Hay libros que abordan temas filosóficos y existenciales que pueden ser de interés, ya que se relacionan con el sentido y el propósito de la vida se enfoca en la ciencia y la tecnología. En concreto La partícula al final del universo: Del bosón de Higgs al umbral de un nuevo mundo de Sean Carroll, ofrece una visión fascinante de la física cuántica y la cosmología, que puede ser de interés y ayuda a entender los conceptos complejos presentados y aplicarlos a tus propios intereses y proyectos.
El libro explora la idea de que la física cuántica y la teoría de campos de Higgs están redefiniendo nuestra comprensión del universo.
El autor describe cómo la detección del foso de Higgs ha ofrecido una prueba experimental de la teoría de campos de Higgs, que postula la existencia de un campo que da masa a las partículas fundamentales.
Carroll también examina las implicaciones de la teoría de campos de Higgs para el resto de la física, incluyendo la posibilidad de la existencia de nuevas partículas y las relaciones entre la física cuántica y la cosmología.
¿Cuál es la novedad que aporta La partícula al final del universo?
Sean Carroll hace varias contribuciones nuevas a la discusión sobre la teoría de campos de Higgs y la física cuántica:
- Un enfoque actualizado: Incluye una descripción detallada de la detección del foso de Higgs y su importancia para la física cuántica.
- Una perspectiva accesible: Está escrito de manera accesible para el público no especializado, lo que hace que sea una buena introducción a la física cuántica y la teoría de campos de Higgs.
- Una visión interdisciplinaria: Conecta la física cuántica con la cosmología y la filosofía, ofreciendo una visión integrada de la ciencia moderna.
¿Qué teorías y creencias existentes contradice?
Sean Carroll desafía algunas teorías y creencias existentes sobre la física cuántica y la teoría de campos de Higgs:
La idea de que el universo es simple y predecible: El libro demuestra que el universo es más complejo y dinámico de lo que se creía anteriormente, con nuevas partículas y campos que se están descubriendo continuamente. La creencia de que el universo es simple y predecible puede tener un impacto significativo en nuestras vidas, ya que puede afectar nuestras expectativas sobre cómo funciona el mundo y nuestro lugar en él.
Por ejemplo, si creemos que el universo es simple y predecible, podemos sentirnos más cómodos con la idea de que las cosas siempre ocurrirán de una forma específica y que tenemos una comprensión clara de cómo funciona el mundo.
Sin embargo, si el universo es más complejo y dinámico de lo que pensamos, esta creencia puede ser decepcionante o desconcertante.
La idea de que la física cuántica y la cosmología están estrechamente relacionadas puede tener un impacto importante en nuestra comprensión del origen y la evolución del universo, y por lo tanto en nuestro entendimiento del lugar que ocupamos en el universo.
Esta idea puede llevar a una nueva percepción de la interdependencia entre todo lo que existe, incluyendo a nosotros mismos, y puede ayudarnos a apreciar la complejidad y la belleza del universo.
También puede llevarnos a reflexionar sobre las posibilidades de vida en otros lugares del universo y sobre nuestro papel en la historia del universo.
Principales ideas de La partícula al final del universo
- Los átomos, los componentes básicos de la materia ordinaria, están formados por protones, neutrones y electrones.
- En el siglo XX, los científicos descubrieron pequeñas partículas llamadas leptones y quarks.
- Nuestro universo se mantiene unido por la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles.
- Las interacciones con el campo de Higgs dan a cada partícula su masa.
- Piensa en el campo de Higgs como un mar de invitados a la fiesta que te impiden llegar al buffet.
- Los científicos construyeron el enorme Gran Colisionador de Hadrones para aprender más sobre partículas diminutas.
- Al chocar partículas entre sí, los científicos esperaban encontrar pruebas de la existencia del bosón de Higgs.
- Los científicos del Gran Colisionador de Hadrones finalmente descubrieron el esquivo bosón de Higgs en 2012.
