Jlópov M.Iú. Cosmomicrofísica №06

Índice

Introducción

La "cosmomicrofísica" es una nueva ciencia que estudia las bases del micromundo y del macromundo y su interacción fundamental, la cual se manifiesta en una combinación compleja de efectos microfísicos, astrofísicos y cosmológicos. El surgimiento de esta ciencia constituye una etapa natural del desarrollo de la cosmología y la física de las partículas elementales, ciencias que en sus construcciones teóricas y en toda una serie de postulados fundamentales se ven obligadas a apoyarse en nociones, procesos y fenómenos inaccesibles a la comprobación directa en laboratorios. Esta circunstancia obliga a utilizar métodos indirectos de investigación, incluyendo los métodos astronómicos.

La barrera más seria en la asimilación de la cosmomicrofísica es la barrera psicológica. El objeto de estudio de esta ciencia es doblemente exótico. De la física de las partículas elementales le interesan los procesos de interacción aún desconocidos, mientras que de la astronomía le interesan los fenómenos raros o las interpretaciones nuevas de hechos ya conocidos. Como todo exotismo, éste atrae y excita la imaginación, pero a la vez es percibido como algo extraño, precisamente como un exotismo: deslumbrante, llamativo, hermoso, pero que en el intelecto y el corazón sólo despierta una ligera excitación. Tampoco entra en el marco de los estereotipos establecidos la otra característica de la cosmomicrofísica: la ausencia de experimentos directos para la comprobación de sus concepciones, y la necesidad de combinar diversos métodos experimentales y observacionales para dicha comprobación.

La lógica habitual del desarrollo de las ciencias, es decir, la espera de una confirmación experimental de cada nueva hipótesis teórica, parece fallar aquí, pues las hipótesis de la cosmomicrofísica se refieren a procesos que transcurren en el mundo de las partículas elementales y que son inaccesibles al estudio de laboratorio, y a las etapas de la evolución del Universo que no pueden ser registradas directamente por las observaciones astronómicas.

A pesar de todo, ambas barreras son superables. Los conceptos insólitos se asimilan rápidamente y se hacen habituales y necesarios, y sólo a primera vista el método de comprobación de estos conceptos se diferencia de los métodos ya aprobados de investigación de laboratorio.

Nacida sobre la base de las ideas de la gran síntesis de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, la cosmomicrofísica conjuga obligatoriamente en sus construcciones el análisis con la síntesis. En esto consiste su especificidad o, posiblemente, lo específico de su actualidad.

La cosmomicrofísica es el resultado lógico del desarrollo interno de la física de las partículas elementales y de la cosmología. La aparición de esta ciencia se debe a la unión de dos tendencias: el desarrollo de la teoría de las partículas elementales, cuyas manifestaciones no triviales se revelan sólo en los procesos que ocurren a energías superaltas, y el surgimiento de las ideas sobre nuevas formas de la materia, las cuales son necesarias para una descripción autoconsistente del conjunto de fenómenos observados en el Universo. La comprensión clara de la relación existente entre el problema de la determinación de la estructura del micromundo y el problema de la argumentación de la estructura del macromundo, elevó al análisis conjunto del micromundo y el macromundo a un nuevo nivel, donde estos problemas se unen formando una nueva calidad. En la cosmomicrofísica, la estructura del micromundo es sonorizada por la armonía de las esferas celestes.

La relación entre las nociones del micromundo y del macromundo se puede observar en todas las etapas del desarrollo de éstas. Durante mucho tiempo, las opiniones sobre el Universo y su origen, formando un todo único, fueron puramente especulativas. La fuente de tales opiniones eran las observaciones y las conclusiones basadas en estas últimas.

Después aparecieron los aparatos ópticos, los cuales equiparon los ojos del observador. Es interesante que el descenso a las profundidades de los fenómenos con ayuda del microscopio y la ampliación de la visión del mundo con ayuda del telescopio, se basan en un mismo principio físico. Es probable que no sea casual que en los orígenes de los experimentos físicos y de la astronomía óptica se encuentre un mismo científico: Galileo Galilei. Desde entonces, la astronomía óptica y la física experimental se comenzaron a desarrollar independientemente, revelando cada una de ellas sus especificidades.

A la astronomía se le concedía sólo la posibilidad de observar atentamente las manifestaciones exteriores de los objetos extraterrestres, cuyas entrañas se esconden a nuestros ojos, y observar los resultados de los procesos, cuyas causas y desarrollo no están sujetos a control. En cambio, en los experimentos físicos se pueden dividir los objetos de investigación hasta llegar a su esencia, se pueden variar las condiciones iniciales y controlar la marcha de los procesos. Por eso no debe causar asombro que en la interrelación de la astronomía y la física se le haya prestado una mayor atención al desarrollo de la última, lo cual ha determinado el progreso de la astronomía y el grado de interpretación de los resultados astronómicos.

