Puede parecer una pregunta sencilla. Al fin y al cabo, todos tenemos una
imagen de lo que es un electrón o un protón, e incluso hay una rama de
la física que se llama “física de partículas”. Pero la historia es mucho
más complicada.
En primer lugar, no podemos pensar en las partículas como “pelotitas”
diminutas. La mecánica cuántica nos dice que no podemos conocer a la vez
su posición y velocidad. Si añadimos la relatividad especial, el hecho
de que la masa es una forma de energía nos indica que las partículas, en
ciertas condiciones, se pueden crear o destruir.
La herramienta que usamos para entender las partículas es la teoría
cuántica de campos. Hemos añadido un nuevo ingrediente, los campos
cuánticos. Podemos imaginar un campo como la membrana de un tambor que
se extiende en las cuatro dimensiones del espaciotiempo. Un campo, al
igual que un tambor, puede oscilar en distintos modos de vibración. Al
ser cuántico, la amplitud de la oscilación no es arbitraria, sino que es
un múltiplo de una excitación elemental. Esta excitación elemental es
lo que se conoce como partícula, y los diferentes modos de oscilación
corresponden a propiedades como el momento o la polarización. Cada tipo
de partícula, como el electrón o el fotón, es laexcitación de un campo
diferente. Crear y destruir partículas es tan fácil como modificar la
forma en la que oscila el campo.
[Algunos modos de vibración de un tambor circular. Fuente: Wikipedia (en.wikipedia.org/wiki/Vibrations_of_a_circular_membrane)]
En un tambor, los modos de vibración dependen de la forma que tenga la
membrana. En teoría cuántica de campos esto causa cosas curiosas, como
el efecto Casimir. Al principio tenemos un campo eléctrico en el vacío,
es decir, con el estado de vibración que no tiene partículas. Ahora
metemos dos placas metálicas paralelas. Los modos de vibración entre las
placas cambian y aparecen partículas (fotones). El resultado es que
estos fotones hacen que las placas se atraigan entre sí.
[Placas del efecto Casimir. Fuente: Wikipedia (en.wikipedia.org/wiki/Casimir_effect)]
Vamos a complicar las cosas aún más y añadir un poco de relatividad
general. Esta teoría nos permite hacer cualquier cambio de coordenadas, y
eso incluye redefinir qué es el tiempo. Si cambiamos qué es el tiempo,
también cambiamos lo que son las oscilaciones, las partículas en
definitiva. Por ejemplo, una persona viajando por el vacío de forma
acelerada, usando el tiempo que marca su reloj, no ve un vacío sino un
montón de partículas. Las mismas que si estuviera mirando a un cuerpo
negro (como emite, aproximadamente, una estrella) con una temperatura
proporcional a su aceleración. Esto es el efecto Unruh.
Algo parecido al efecto Unruh sucede cerca de los agujeros negros.
Alguien alejado del agujero verá que éste emite unas partículas, la
famosa radiación de Hawking. Como consecuencia el agujero va perdiendo
masa, y al final se evapora. Los agujeros de menor masa tienen una
temperatura mayor, y por tanto emiten más partículas y se evaporan más
rápido. La radiación de Hawking es demasiado débil para poder ser
detectada desde la Tierra, pero se han construido modelos análogos con
ondas sonoras.
Todos estos fenómenos nos enseñan que el concepto de partícula no es
absoluto, sino que depende del observador y de muchas otras cosas.
Esta entrada fue publicada originalmente en Yabber, y participó en el concurso #YabberXDivúlgame