- El descubrimiento del bosón de Higgs puede abrir nuevas puertas tanto en la ciencia como en la tecnología.
Los átomos, los componentes básicos de la materia ordinaria, están formados por protones, neutrones y electrones.
Desde el principio nos hemos preguntado de qué está hecho exactamente nuestro cuerpo. La ciencia moderna ha revelado que todo, incluido usted, está compuesto de pequeñas partículas o bloques de construcción llamados átomos .
Y estos bloques de construcción están compuestos de partículas subatómicas más pequeñas: protones, neutrones y electrones.
Cada átomo tiene un número único de protones en su núcleo: su número atómico. Este número se puede utilizar para identificar el átomo en la tabla periódica, publicada por primera vez por Dmitri Mendeleev en 1869.
Por ejemplo, el átomo de helio tiene dos protones en su núcleo y, por tanto, se identifica con el número atómico «dos». El plutonio , en cambio, tiene 94 protones (un átomo “más pesado”) y se puede encontrar en la mesa en el número 94.
En 1913, Niels Bohr hizo una importante contribución a nuestra comprensión del átomo con su modelo atómico. Descubrió que los electrones “orbitan” alrededor del núcleo y sus protones y neutrones, de forma muy parecida a como la Luna orbita alrededor de la Tierra.
Los protones y los electrones se diferencian en dos aspectos importantes: carga y peso. Los electrones tienen carga negativa y son relativamente livianos en comparación con los protones, que tienen carga positiva y son 1.840 veces más “pesados” que los electrones.
Un átomo es la unidad más pequeña de ciertos elementos químicos. A veces, sin embargo, los átomos pueden unirse y formar lo que se llama molécula . Muchas sustancias comunes, como el agua o el dióxido de carbono, son en realidad moléculas o una combinación específica de átomos unidos.
Por ejemplo, cuando dos átomos de hidrógeno se unen con un átomo de oxígeno, crean una molécula de agua. Puedes pensar en esto como la gota de agua más pequeña posible.
Sin embargo, a pesar de lo minúsculos que son los átomos, los científicos pronto conocieron un mundo aún más extraño y pequeño dentro de los propios protones, neutrones y electrones.
En el siglo XX, los científicos descubrieron pequeñas partículas llamadas leptones y quarks.
Si los átomos son los componentes básicos de la materia, ¿cuáles son los componentes básicos de los átomos? Resulta que los científicos han descubierto más partículas subatómicas, incluso más pequeñas.
¿Pero cómo descubrieron algo tan diminuto?
Todo comenzó cuando los científicos examinaron cómo se desintegran los neutrones. Cuando un neutrón «muere», emite electrones. Sin embargo, cuando los científicos examinaron estos electrones, descubrieron que la energía liberada no coincidía con la energía del neutrón original.
De hecho, encontraron menos energía, lo que significa que parte de alguna manera había desaparecido. Pero ¿adónde se fue esa otra energía?
En 1930, el científico suizo Wolfgang Pauli encontró la respuesta. Además de emitir electrones, los neutrones en descomposición también desprenden otra pequeña partícula llamada neutrino .
Tanto los neutrinos como los electrones pertenecen a una familia de partículas ligeras llamadas leptones. Una vez que miraron más de cerca, los científicos comenzaron a descubrir una gran cantidad de leptones diferentes.
En 1936, cuando los físicos estadounidenses Carl Anderson y Seth Neddermeyer estudiaron los rayos cósmicos, descubrieron otro leptón: el muón .
Pero la cosa no quedó ahí. En 1962, León Lederman descubrió que en realidad existían dos tipos de neutrinos: uno que interactúa con electrones (el llamado neutrino electrónico) y otro que interactúa con muones (el llamado neutrino muónico).
Y luego, en la década de 1970, se descubrió la partícula tau junto con su correspondiente neutrino tau, lo que elevó la familia de leptones a un total de seis partículas.
Junto con estos leptones, los científicos también descubrieron partículas subatómicas más pesadas: los quarks .
