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Premio Nobel de Física 1999
El premio Nobel para Física de 1999 fue otorgado a Gerardus 't Hooft de la Universidad de Utrecht (Holanda) y a Martinus Veltman originario de la Universidad de Michigan y actualmente retirado. El trabajo por el cual fueron galardonados está dirigido a la obtención de un sistema unificado de todas las fuerzas físicas.
El sentido cotidiano de "fuerza" corresponde a un concepto muy intuitivo y diferente de aquel mucho más elaborado usado en Física. En el afán de buscar las teorías más simples, los físicos han buscado por años obtener teorías que requieran de pocos principios y leyes. La simpleza buscada encuentra su mejor expresión en el estudio de las fuerzas presentes en la naturaleza, las que adquieren diferente importancia a diferentes escalas. A escala humana estamos acostumbrados a sentir las fuerzas eléctricas, magnéticas y de gravitación. Los ejemplos son miles, es cuestión sólo de mirar la pantalla de su computador sobre la mesa. Sin embargo, a escalas menores, donde el ser humano se reduce a un enmarañado de partículas elementales, las fuerzas que cobran importancia se denominan fuerzas nucleares y están en el dominio de la mecánica cuántica. Por otro lado, a escalas mucho mayores (planetas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc.) es la fuerza gravitacional la que tiene superioridad por sobre las otras. Se busca entonces el ideal de teoría, aquella en que todas estas fuerzas son explicadas por un sólo modelo. Un ejemplo que cumple en parte con este objetivo es la demostración hecha por Clerk Maxwell de que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de una única fuerza electromagnética. En efecto, una partícula con carga en movimiento genera un campo magnético y las leyes que gobiernan dicho comportamiento se resumen en las leyes de Maxwell.
Naturalemente, esta búsqueda de unificación se ha encontrado con varios obstáculos a lo largo del camino. Por ejemplo, la mecánica cuántica ya fue combinada con la relatividad especial, resultando en la teoría de campo cuántica que, a pesar de explicar exitosamente varios fenómenos (por ejemplo, creación y aniquilación de partículas y decaimiento de partículas inestables), también predice que ciertas interacciones tienen una probabilidad infinitamente grande de acontecer. Esto último podríamos visualizarlo a través del ejemplo de la atracción gravitacional entre 2 electrones, si los definimos como objetos sin tamaño, de manera que podrían en principio acercarse tanto que la gravitación se haría infinita, algo que escapa de la capacidad analítica de cualquier modelo. Sin embargo, problemas como éste fueron solucionados con la teoría de electrodinámica cuántica (QED) de Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga. Para ello fue necesario definir la masa y la carga de un electrón a través de un proceso llamado de renormalización, usando el concepto de fuerza como consecuencia de simetrías intrínsecas del sistema (teorías de gauge).
Despues de la QED surgió otra teoría, la teoría del modelo electrodébil, que consiguió asimilar en un sólo modelo las fuerzas electromagnéticas y las fuerzas nucleares débiles. Sin embargo, esta última teoría estaba incompleta hasta que 't Hooft y Veltman definieron una renormalización comparable a la de Feynman. Para ello, estos investigadores se centraron en el estudio de similitudes y simetrías intrínsecas entre fenómenos aparentemente diferentes, y consiguieron formular un lenguaje matemático complejo pero elegante. Este lenguaje trabaja con campos cuánticos invariantes bajo transformación, donde los campos representan el paradero de las partículas, y lo interesante es conocer los efectos después de aplicar dos transformaciones. En ese caso, se definen dos tipos de teorías dependiendo de si el orden de aplicar una transformación primero y después la otra no hace diferencia (teoría abeliana, como la QED) o si existe diferencia al hacerlo (teoría no-abeliana). La teoría electrodébil corresponde a una teoría no-abeliana, de manera que al resolver el problema matemático se resolvió un problema teórico de la física de una dificultad enorme. Sin embargo, un factor esencial dentro de la teoría fue la existencia de la partícula llamada boson Higgs, que junto a la herramienta teórica dada por Veltman y 't Hooft permitió a los físicos estimar con mayor confiabilidad las masas de los bosones W y Z (transportadores de fuerzas nucleares débiles), y también como estimar en primera aproximación la probable masa del quark Top. Afortunadamente, las partículas W, Z y el quark Top fueron subsecuentemente creadas y detectadas en experimentos de colisiones a altas energías, y el boson Higgs es ahora por sí solo un importante objeto de investigacion en lugares como el Tevatron del Fermilab y el Colisionador Large Hadron del CERN, bajo construcción en Génova.
Lectura recomendada
T Hooft (Junio 1980). Scientific American, artículo excelente sobre teorías de gauge en general.
Veltman (November 1986), Scientific American sobre bosones Higgs.
Más informaciones sobre el premio Nobel de Física se puede encontrar directamente en el sitio web de la Academia Sueca: http://www.nobel.se/announcement-99/physics99.html
Amelia C. Ramirez R.