El regreso del éter: de Einstein al bosón de Higgs

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, siglas en inglés) es el acelerador de partículas "más famoso" del mundo.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, siglas en inglés) es el acelerador de partículas "más famoso" del mundo.

Hace diez años, en julio de 2012, el colisionador de partículas LHC anunció el descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula asociada a un nuevo tipo de éter cuántico. En esta nota recorreremos la evolución de la idea del éter, su relación con la teoría de la Relatividad de Einstein, y su papel en la ciencia actual.

La idea de que los fenómenos de la Naturaleza ocurren en un medio muy sutil y difícil de detectar, llamado éter, ha estado presente desde la antigüedad hasta nuestros días. Para los griegos simbolizaba el aire del cielo, puro y brillante, respirado por los dioses. Pero aquí queremos explorar su rol en la ciencia moderna, y más específicamente en la física. Esto nos llevará al descubrimiento reciente más importante de la física de partículas, el bosón de Higgs.

El origen del éter en la física

Debido a los grandes avances del siglo XVII de Galileo y de Newton, se comprendió que los cuerpos poseen inercia o masa, y que se requieren fuerzas para modificar el movimiento. Newton describió matemáticamente la fuerza de atracción de la gravedad entre dos cuerpos: aumenta como el producto de sus masas, y disminuye como el cuadrado de la distancia que los separa. Un siglo después, Charles de Coulomb mostró que la fuerza eléctrica entre cuerpos cargados sigue el mismo patrón con la distancia.

Sin embargo, estos descubrimientos mecánicos plantearon varios interrogantes: ¿cómo se ejerce la fuerza de un cuerpo sobre otro? ¿Existe un medio material responsable de esto? ¿Por qué parece que la fuerza se transmite instantáneamente de un cuerpo al otro?

Estas preguntas permanecieron sin respuesta hasta el descubrimiento del electromagnetismo, la teoría física que unifica la electricidad, el magnetismo y la óptica. El electromagnetismo se transformó rápidamente en la base tecnológica de nuestra civilización, posibilitando desde motores eléctricos hasta computadoras y teléfonos celulares. Una consecuencia crucial es que se entendió a la luz como una onda electromagnética, similar a las ondas de radio, rayos X o rayos gamma. Las ondas electromagnéticas viajan a una velocidad que se simboliza con la letra c; en un segundo recorren la increíble cantidad de trescientos mil kilómetros.

Estos descubrimientos reintrodujeron con fuerza el debate sobre el éter. En efecto, los descubridores del electromagnetismo, incluyendo a James Maxwell, pensaban que la luz se propagaba por un medio material muy tenue, nuevamente una forma del éter. La velocidad de la luz c era entonces la velocidad de propagación de perturbaciones con respecto a este éter. Esto es lo que sucede en casos más familiares, como ondas en el agua, u ondas de sonido.

La teoría de la Relatividad Especial

Para testear esta idea, los físicos experimentales Albert Michelson y Edward Morley montaron un experimento capaz de medir la existencia de este éter luminífero, pero no detectaron su presencia. Además, la idea del éter implicaba varias contradicciones. Einstein propuso el siguiente experimento. Supongamos que una persona A emite luz con una linterna. Medirá que la luz se mueve con velocidad c. Otra persona B se desplaza en un tren a cierta velocidad en la dirección del haz, y también mide su velocidad. Tendría que medir una velocidad menor. Si B tuviera un tren tan poderoso que pudiera viajar a la velocidad c, tendría que ver que el haz de luz de A está quieto. Pero, el electromagnetismo explica que es imposible tener una onda de luz en reposo.

Estas consideraciones llevaron a Einstein a proponer su teoría de la Relatividad Especial, basada en el postulado de que las leyes de la física tienen que valer para todos los observadores. En particular, la velocidad de la luz tiene que ser la misma para una persona en reposo y otra en movimiento. Esto requiere cambiar muchas de nuestras percepciones cotidianas. Sabemos que si un auto se mueve a 50 km/h y otro a 80 km/h, este último observa que va 30 km/h más rápido que el primero. Pero esto resulta ser sólo una aproximación. A velocidades mucho más grandes, comparables a la velocidad de la luz, las velocidades no se restan así. Por la misma razón, aparecen otros fenómenos relativistas, como el hecho de que el tiempo transcurre más rápido o más lento dependiendo del estado de movimiento. La teoría de Einstein ha sido verificada y aplicada múltiples veces, e hizo innecesaria la idea del éter luminífero.

¿De dónde viene la masa de las partículas?

La teoría de la Relatividad combinada con el descubrimiento de la Mecánica cuántica, permitieron durante el siglo XX comprender el origen de las interacciones microscópicas y las propiedades de las partículas elementales como el electrón y los quarks. Un nuevo desafío se hizo presente, ya que en esta estructura, era imposible que las partículas elementales tuvieran masa, contrariamente a lo que se observa experimentalmente. ¿Cómo adquieren entonces su inercia?

Demostración de colisiones producidas por protones en el colisionador Large Hadron Collider (LHC). 
Imagen: CERN for the ATLAS and CMS Collaborations, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons
Demostración de colisiones producidas por protones en el colisionador Large Hadron Collider (LHC). Imagen: CERN for the ATLAS and CMS Collaborations, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons

La resolución vino de una novedosa clase de materiales, los superconductores. Estos conducen la electricidad de manera perfecta, sin pérdidas. Y lo logran debido a que los electrones se organizan en un estado coherente macroscópico, en el cual se minimizan los efectos de las fluctuaciones cuánticas y térmicas. Una de las consecuencias de este estado coherente es que es capaz de dar masa a los fotones, las partículas que conforman la luz. Peter Higgs (93), junto con otros cinco físicos de otros equipos, predijo en la década del 1960 que este mismo mecanismo se podía utilizar para dar masa a las partículas elementales. Bastaba con reemplazar al superconductor por una nueva clase de partícula, que hoy en día se denomina bosón de Higgs. Según su teoría, el bosón de Higgs formaría un condensado coherente y las partículas elementales, al moverse en él, adquirirían masa. Así emergió la versión más moderna del éter, ahora de manera consistente con las leyes conocidas de la Naturaleza.

Luego de más de 40 años de esfuerzos internacionales, el LHC (por sus siglas en inglés “Large Hadron Collider”, gran colisionador de hadrones) logró encontrar el bosón de Higgs. Para producir las perturbaciones en este nuevo éter y así detectar su presencia, el LHC hizo chocar protones a enormes energías, millones de veces más grandes que las energías de las reacciones nucleares (ver figura). Este ha sido uno de los descubrimientos más significativos de la historia, requiriendo el esfuerzo de miles de científicos de distintos países.

La lección del éter

De esta manera llegamos al final de nuestra historia sobre cómo una idea surgida en la antigüedad ha impactado el desarrollo de la ciencia hasta nuestros días. Muchas veces una idea intuitiva aparece como incorrecta, pero puede resurgir de manera mejorada para explicar otros fenómenos. De todas formas, el descubrimiento de este nuevo éter cuántico asociado al bosón de Higgs abre enormes interrogantes que mantendrán ocupados a los físicos por varias generaciones por venir. La última palabra sobre el éter en la Naturaleza aún no ha sido dicha.

*El autor es Doctor en Física y Docente del Instituto Balseiro e investigador Conicet-Centro Atómico Bariloche

Producción y edición: Miguel Títiro - mtitiro@losandes.com.ar

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