Al igual que los leptones, hay seis tipos diferentes de quarks con nombres extraños: quarks arriba y abajo, quarks encantadores y extraños, y quarks superior e inferior.
Estos quarks se clasifican según su carga eléctrica: los quarks arriba, encanto y superior tienen carga positiva, mientras que los quarks abajo, extraños y abajo tienen carga negativa.
Se puede pensar en los quarks como los componentes básicos de los protones y los neutrones: así como cada átomo de la tabla periódica tiene un número específico de protones, cada protón consta de un conjunto específico de quarks.
Nuestro universo se mantiene unido por la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles.
¿Qué pasaría si saltaras por una ventana? ¿Te elevarías hacia el horizonte o te deslizarías hacia abajo como una hoja?
Bueno no. En lugar de eso, caerías al suelo con un fuerte ruido sordo .
Esto se debe a la gravedad, un fenómeno iluminado por primera vez por Isaac Newton en el siglo XVII.
La gravedad es la más conocida de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Las otras fuerzas, menos conocidas, son la fuerza electromagnética, junto con las fuerzas nucleares fuertes y débiles.
Si alguna vez ha utilizado un imán para asegurar su lista de tareas pendientes en el refrigerador, entonces ha sido testigo del electromagnetismo . Un polo del imán atrae el polo opuesto de otro imán; polos similares se repelen entre sí.
La fuerza electromagnética es importante porque es responsable de la estructura del átomo. Los electrones cargados negativamente son atraídos hacia el núcleo cargado positivamente de un átomo, dándole así su forma.
La siguiente fuerza, la fuerza nuclear fuerte, interactúa con los quarks, asegurando la estabilidad dentro del átomo y es la razón por la que existen los átomos.
Consideremos por un momento que los numerosos protones del núcleo de un átomo están todos cargados positivamente. La fuerza electromagnética sugiere que estos protones deberían repelerse entre sí, desgarrando el núcleo. Y, sin embargo, no lo hacen.
Dentro de cada protón hay tres quarks, todos gobernados y mantenidos unidos por el poder de la fuerza nuclear fuerte. De hecho, la fuerza nuclear fuerte es aproximadamente 137 veces más fuerte que el electromagnetismo y, por tanto, es capaz de mantener unido el núcleo del átomo.
La última fuerza fundamental es la fuerza nuclear débil , que es responsable de la desintegración radiactiva y la fusión nuclear. Esta es la fuerza que hace que el sol se queme al fusionar átomos de hidrógeno en helio, lo que resulta en una enorme liberación de energía, que luego se transporta a través del sistema solar a través de fotones.
Todas estas fuerzas son fundamentales para nuestra comprensión de nuestro universo y, de hecho, para nuestro universo mismo. Sin ellos, simplemente no existiríamos.
Las interacciones con el campo de Higgs dan a cada partícula su masa.
¿Alguna vez has pensado por qué algunas cosas pesan más que otras? La respuesta está en comprender la masa.
Puedes pensar en la masa como la resistencia que sientes cuando empujas contra un objeto. Por ejemplo, empujar un coche cuesta arriba es mucho más difícil que empujar una bicicleta. La diferencia esencial es que el coche tiene más masa.
¿Pero de dónde viene exactamente esta masa? Se deriva de las interacciones de partículas dentro del campo de Higgs .
Recuerde lo que aprendimos antes: que los protones tienen más masa que sus homólogos, los electrones. La mayor masa de un protón indica una fuerte interacción con el campo de Higgs, mientras que los electrones, al tener menos masa, tienen una interacción más débil con el campo de Higgs.
De hecho, el campo de Higgs es necesario para que exista masa. Sin él, todas las partículas tendrían masa cero y la vida no sería posible. Una afirmación “pesada”, pero ¿qué significa?
La mecánica cuántica nos muestra que las partículas pesadas (es decir, aquellas que tienen mucha masa) pueden compactarse en pequeñas regiones del espacio, mientras que las partículas más ligeras ocupan más espacio. Reducir la masa de una partícula a cero significaría que los átomos serían demasiado grandes para interactuar y sustentar la vida.
