno pasea por los alrededores, lo único que ve son montañas, campos y vacas, pero bajo nuestros pies se encuentra esta máquina, que acelera protones hasta casi la velocidad de la luz y hace que choquen entre sí para crear nuevas partículas. Hemos encontrado una: el bosón de Higgs.

Soy Sean Carroll, físico en CalTech, y estuve en Ginebra el 4 de julio de 2012, para el anuncio del descubrimiento del Higgs. Vi cómo jóvenes físicos pasaban la noche al raso, esperando conseguir buenos sitios en la sala de conferencias. Escuché la ovación cerrada que tuvo lugar cuando se anunció el descubrimiento.

[Joe Incandela:] «… cinco desviaciones estándar».

Vi cómo la gente se emocionaba, incluso soltaba alguna lagrimita, ante un descubrimiento que ha tardado décadas en llegar. En cierto sentido, el Higgs supone el final de una era. En mi nuevo libro, «The Particle At The End Of The Universe», intento explicar por qué es tan importante. Por qué personas muy inteligentes y entregadas dedican tantos esfuerzos a encontrar esta partícula. Lo que significa es la culminación del Modelo Estándar de la física de partículas, la teoría que explica los átomos de los que estamos compuestos tú, yo y todo lo que vemos en nuestro día a día.

Pero entender esa parte no nos da respuesta para todas las preguntas que tenemos. Seguimos queriendo saber: ¿Por qué hay más materia que antimateria en el universo? ¿Qué son la materia oscura y la energía oscura que forman una parte tan importante de todo lo que hay en el universo? ¿Cuál es el origen del universo en sí? Confiamos en que el bosón de Higgs sea una nueva herramienta con la que responder a esas cuestiones.

Una era termina y otra nueva comienza. Es como si nos hubiésemos pasado la vida entera investigando física en una habitación, y el Higgs fuese la puerta a la habitación de al lado. Será muy interesante ver qué hay en su interior.

3. Es probable que hayamos descubierto el Higgs, pero aún no estamos completamente seguros. Hemos descubierto algo, una nueva partícula, de eso no cabe duda. Pero como con cualquier nuevo descubrimiento, necesitamos tiempo (y, en este caso, más datos) para estar absolutamente seguros de que entendemos lo que hemos descubierto. Una importante tarea durante los próximos años será la de determinar las propiedades de la nueva partícula, y comprobar si realmente se trata del Higgs que se predijo hace casi cinco décadas. Mejor si no lo es, desde luego: eso significaría que hay física nueva y excitante que aprender. Hasta ahora, parece que se trata del bosón de Higgs, por lo que es correcto hablar como si fuese eso lo que hemos descubierto, al menos hasta que aparezca alguna evidencia en sentido contrario.

4. El Gran Colisionador de Hadrones es absolutamente impresionante. El LHC, el aparato situado en Ginebra (Suiza) que descubrió el Higgs es la máquina más compleja que jamás se haya construido. Es un anillo de imanes y detectores experimentales, enterrado a 100 metros bajo el suelo y de 27 kilómetros de circunferencia. Toma protones, unos 100 billones cada vez, los acelera a un 99,999999% de la velocidad de la luz y hace que choquen entre sí más de 100 millones de veces por segundo. En la tubería que recorre el haz de protones se ha hecho el vacío, de manera que su densidad es menor de la que experimentaríamos en la Luna, y los imanes superconductores que la rodean se mantienen a una temperatura menor que la del espacio intergaláctico. La energía cinética total de los protones que dan vueltas al anillo es comparable a la de un tren de mercancías a toda velocidad. Por destacar una de entre tantas cifras asombrosas: si colocásemos en línea todo el cable eléctrico que se emplea en el LHC mediría unos 275.000 kilómetros, suficientes para darle casi siete vueltas completas a la Tierra.

5. El LHC nunca destruirá el mundo. ¿Recordáis a los agoreros? La gente temía que el LHC crease un agujero negro que se tragaría la Tierra, y que todos moriríamos. (Nunca quedó claro por qué los físicos que construyeron la máquina estarían tan dispuestos a sacrificar sus propias vidas.) Era un tontería, sobre todo porque dentro del LHC no sucede nada que no se tenga lugar continuamente en el espacio. El 19 de septiembre de 2008 el LHC sufrió un contratiempo importante cuando un imán prácticamente explotó, aunque nadie resultó herido. A día de hoy, la lista de bajas del LHC está formada en su mayoría por las teorías más populares de la nueva física, cuya posible validez es puesta en entredicho cada vez que se obtienen nuevos datos.