Así, el estudio físico de la estructura de los átomos y de los espectros de radiación equipó a la astronomía con las herramientas del análisis espectral. Las leyes físicas de interacción de la materia y la radiación constituyeron la base para la comprensión de las leyes que rigen la radiación de las estrellas, y el desarrollo de la física nuclear descubrió ante los astrónomos las fuentes de energía de esta radiación. Los gestos de agradecimiento de la astrofísica hacia la física se pueden contar con los dedos de las manos. Entre éstos se encuentra el descubrimiento del helio a partir de las líneas de emisión del Sol y la existencia de un nivel de excitación en el carbono, pronosticado teóricamente para la explicación de la combustión termonuclear del helio en las estrellas. Parecía que la astrofísica estaba condenada a la sola asimilación de las leyes físicas confirmadas completamente en los laboratorios, a desempeñar el papel de una especie de polígono que refracta los efectos ya conocidos mediante combinaciones extravagantes de condiciones extraterrestres, las cuales deben ser sometidas a estudio.

Sin embargo, en los años 20 del siglo XX, ante la visión intelectual de Fridman se abrió un Universo no-estacionario, cuya variabilidad fue confirmada posteriormente por las observaciones de Hubble. En lugar del Universo eterno e invariable surgió el cuadro de un Universo que lleva expandiéndose un tiempo finito, desde la fase superdensa hasta el estado actual.

De este modo, la astronomía ofreció a la física un acelerador natural, cuyas escalas e importancia comienzan a ser comprendidas por la física del micromundo solamente en la actualidad. La creación de la teoría del Universo no-estacionario adelantó casi en un decenio al paso revolucionario dado en los años 30 del siglo XX en el campo de las partículas elementales.

La salida a los problemas atormentadores relacionados con la conservación de la energía y el momento en la desintegración beta, con la "catástrofe del nitrógeno" y con el misterio de la estructura del núcleo, la física del micromundo la halló en la renuncia a las ideas sobre partículas eternas e invariables, y en el paso a las ideas de su posible creación y aniquilación durante los procesos de interacción. Otra de las lecciones de los años 30 fue que el número de partículas elementales en la naturaleza resultó ser mucho mayor que el requerido por el cuadro simple y económico de la estructura de la materia.

Las revoluciones en la física de las partículas elementales y en la cosmología –la ciencia del Universo como un todo– ocurrieron en un mismo decenio, y aunque ellas abarcaban ramas de la ciencia que en aquel entonces no se cruzaban, la cercanía temporal de estos dos sucesos no es casual. La concienciación del carácter no-estacionario del Universo preparó psicológicamente para el cambio de las nociones sobre las propiedades de las micropartículas: en un Universo que cambia radicalmente su estado en un tiempo finito, no hay lugar para partículas eternas e invariables. De aquí proviene el cambio de enfoque de los fundamentos de la física, es decir, de las leyes de conservación e interacción de las partículas elementales.

Así, la conservación de la carga eléctrica dejó de ser una simple consecuencia de la conservación de partículas eléctricamente cargadas indestructibles, para convertirse en una regla nada trivial que determinaba el balance local riguroso de aniquilación y creación de partículas cargadas. Cambió también la noción de carga como medida de la interacción electromagnética: de una característica innata de las partículas eternas e invariables, pasó a ser una característica de una ley de transformaciones durante la cual la aniquilación de una partícula cargada inicial y la creación de otra partícula cargada final van acompañadas de la creación o la aniquilación de un cuanto electromagnético.

Este cambio de concepciones contenía un vasto espacio para las generalizaciones. De un modo análogo se podían describir las leyes de transformaciones nucleares bajo la acción de las interacciones fuerte y débil. En tales transformaciones, la aniquilación y creación de partículas van acompañadas de la creación y absorción de los cuantos del campo de las interacciones fuerte o débil.

El paso lógico hacia la descripción uniforme de todas las interacciones fundamentales pudo haberse dado en los años 30 del siglo XX, sin embargo, para ello fue necesario medio siglo. La dificultad en el camino de la construcción de un cuadro unificado de todas las interacciones estaba relacionada con la necesidad de hacer coincidir la semejanza en la descripción de las interacciones con la variedad de propiedades observadas de estas interacciones. Era necesario explicar por qué la interacción débil se manifiesta sólo a distancias cortas, la transformación de cuáles partículas provoca la interacción fuerte, y con cuáles cargas interaccionan los cuantos de su campo.

Las respuestas a éstas y otras preguntas forman parte de la base de la teoría moderna de las interacciones electromagnética, débil y fuerte, la cual se apoya en la simetría de las transformaciones de las partículas y explica las diferencias visibles de sus propiedades mediante la violación de dicha simetría. Ampliando la simetría, se podía pasar de la uniformidad en la descripción de las distintas interacciones a su unidad fundamental. Pero este paso, justificado inicialmente por la esperanza de una confirmación experimental de la desintegración del protón y por el enlace rígido (correspondiente a los datos experimentales) de las cargas de las interacciones débil y electromagnética, significaba un salto de la teoría a la región de las energías superaltas, inaccesibles al estudio experimental directo.