El campo de Higgs, así como las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y débil) están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas bosones .
Al igual que una gota de agua se compone de innumerables moléculas de agua (formadas por innumerables combinaciones de hidrógeno y oxígeno), las fuerzas fundamentales están formadas por innumerables bosones.
Los bosones de la gravedad, por ejemplo, se llaman gravitones. Los que crean electromagnetismo se llaman fotones.
El campo de Higgs no es una excepción y tiene su propio bosón: el bosón de Higgs . Este bosón juega un papel muy importante en la composición de nuestro universo.
A diferencia de las cuatro fuerzas fundamentales, que no ejercen influencia en el espacio vacío donde no existe nada, el campo de Higgs impregna todo el universo (incluido el espacio vacío), lo que significa que el bosón de Higgs está esencialmente en todas partes.
Piensa en el campo de Higgs como un mar de invitados a la fiesta que te impiden llegar al buffet.
Toda esta charla sobre quarks, bosones y muones puede dejarte un poco abrumado. La física de partículas no es un tema fácil y tenga en cuenta que algunas de las personas más talentosas del mundo pasan toda su vida descifrando cómo funcionan todos estos elementos juntos.
Para simplificar, volvamos al concepto del campo de Higgs y consideremos dos analogías.
Imagina, por ejemplo, que estás en una fiesta en la que una de las invitadas es Angelina Jolie. Angelina y tú decidéis simultáneamente tomar un refrigerio en el buffet. ¿Quién llegará primero al plato de camarones?
Probablemente serás tú. Angelina Jolie probablemente será detenida en el camino por varios invitados que quieren hablar con ella. Por otro lado, es menos probable que las personas intenten conseguir su autógrafo. (A menos que seas Brad Pitt, por ejemplo).
Si Angelina Jolie fuera una partícula, se podría decir que era más masiva que tú, debido a sus interacciones más fuertes con los invitados a la fiesta, que representan el campo de Higgs.
O piénselo de otra manera. Imagínese que usted y un pez están nadando en el mar. ¿Quién crees que es el mejor nadador?
Obviamente, probablemente seas menos ágil que tu amigo pez. Las escamas del pez son estilizadas y se adaptan perfectamente al agua, por lo que el pez puede deslizarse por el mar con el mínimo esfuerzo.
Tu piel, por otro lado, te pone en una gran desventaja. La superficie de nuestra piel crea mucha más fricción con el agua que las escamas. Puedes intentarlo, pero no nadarás con tanta gracia como los peces.
En este ejemplo, el mar es el campo de Higgs: en lugar de deslizarse fácilmente a través del agua, el agua te frena, esencialmente dándote “masa”.
Ahora que sabes qué es una partícula y cómo funciona, estás listo para comenzar la búsqueda del esquivo bosón de Higgs.
Los científicos construyeron el enorme Gran Colisionador de Hadrones para aprender más sobre partículas diminutas.
Cuando se “encendió” en septiembre de 2008, el Gran Colisionador de Hadrones en las afueras de Ginebra ya había generado bastante revuelo no sólo en la comunidad científica sino en todo el mundo.
Pero ¿qué hace exactamente esta máquina?
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador de partículas que choca partículas entre sí a velocidades asombrosas, lo que brinda a los científicos la oportunidad de observar el choque y medir los resultados. Este tipo de experimentos son vitales para nuestra comprensión de cómo comenzó y se construyó el universo.
El LHC, sin embargo, no fue el primer proyecto de este tipo. Otro acelerador de partículas, el Centro de Aceleradores Lineales de Stanford (SLAC), en California, desempeñó un papel importante en nuestro descubrimiento del leptón tau y el quark charm.
Con dos millas de largo, el SLAC es la tercera estructura más larga del mundo, después de la Gran Muralla China y el Fuerte Ranikot en Pakistán. Sin embargo, perdió su lugar como acelerador de partículas más potente del mundo con la inauguración del LHC.
