javier santaolalla
EL BOSÓN DE HIGGS NO TE VA A HACER LA CAMA La física como nunca te la han contado
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EL BOSÓN DE HIGGS NO TE VA A HACER LA CAMA La física como nunca te la han contado © 2016, Javier Santaolalla Camino © 2016, La Esfera de los Libros, S.L. Publicado mediante acuerdo con VicLit Agencia Literaria Diseño de portada: Paz Martínez de Juan D. R. © 2022, Editorial Océano de México, S.A. de C.V. Guillermo Barroso 17-5, Col. Industrial Las Armas Tlalnepantla de Baz, 54080, Estado de México info@oceano.com.mx Primera edición en Océano: 2022 ISBN: 978-607-557-524-7 Todos los derechos reservados. Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita del editor, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público. ¿Necesitas reproducir una parte de esta obra? Solicita el permiso en info@cempro.org.mx Impreso en México / Printed in Mexico
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A mi familia, lo mejor de este mundo A Aurora y Darío
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ÍNDICE
Agradecimientos Prólogo. ¿Quién tira el bloque?
13 15
1. Un friki-viaje de dos mil quinientos años
25 27 35 44 56
2. El Modelo Estándar de física de partículas
73 73 78 80 83 84 117 119 122 139 142
La Grecia clásica, por Ash Ketchum En busca del átomo, por Frodo Bolsón Rompiendo el átomo con Mario Bros La fuerza universal, por Luke Skywalker
Einstein, una estrella de la ciencia Cuatro fuerzas que lo mueven todo Una fórmula sencillita: el lagrangiano del Modelo Estándar Nuevos mundos La mecánica cuántica La teoría de la relatividad El problema del éter: ¿qué demonios es? Efectos relativistas Cuando la relatividad y la cuántica se juntan Y al fin el Modelo Estándar
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3. Más allá del Modelo Estándar: la física del futuro
Una ecuación para gobernarlos a todos La gravedad La distorsión del espacio-tiempo El problema de la unificación Materia oscura Energía oscura Antimateria
149 149 151 155 158 161 166 170
4. Ese lugar donde vivimos
175 175 178 193 198 207
5. Todo empezó con un gran estallido
213 214 224 230 236 242 247 258
6. Agujeros negros
261 263 267
El universo El Sistema Solar La Galaxia Midiendo el universo Más allá de la Tierra
El Big Bang El descubrimiento del CMB Escuchando el eco del Big Bang La moderna teoría del Big Bang La historia del universo Nuevos enigmas: materia y energía oscuras La historia del universo
¿Qué es un agujero negro? Agujero negro begins ] 10 [
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índice
El lado oscuro fuerte en ti ser Observación de agujeros negros ¿Qué ocurre si caemos en un agujero negro? Propiedades avanzadas de los agujeros negros
275 285 292 297
7. La antimateria
305 306 310 312 316 320 325 338
8. El CERN
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) Los detectores Otros experimentos del CERN ¿Y ahora qué?
347 353 370 378 383
Bibliografía
385
Con un lápiz y un papel El mar de electrones Las antipartículas ¿La antimateria es real? ¿Dónde está la antimateria? Experimentos de antimateria Aplicaciones de la antimateria
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AGRADECIMIENTOS
S
on veinte locos de la ciencia, los diecinueve miembros de Big Van que han sido mis compañeros y maestros durante estos tres años que llevo de actividad en la divulgación, y Mick Storr, director del servicio de visitas del CERN, durante mis cuatro años de estancia allí. ¡Hay tanto de cada uno de ellos en las páginas de este libro! En mayo de 2016 se cumplieron tres años desde mi primera presentación. En todas en las que he participado hubo siempre alguien que quería saber algo más de física. Yo veía ojos curiosos, mentes inquietas, sonrisas de felicidad al escuchar hablar de cosas como las que cuento en estas páginas. De ellos nace esta idea y muy en especial de Cira Hernández, una mente muy inquieta que siempre tuvo una pregunta para mí y es además la primera lectora de este libro. Finalmente quiero agradecer a Pablo Alborán. Nunca me he considerado fan de su música, pero durante tres noches seguidas en 2015, mientras escribía los primeros capítulos, tocó en Las Ventas, muy cerca de mi casa. Posiblemente sea yo la única persona del mundo a la que su música le recuerda a los agujeros negros, a la antimateria y al universo. ¡Ah!, y a que no hay imposibles. Los comienzos suelen ser duros pero siempre llega la recompensa. Gracias, Pablo.