Con este paso la teoría perdía el apoyo directo de la física experimental de las altas energías. La teoría tenía que pasar de la habitual comprobación experimental directa de sus predicciones, al análisis de la combinación de manifestaciones indirectas de sus construcciones fundamentales. Ante el mundo de la física de las altas energías, la cual hasta entonces se había apoyado en sus propias posibilidades experimentales, se abrieron todos los métodos indirectos accesibles de investigación de los fenómenos hipotéticos, cuyo estudio experimental directo es imposible. En este contexto, la relación entre la física del micromundo y la cosmología adquiere un valor especial y se convierte en un apoyo indispensable del desarrollo de la teoría del micromundo.

También para el desarrollo de la cosmología moderna esta interrelación crece hasta convertirse en una base indispensable. Originariamente, la teoría del Universo en expansión se desarrollaba de modo relativamente independiente. El descubrimiento en 1965 del fondo cósmico de radiación electromagnética confirmó el llamado modelo del Universo caliente en expansión, propuesto por G.Gámov. La temperatura actual de esta radiación es pequeña 3 K; también es pequeña la densidad de su energía en comparación con la densidad de la energía de reposo de los átomos. Pero dirigiendo hacia el pasado la conocida ley de expansión, llegaremos a un cuadro del estado de la materia no sólo denso, sino también caliente, con densidad predominante de la energía de radiación.

Las estimaciones simples muestran que en el Universo temprano, la materia y la radiación se encontraban en equilibrio termodinámico. La unión de la ley de expansión del Universo con las leyes de la termodinámica permitió obtener un cuadro lógico cerrado de la evolución cosmológica de la materia y la radiación, en el cual las partículas elementales descubiertas por la física de las altas energías aportaban solamente pequeñas correcciones cuantitativas. Este cuadro de transformación del plasma caliente con predominio de la radiación en la actual estructura heterogénea de la materia, calada por la radiación de fondo cósmica homogénea, es confirmada cualitativamente por los datos de las observaciones astronómicas.

Sin embargo, este cuadro cualitativa e interiormente autoconsistente, exigía determinadas condiciones iniciales con temperaturas y densidades muy altas en las etapas tempranas de la expansión del Universo, sobre las cuales no existe información observacional alguna. Para la argumentación de estas condiciones iniciales, la cosmología tenía que dirigirse a predicciones de la teoría de las partículas elementales que eran inaccesibles a la comprobación en laboratorios.

Precisamente sobre la base de estas nociones de la física del micromundo, no comprobadas a nivel de laboratorio, la cosmología moderna logró fundamentar las causas de la expansión y la notable homogeneidad de la parte observable del Universo, crear la teoría del Universo inflacionario, explicar su asimetría bariónica y la naturaleza de las pequeñas heterogeneidades iniciales, cuyo desarrollo condujo a la formación de la actual estructura a gran escala del Universo, y también hacer concordar cuantitativamente la formación de esta estructura con la isotropía observada de la radiación de fondo cósmica.

Estos éxitos de la cosmología moderna fueron logrados a costa de la introducción de formas hipotéticas de la materia en la teoría, las cuales determinaron la masa oscura del Universo en las distintas etapas de su evolución. De este modo, los fundamentos de la cosmología moderna, inaccesibles a la comprobación directa mediante observaciones astronómicas, se fusionan con los fundamentos de la teoría moderna del micromundo, inaccesibles al experimento directo.

Mientras la física del micromundo se limitó al estudio de algunas transformaciones de las partículas elementales conocidas, parecía innecesario considerar en las construcciones teóricas al mundo como un todo. Por otra parte, el conocimiento de las leyes de la evolución general del Universo tampoco tiene, a primera vista, mucho en común con las ideas detalladas sobre los procesos en los que intervienen las partículas elementales.

Sin embargo, prestando atención a los fundamentos y la simetría del micromundo y a las condiciones iniciales de la expansión del Universo, descubrimos una relación inquebrantable entre la física de las partículas elementales y la cosmología. El fundamento del micromundo y del macromundo resulta ser uno solo. El estudio de este fundamento único en toda la diversidad de sus manifestaciones es, precisamente, el objeto de la cosmomicrofísica.

En el camino hacia una descripción unificada de la estructura del micro y del macromundo, la cosmomicrofísica combina de modo natural las investigaciones teóricas, los experimentos numéricos y todos los métodos posibles de obtención de información indirecta en los experimentos de laboratorio y en las observaciones astronómicas. Estos elementos integrantes de la cosmomicrofísica poseen sus especificidades, a cuyo análisis pasaremos a continuación.