El LHC tiene forma de anillo y funciona haciendo circular algunos protones en el sentido de las agujas del reloj y otros en el sentido contrario a las agujas del reloj. Una vez que los protones alcanzan la velocidad deseada, se estrellan entre sí.
Para evitar que los protones choquen demasiado pronto, son mantenidos a lo largo de su trayectoria por superimanes increíblemente fuertes. Los superimanes, a su vez, funcionan mediante corrientes eléctricas masivas.
La corriente eléctrica necesaria se transmite a través de un cable eléctrico que, al transmitir tanta potencia, corre grave peligro de fundirse. Para mantener los cables fríos, el LHC utiliza helio líquido, enfriado a -456° F (-235,6° C).
A pesar de estas precauciones, incluso el más mínimo problema en el sistema puede hacer que el helio se caliente, lo que resulta en un «apagado». Esto ocurrió en los primeros días del colisionador, cuando seis toneladas de helio líquido se liberaron en el túnel de aceleración debido a una conexión eléctrica defectuosa.
Afortunadamente, nadie resultó herido.
Teniendo en cuenta todos los peligros y complejidades de un sistema de este tipo, ¿qué esperan ganar exactamente los científicos con la construcción de una máquina gigante para destruir átomos?
Al chocar partículas entre sí, los científicos esperaban encontrar pruebas de la existencia del bosón de Higgs.
¿Qué pasa cuando dos autos chocan? En el accidente, las piezas del coche (tornillos, fragmentos de vidrio, trozos de plástico) salen despedidas, dejando al descubierto material normalmente escondido debajo del chasis del coche.
Este ejemplo ilustra lo que buscan los científicos cuando chocan partículas en el LHC. La esperanza es que, en lugar de tornillos y fragmentos de vidrio, la colisión de dos protones pueda revelar un bosón de Higgs.
¿Pero cómo?
En este punto de nuestra historia, el bosón de Higgs existe sólo en teoría. Ningún científico había podido verificar su existencia todavía.
Lo que complica aún más la búsqueda del bosón de Higgs es su corta “vida útil”. Incluso si el LHC generara uno, sólo sobreviviría durante una diezmilmillonésima de billonésima de segundo, un tiempo demasiado corto para que los detectores pudieran detectarlo.
Por lo tanto, los científicos del LHC esperaban encontrar evidencia del bosón de Higgs buscando partículas que se desprenden a medida que el bosón de Higgs se desintegra.
Para ello, diseñaron dos grandes experimentos: uno llamado CMS y otro llamado ATLAS. Ambos experimentos buscaban evidencia del bosón de Higgs, pero incorporaron diferentes mecanismos de detección para minimizar la posibilidad de resultados sesgados basados en errores extraños.
Dentro de cada mecanismo de detección, los científicos crearon capas especializadas para centrarse en partículas específicas, con la esperanza de que algunas de esas partículas pudieran sugerir la presencia del esquivo bosón de Higgs.
La primera capa especializada se llama detector interno y registra la trayectoria de las partículas emergentes con la mayor precisión posible.
Las siguientes capas son dos calorímetros, encargados de medir la energía. El primero, el calorímetro electromagnético, es capaz de capturar fotones y electrones, mientras que el segundo, el calorímetro de hadrones, captura partículas más pesadas, como neutrones y quarks. La última capa, el detector de muones, captura muones.
Una vez que todo el equipo técnico estuvo construido y listo para funcionar, los científicos comenzaron el minucioso proceso de búsqueda del bosón de Higgs.
Los científicos del Gran Colisionador de Hadrones finalmente descubrieron el esquivo bosón de Higgs en 2012.
Una vez que el Gran Colisionador de Hadrones realizó estos experimentos innovadores, los científicos finalmente pudieron comenzar su búsqueda de evidencia del bosón de Higgs. Al principio no fue fácil.
Para verificar si el bosón de Higgs realmente había sido descubierto, los científicos primero tuvieron que examinar una gran cantidad de análisis estadísticos de los experimentos.