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PRÓLOGO
¿QUIÉN TIRA EL BLOQUE?
M
uchas veces la ciencia mata a la propia ciencia. Suicidio. Hablo de los planes de estudio, claro. Generalmente son un desastre. Yo mismo sufrí el sistema educativo en carne propia. Planes anticuados, profesores hastiados (casi siempre muy a su pesar) y un único objetivo: aprobar los exámenes. Se enseña una ciencia muerta, sin vida. Esto me hizo cometer uno de los más dulces errores de mi vida: elegir estudiar Ingeniería de Telecomunicaciones en lugar de Ciencias Físicas. Dulce por el desenlace, tan diferente y especial. A una edad más avanzada las maravillas de la física moderna llegaron a mí de una forma diferente. Con libros como Breve historia del tiempo de Stephen Hawking fue como por primera vez me adentré en la cosmología moderna, en la relatividad y la mecánica cuántica. Recuerdo que la física llegó a mí como una iluminación, una revelación. Así, mi formación en física ha sido tan diferente a los planes de estudios, viajando ] 15 [
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desde la imaginación y la fantasía de los libros de divulgación a los libros de texto, a las ecuaciones (inevitables, por cierto, y muy gratificantes cuando las dominas) sin perder, en este duro proceso, la pasión y la magia. Primero descubrí la parte más atractiva de la física y luego la estudié. Fue algo similar a enamorarse, repentino e imparable. No se puede detener. Así fue mi amor por la física. Y aunque los planes de estudios actuales han mejorado mucho, el aula sigue descuidando en muchos casos la magia de la ciencia. Gracias al trabajo de muchos profesionales en España la ciencia ya no es esa cosa tan oscura y aburrida, y muy buena parte de la física moderna está entrando progresivamente en el aula. Bueno, tanto... igual no han cambiado las cosas. Seguramente los estudiantes tengan que seguir haciendo cálculos vectoriales, mirar esa caja que cuelgan de un muelle, esa bola que oscila atada a un hilo, esas cargas que alguien trae desde el infinito y ponen de repente en un punto del espacio, esos dichosos bloques que se tiran por pendientes… Yo recuerdo preguntarme, cuando me ponían estos problemas en clase, cosas como: ¿dónde está el infinito?, ¿por qué alguien quiere traer una carga desde allí?, ¿para qué dejan esa caja colgando de un muelle?, ¿quién tira el bloque? Donkey Kong tira barriles, pero no bloques… ¿Por qué tiran ese bloque? Son cosas que normalmente no se explican en las clases. Pues yo te lo cuento a ti: ese bloque que cae por la pendiente lo tira Galileo Galilei. ¿Te suena? Y no lo tira para evitar que salves a la princesa. Lo hace para desvelar la verdad sobre la naturaleza, romper con dos mil años de tradición errónea y revolucionar la forma en que entendemos la ciencia. Casi nada. Fue en 1604 cuando el científico italiano realizó uno de los experimentos más famosos de la historia de la ciencia. En aquel entonces se creía con convicción que el espacio recorrido en un movimiento de caída libre (un “¡Aaaahh! ¡Pum!”... O lo ] 16 [
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que es lo mismo, dejar caer algo, como una piedra) era lineal con el tiempo: si tarda un segundo en recorrer un metro, tardará dos segundos en recorrer dos metros. Éste era el razonamiento aristotélico (del griego Aristóteles) que se había impuesto desde la Antigüedad y que nunca desde entonces se había puesto en seria duda. Lo que Aristóteles decía era siempre verdad, sin necesidad de justificarlo. Vamos, era el Jorge Ramos de los tiempos antiguos. Para Aristóteles y sus discípulos bastaba con razonar para comprender el funcionamiento de la naturaleza. Hay que reconocer que resulta tentador: te sientas en el sofá, dices cualquier cosa y como nadie lo comprueba... Debido a esta forma de analizar las cosas el conocimiento se llenó de errores que perduraron durante siglos, sin que nadie se atreviera a rebatirlos. Pensaban que eso de experimentar era de losers y que ir en contra del pensamiento de Aristóteles era inapropiado. De esta manera también se dedujo, respecto al movimiento de caída libre, que el tiempo que tarda un objeto en caer a lo largo de una distancia depende de la masa del objeto. Con Galileo todo esto iba a