6. En realidad, el bosón de Higgs no es tan importante. El bosón no es más que una partícula. Lo importante es algo llamado «mecanismo de Higgs». Lo que despierta el entusiasmo de la gente es el campo de Higgs, del que surge la partícula. La física moderna —en particular, la teoría cuántica de campos— afirma que todas las partículas son simplemente vibraciones de algún campo. El fotón es una vibración del campo electromagnético, el electrón es una vibración del campo de electrones, etcétera. (Esa es la razón por la que todos los electrones poseen la misma masa y carga: son vibraciones del mismo campo fundamental que se extiende por todo el universo.) Es el campo de Higgs, presente en el espacio vacío, el que hace que el universo sea interesante. Encontrar el bosón es emocionante porque significa que el campo existe realmente. Por eso es tan difícil explicar la importancia del Higgs en pocas palabras: ¡primero hay que explicar la teoría de campos!

7. El mecanismo de Higgs hace que el universo sea interesante. Si no fuese por el campo de Higgs (o alguna otra cosa que cumpliese su misma función), todas las partículas elementales de la naturaleza, como los electrones y los quarks, carecerían de masa. Las leyes de la física nos dicen que el tamaño de un átomo depende de la masa de los electrones que están ligados a él: cuanto más ligeron fuesen éstos, más grande sería el átomo. Si los electrones no tuviesen masa, los átomos tendrían el tamaño del universo entero. O, lo que es lo mismo, no habría átomos. De manera que, sin el Higgs, no habría átomos, ni química, ni vida tal y como la conocemos. Lo cual no es poca cosa.

8. Nuestra masa no se debe al Higgs. El el punto anterior hicimos la precisión de atribuir la masa de las partículas «elementales» al mecanismo de Higgs. Pero la mayor parte de la masa de nuestro cuerpo procede de los protones y neutrones, que no son en absoluto partículas elementales. Son conjuntos de quarks que los gluones mantienen unidos. La mayor parte de su masa se debe a las energías de interacción de esos quarks y gluones, y básicamente no sufriría ninguna alteración si el Higgs no existiese. Así que, sin el Higgs, seguiríamos teniendo protones y neutrones con masa, aunque sus propiedades serían muy distintas.

9. No habrá mochilas a propulsión. Hay gente que cree que, como el Higgs tiene algo que ver con la «masa», de alguna manera está relacionado con la gravedad, y que si aprendemos a controlarlo seremos capaces de «apagar» y «encender» la gravedad. Por desgracia, eso no es cierto. Como hemos dicho antes, la mayor parte de nuestra masa no se debe al campo de Higgs. Pero es que, además, no hay ninguna perspectiva realista de «controlar el campo de Higgs». Pensémoslo así: modificar el valor del campo en cualquier región del espacio cuesta energía, y la energía equivale a masa (a través de la famosa ecuación de Einstein E = mc2). Si tomásemos una región del espacio del tamaño de una pelota de golf y «apagásemos» el campo de Higgs en su interior, acabaríamos con una cantidad de masa mayor que la de la Tierra, y habríamos creado un agujero negro. No es algo factible. No nos hemos dedicado a buscar el Higgs porque pensásemos que tendría aplicaciones tecnológicas en el futuro, sino porque queremos entender cómo funciona el mundo.

10. Ahora viene lo difícil. El descubrimiento del Higgs completa el Modelo Estándar; comprendemos completamente las leyes de la física que rigen nuestro día a día. Esto es algo impresionante: es un proyecto en el que la especie humana lleva trabajando al menos 2.500 años, desde que Demócrito, en la antigua Grecia, propuso por primera vez la existencia de átomos. Aún hay mucha física que no entendemos, desde la materia oscura al origen del universo, por no hablar de problemas complicados como la turbulencia, la neurociencia o la política. De hecho, esperamos que el estudio del Higgs nos dé nuevas pistas sobre la matería oscura y otros enigmas. Pero ahora comprendemos cuáles son los elementos básicos que constituyen el mundo que tenemos a nuestro alrededor. Es un triunfo del ser humano: en el futuro, la historia de la física se dividirá en la era pre-Higgs y la era post-Higgs.