Para ello, examinaron los datos y se preguntaron: «¿Qué probabilidad hay de que todas las partículas que hemos detectado se hayan generado sin la desintegración del bosón de Higgs?»
Los científicos utilizaron un proceso llamado falsificación, en el que en realidad intentas refutar tu propia hipótesis. Esta es una parte fundamental del método científico y es muy superior a intentar probar algo afirmativamente.
Por ejemplo, imagina que solo has visto cisnes blancos. Si nunca ves un cisne que no sea blanco, la hipótesis de que «todos los cisnes son blancos» naturalmente te parecerá cierta.
Sin embargo, un día ves un cisne negro con tus propios ojos. Tu hipótesis ha sido refutada y ahora sabes con seguridad que no todos los cisnes son blancos.
En su búsqueda del bosón de Higgs, los científicos comenzaron con una hipótesis que podían refutar determinando qué partículas no fueron creadas por un bosón de Higgs en descomposición. Después de probar y analizar, finalmente se sintieron cómodos “refutando” su hipótesis y declarando la partícula encontrada.
Este descubrimiento había tardado en llegar. De hecho, ya en diciembre de 2011, los dos equipos del proyecto anunciaron que habían encontrado pruebas de la existencia del bosón de Higgs, pero los datos eran insuficientes para afirmar un descubrimiento real.
Después de años de pruebas, y más de 50 años después de que se teorizara por primera vez sobre el bosón de Higgs, los equipos del LHC finalmente tuvieron la evidencia que necesitaban para anunciar que el bosón de Higgs fue encontrado el 4 de julio de 2012.
Pero ahora nos queda una pregunta más complicada: ¿qué podemos hacer realmente con el descubrimiento del bosón de Higgs?
El descubrimiento del bosón de Higgs puede abrir nuevas puertas tanto en la ciencia como en la tecnología.
Quizás se pregunte: “¿Cuál fue el sentido de todo esto? ¿Por qué los científicos invirtieron tanto tiempo y dinero en buscar el bosón de Higgs?
Es importante destacar que el descubrimiento del bosón de Higgs puede ayudarnos a comprender mejor algunos de los misterios más profundos del universo.
Todas las partículas y fuerzas esbozadas en los apartados anteriores explican diferentes partes de lo que los físicos llaman el modelo estándar, que ayuda a dar cuenta de las interacciones en la “materia ordinaria” (leptones y quarks), así como en los bosones (las cuatro fuerzas fundamentales y el bosón de Higgs).
Sin embargo, cuando los científicos calculan la cantidad total de materia en el universo y la cantidad total de “materia ordinaria”, descubren que estas cifras difieren, lo que sugiere la existencia de otro tipo de materia: la materia oscura.
Una forma en que el bosón de Higgs podría ayudarnos a detectar la materia oscura es midiendo si se genera materia a medida que la partícula se desintegra. Sin embargo, los científicos primero necesitarían desarrollar instrumentos que pudieran detectar la materia oscura antes de poder realizar tales mediciones.
Es más, el descubrimiento del bosón de Higgs podría servir como base para una nueva tecnología. Si bien estas aplicaciones pueden no ser obvias al principio, la historia ha demostrado que, de hecho, serán relevantes.
Consideremos la teoría general de la relatividad de Einstein. Si bien no es inmediatamente obvia, su teoría es útil para la tecnología GPS que puedas tener en tu teléfono inteligente. Su teléfono se comunica con satélites en órbita y cronometrar estas señales ayuda a determinar su posición en tierra.
Sin embargo, para que esto funcione, primero hay que entender que los relojes en órbita funcionan un poquito más rápidos que los de la Tierra, un hecho que sabemos gracias a la teoría de Einstein.
¿Qué nos revelará el bosón de Higgs? Las innumerables posibilidades aún están por descubrir. Sólo el tiempo dirá.
Imagen: Una traza hipotética del bosón de Higgs en una colisión simulada de protón-protón (Wikipedia)