cambiar. El cambio fundamental no sólo estuvo en entender el movimiento de una forma diferente, ni siquiera en cuestionarse el conocimiento adquirido y retar por lo tanto al saber establecido. El verdadero cambio que introdujo y consolidó Galileo, un revolucionario, fue la experimentación. Porque en aquella época bastaba con que un sabio dijera algo en voz alta para que no se pusiera en duda. Un sabio clásico, claro, no cualquiera. En general se despreciaba el estudio del mundo material, la naturaleza. La razón era suprema y suficiente para entenderlo todo. Eso pensaban. Pero Galileo era diferente. Hay cosas que merecen ser ciertas por lo bonitas que son. Es una pena que no se tengan referencias que demuestren su veracidad, pero yo prefiero creer que ocurrieron tal cual se cuentan. Como la manzana ] 17 [
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que le cayó en la cabeza a Newton o cuando Arquímedes gritó “¡Eureka!” y salió corriendo desnudo por la calle al descubrir su famoso principio. O como cuando Ricky Martin se metió en un armario... En fin, parece ser que algo así también ocurrió con el famoso experimento de Galileo Galilei y la Torre de Pisa. Esta torre es famosa por haber dejado Facebook plagada de fotos de gente que parece que la sostiene (por favor, dejen de hacer eso), pero también es protagonista de uno de los highlights (así queda más cool) de la historia de la ciencia. Según se cuenta, Galileo subió a lo alto de la torre ante la atenta mirada de numeroso público que acudió a presenciar una demostración que él mismo había anunciado. Su objetivo era acabar con una de las creencias más extendidas en la época sobre el movimiento. En su mano tenía dos objetos similares pero de diferente masa o peso. Levantó ambos en el aire y miró a su público. Yo la escena me la imagino como un concierto de Madonna, plagada de gente expectante. Ahora prepárense, porque están a punto de venirse abajo dos mil años de tradición. Va a empezar una nueva era. Según la creencia establecida debería llegar antes al suelo el objeto más pesado. ¿Tú qué crees? ¿Qué debería pasar? La intuición nos dice que sí, que llega antes el objeto más pesado. Claro, si dejo caer una pluma y una pelota llega al suelo antes la pelota. Pero esto es porque el aire afecta al movimiento de ambos de manera diferente debido a su forma: su resistencia aerodinámica es diferente. Entonces, ¿qué ocurriría en ausencia de aire? Galileo no pudo usar bombas de vacío,* pero fue lo bastante inteligente para usar bolas de similar * Este experimento se ha realizado en vacío en varias ocasiones en los tiempos modernos. En concreto puedes ver en YouTube la realización del experimento en la superficie de la Luna. El comandante David Scott dejó caer una pluma y un martillo en uno de sus paseos por nuestro satélite. ] 18 [
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forma. Y así ocurrió, o supuestamente ocurrió, nunca lo sabremos con certeza: ambos objetos cayeron aproximadamente a la vez. De esta forma tan sencilla y elegante desmontó una de las creencias más asentadas en su época. Pero ¿y el otro mito, el de la velocidad relacionada linealmente con el tiempo? Para éste hubo de usar un poco más de astucia. Hay que ponerse en la piel de Galileo (antes de que la Iglesia lo condenara, lo persiguiera, arrestara y todo eso, para que no pases un mal rato). Es en torno al año 1600 y necesitas estudiar el movimiento de caída libre, pero tienes que hacerlo con mucha precisión porque estás interesado en observar las diferencias de tiempos. Tienes que ver si dada una distancia doble, el tiempo que tarda en recorrerla un objeto en caída libre es también doble... o no. Vamos a probarlo nosotros. Se puede, por ejemplo, poner una canica encima de una mesa y hacer una marca en la mitad de la pata de la mesa. Te pones tipo juez de línea de un partido de tenis y dejas caer la canica. Mides cuánto ha tardado en ir del principio a la mitad y luego de la mitad hasta el suelo. Si lo que se creía en la época de Galileo era cierto, la canica tardará lo mismo en recorrer las dos mitades. Sólo hay que medir esos dos tiempos para comprobarlo. ¡Ah! Pero eres Galileo, se me olvidaba (qué honor el mío hablarle a Galileo). Galileo no tenía un cronómetro. Ni había ninguna aplicación en el iPhone que le pudiera servir para eso. Se tenía que buscar la vida. No obstante, te voy a dejar hacer trampas. Usa tu iPhone o el iWatch. Vuélvete un Galileo hipster (puedes hacerlo en una mesa del Starbucks con tu muffin). Si lo haces te darás rápidamente cuenta de que ni siquiera con un cronómetro es fácil. La canica cae muy rápido y aunque estés más tenso que el juez de línea de la final de Wimbledon en un matchball, no resulta sencillo ver en qué momento la canica pasa por la marca de la pata de la mesa. Esta misma dificultad la ] 19 [