¡Bridemos por esa nueva era!

Texto original: Top Ten Amazing Facs About the Higgs Boson, en Preposterous Universe, el blog de Sean Carroll (13 de noviembre de 2012)

La partícula al final del universo: Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo, de Sean Carroll (Editorial Debate)

Sean Carroll, científico a domicilio

Avram Miller es un empresario de éxito, conocido principalmente por su paso por Intel, el mayor fabricante de circuitos integrados del mundo, donde contribuyó a la creación de su filial de capital riesgo.

Según cuenta en su blog, Two Thirds Done: thoughts of a 68 year old boy [algo así como: Dos tercios del camino recorridos: reflexiones de un chaval de 68 años], es también un buen aficionado a la ciencia:

«La física me ha interesado desde que era niño. De pequeño, era bastante enfermizo, así que pasaba bastante tiempo en cama, que aprovechaba para escuchar programas de radio sobre ciencia. Por aquel entonces Albert Einstein aún vivía. Me costó aprender a hacerme atarme los zapatos, y mi madre me decía: «No te preocupes, Einstein tampoco sabe atárselos». Probablemente no era verdad, pero hizo que me identificase de por vida con el gran sabio.»

Hace unos días, Miller tuvo una «cita con un físico»:

«A lo largo de mi vida, he leído muchos libros sobre mecánica cuántica y cosmología. Libros escritos para legos como yo, porque carezco de los conocimientos matemáticos necesarios para leer los libros de texto universitarios. Recientemente, leí The Particle at the End of the Universe [La partícula al final del universo], de Sean Caroll, de quien ya había leído su libro anterior, From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time [Desde la eternidad hasta aquí: La búsqueda de la teoría final del tiempo]. Cuando lo terminé, le comenté a mi mujer, Deborah, que calculaba que había entendido alrededor del 70% de lo que había leído, y que ese era mi problema normalmente. Desearía poder pasar unas cuantas horas con un físico como Carroll, alguien que sabe mucho del tema y que tiene la capacidad de comunicarlo de manera articulada, y hacerle algunas preguntas.

(Tráiler casero del libro de Carroll, con subtítulos en inglés y en español.)

Deborah tiene la costumbre de hacerme un regalo cada año en la noche de Janucá, y este año no sabía qué regalarme así que, puesto que la fecha se aproximaba, se puso en contacto con Carroll (que por suerte vive en Los Ángeles, donde pasamos los meses de invierno) y le hizo lo que ella calificó de «extraña solicitud». Preguntó si podría «alquilar» a Sean durante unas horas para que respondiese a mis preguntas. A Sean la petición le pareció entrañable, y accedió. Además, Deborah, mi mujer, propuso después podríamos cenar con Sean y su mujer, Jennifer Ouellette, escritora especializada en  ciencia que tiene un blog en Scientific American titulado Cocktail Party Physics. Cuando me dijo cuál era mi regalo, me sentí al mismo tiempo emocionado, agradecido y asustado.

Buscamos una fecha que me permitiese tener unos meses para prepararme la sesión con Carroll. Repasé todo lo que había aprendido y escribí todas mis preguntas en un documento de cinco hojas, organizado por temas como «Big Bang», «campos y partículas», «el campo de Higgs» o «la naturaleza del espacio».

Nos vimos anoche y, durante más de dos horas, pudimos comentar alrededor del 90% de mis preguntas. Tardaré unas semanas, quizá incluso meses, en procesar lo que aprendí. Aunque Sean es muy agradable y tuvo mucha paciencia conmigo, me sentí algo inseguro cuando tuve problemas para entender algunas cosas, como el significado del «espín».

Después de nuestra conversación, los cuatro juntos disfrutamos de una gran cena y una  estupenda conversación. Me siento muy afortunado por haber tenido esta oportunidad, y le estoy muy agradecido a mi mujer por este detalle.»

Sean Carroll es físico teórico en el California Institute of Technology (Caltech), además de activo bloguero y tuitero. Su libro más reciente es La partícula al final del universo: Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo, publicado por la editorial Debate.