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tuvo también Galileo. Pero por suerte, era muy listo. Pensó que entre una canica en horizontal, que no cae, y una que se deja caer en vertical hay muchas formas de caer más lentas. ¡Sí! ¡Los planos inclinados! Con un plano suficientemente inclinado la canica caería, pero mucho más lentamente, tanto como queramos. Así podríamos medir sin problema el paso del tiempo, porque la caída libre es un caso límite de una caída con inclinación: ¡cuando la inclinación es máxima! Galileo tomó un listón largo de unos siete metros con una canalización para que una bola se deslizara por ella. Lo pulió todo lo que pudo para minimizar el rozamiento. Este sistema se podía inclinar y variar su pendiente para hacer estudios en diferentes condiciones de caída. Galileo también disponía de una regla para medir distancias y de un reloj. Bueno, no era uno de pulsera, ni siquiera de los de bolsillo con cadena que gustan tanto. En esa época todavía no se había inventado el reloj moderno (suerte para ellos), por lo que tuvo que usar su ingenio para vencer este pequeño obstáculo. Tenía dos formas de hacerlo, a cuál más rocambolesca. La primera era usando un flujo continuo de agua. Esto se puede probar en casa con un grifo: si se le hacen marcas a una garrafa y se va llenando de agua con un flujo constante se puede usar como reloj: cuanto más tiempo pasa, más se llena la garrafa. El otro método era la música. Los amantes de la música saben que tanto los compases como los metrónomos se pueden usar como medida de tiempo. Los que no tienen conocimientos musicales pueden usar una canción cualquiera, por ejemplo “Bailando” de Enrique Iglesias (esto sería para los no amantes de la música ). El caso es que se puede cantar mientras se hace el experimento: cuanto más lejos se llegue en la canción, más tiempo habrá pasado. Por suerte para Galileo, Enrique no existía en esa época, pero él era un excelente músico. Mejor que Enrique, seguro. De hecho su padre tocaba el laúd y él mismo tenía ] 20 [
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avanzados conocimientos musicales. Así que tocando el laúd mientras realizaba el experimento podría tener una noción de la medida del tiempo. Con la regla alcanzaba precisiones en la medida de la distancia del orden del milímetro. Con la música y el flujo de agua podía medir el tiempo con una precisión del orden de la 1/64 parte de un segundo. Realizó una y otra vez, de forma incansable, sus experimentos, hasta asegurarse de que los resultados eran suficientemente precisos. Los que han estudiado cinemática, en concreto el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, sabrán lo que ocurrió. La distancia recorrida no variaba de forma lineal con el tiempo, sino cuadrática. Sí, la canica se acelera, cada vez va más rápido y por lo tanto en un mismo tiempo cada vez recorre más espacio. Las conclusiones de Galileo hoy se estudian, creo, en el primero de bachillerato (ya me perdí en los planes de estudios). Lo importante es que al convertir un problema vertical en uno inclinado introdujo la descomposición vectorial en física, estudiando el movimiento como dos componentes independientes: vertical y horizontal. Además estableció la independencia del movimiento respecto a la masa y la dependencia del espacio recorrido dejó de ser lineal con el tiempo. Como sabrán los que lo han estudiado: e = 1/2gt2, con una constante “g” en honor a Galileo, la aceleración de la gravedad. Sin embargo, por encima de todo Galileo nos enseñó a dudar de cada cosa y a mirar la naturaleza como la verdadera fuente de sabiduría. La razón ya no servía por sí misma, era necesario buscar una respuesta preguntando al mundo natural, verdadero juez del conocimiento sobre la naturaleza y sus leyes. Hoy Galileo es honrado como uno de los más grandes científicos de la historia y como un mártir de la ciencia en su lucha por favorecer la razón y la experimentación contra el poder de la Iglesia. Entre sus logros recordamos sus innumerables inventos, el descubrimiento de las cuatro grandes lunas de Júpiter, la observación ] 21 [
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de una supernova, su defensa del sistema copernicano (la Tierra gira alrededor del Sol), las mejoras en el telescopio (ojo, no fue el inventor, como mucha gente cree), etcétera. También es considerado el padre de la astronomía moderna, de la física moderna y del método científico. Para mí es un gran modelo y referente por todo lo que hizo. En particular, por lo que a mí respecta, admiro que fuera un gran divulgador. Quizás el primer gran divulgador, con textos claros y explicaciones concisas. Su libro Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo es uno de los más brillantes escritos de divulgación jamás publicados. No obstante, volvamos al bloque que cae por ese plano inclinado. ¿Quién lo tira? Pues a mucha gente estas preguntas le parecerán absurdas, pero he aprendido que son esta clase de preguntas las que le dan sentido a la física. Es una ciencia viva, que está en todo, ¡no es latín o griego clásico! (que me disculpen los filólogos pero es verdad). La física está en todas partes, nos rodea, nos abraza y por supuesto nos incluye. La física es curiosidad, es preguntarse por las cosas más obvias, por las más absurdas, por las más inquietantes. Es preguntar. Hacerse preguntas es algo común a todos los genios de la historia. Como Einstein, obsesionado en su juventud por saber qué pasaría si pudiera ir tan rápido como un rayo de luz. ¡Qué pregunta más absurda!, dirían muchos. Pero es justo eso lo que hace grande a la física: el misterio y la curiosidad. Cada vez que hacemos en clase el experimento del bloque y la pendiente sin saberlo estamos respondiendo a una pregunta que ya se hizo Galileo hace medio milenio. Una pregunta revolucionaria cuya solución rompió con la tradición clásica y dio paso a la ciencia moderna. ¡Cómo se puede aprender este cálculo sin saber que hubo quien, con ello, retaba a Aristóteles y a la Iglesia católica jugándose la vida, enfrentándose a catedráticos y eminencias para edificar eso que ahora conocemos como ciencia moderna! Este simple juego nos ] 22 [
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permite recordar que detrás de todo perdura esa curiosidad traviesa, que es la que nos guía y nos descubre las maravillas de cada detalle y cada historia. Porque la física está en todos los lados, es impactante. Todos nosotros somos física. Entonces, ¿por qué deshumanizarla? ¿Por qué alejarla de lo que realmente es? Es justo recordar que detrás de ese experimento y tantos otros, detrás de ese bloque que cae lentamente, hay una historia de infinito ingenio, valor y talento creativo. Éste es mi objetivo: quiero mostrar la realidad de la física, su lado más vivo. Quiero transmitirte la fascinación que he sentido en cada paso que di en el mundo científico. Todas esas emociones que me hicieron amar la ciencia tal y como es. Para ello te llevaré en un viaje por los rincones más sorprendentes y espectaculares de la física. Por el mundo cuántico y sus paradojas, por el mundo relativista y sus asombrosas consecuencias, por los hechos históricos más relevantes, los mejores y más brillantes experimentos, las teorías más impactantes y exóticas, las dimensiones ocultas, los agujeros negros, los viajes en el tiempo... Todo un mundo científico donde lo que domina es la constante de que la realidad supera, y por mucho, a la ficción. Haremos preguntas absurdas, otras obvias, pero todas partes de una historia universal. Esa parte que hace que se te corte la respiración, que enmudezcas y se humedezcan tus ojos. Quiero enseñarte la parte que te hace soñar y mirar al cielo, la que te pone la piel de gallina, te hace sentirte pequeño y a la vez grande, único y especial y parte de un todo. Porque la física es maravillosa. Porque no somos sino física. Empecemos por el principio.
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