Hace más de un siglo que la física comenzó a cuestionar la naturaleza corpuscular de la materia. El nacimiento de la física cuántica abrió nuevos horizontes científico-filosóficos con una novedosa visión de la materia. Cada intento por escudriñar el último rincón profundo de la materia para encontrar un último reducto corpuscular abre nuevas empresas que cuestionan la idea de partícula elemental. Actualmente los conceptos de la Teoría Cuántica de Campos se ordenan en una nueva interpretación de la materia con mayor énfasis en su naturaleza campal. El descubrimiento del quinto estado de la materia y otros fenómenos de macrocoherencia cuántica son evidencias empíricas de un comportamiento coordinado de la materia con importantes consecuencias para una futura neurología cuántica de la mente.
TENDENCIAS CIENTÍFICAS
La historia moderna de la física de partículas comienza a finales del siglo XIX cuando grandes físicos comienzan a romper la materia en pequeños laboratorios. Es la época del descubrimiento del electrón en Cambridge mientras J. J. Thomson trabajaba con rayos catódicos. La baja energía de estos rayos fueron suficiente para arrancar electrones de la prisión atómica. Desde que Dalton propusiera su teoría atómica para explicar las propiedades físico-químicas de los gases a comienzos del XVIII, el concepto de materia formada por entidades fundamentales indivisibles era bien parecido a la clásica idea de Demócrito en el siglo V a.C. Durante dos largos milenios la humanidad confió en una interpretación reduccionista y corpuscular de la materia. Con los trabajos de Thomson se abrió la veda a una sucesión de experimentos que refutaron la indivisibilidad del átomo. La historia empezó a cambiar.
La era nuclear de la primera mitad del siglo XXEl descubrimiento de la radiactividad sirvió de nueva fuente energética para bombardear la estructura atómica con partículas radiactivas de energía un millón de veces superior a la de los rayos catódicos. Esta energía fue suficiente para que Rutherford y Chadwick identificaran al protón y al neutrón en la prodigiosa década de los veinte. En el primer tercio del siglo XX el hombre alcanzó la frontera nuclear y descubrió que el átomo es un denso núcleo de protones y neutrones, protegido por una pantalla de electrones. Siendo el electrón la primera partícula atómica descubierta resulta comprensible por qué fue la electrodinámica la pionera teoría cuántica de campos. La segunda era de la física de partículas se propuso el reto de penetrar la esfera nuclear. Pero, ¿cómo conseguir la energía?
La mirada se puso en el cielo. Con frecuencia la Tierra es bombardeada por rayos cósmicos procedentes del espacio exterior. La energía media de estos rayos es suficiente para romper el núcleo atómico y poder observar su interior. Sin embargo, es imposible predecir el lugar y el momento exactos donde caerá un rayo cósmico. Fue en los años sesenta cuando la tecnología de los aceleradores de partículas consiguió controlar energías de alcance nuclear. El resultado fue el descubrimiento de dos nuevas interacciones físicas de mayor y menor intensidad que la electromagnética: la nuclear fuerte y la nuclear débil.
Bajo estas condiciones energéticas impuestas por los experimentadores el protón sufre una resonancia inexplicable para una partícula fundamental. Se descubrió que el protón no era una partícula elemental como a Demócrito le hubiese gustado. Cada protón está constituido por tres quarks ligados por interacción fuerte residual. Entre 1977 y 1996 se ha confirmado experimentalmente la existencia de seis tipos de quarks que, además de carga eléctrica, tienen carga electrodébil, de sabor y de color. El primero y último de ellos, los quarks b y t, se descubrieron en el Fermilab de Chicago.
Los aceleradores de partículas rompen la barrera nuclearCon energías aún mayores, en las profundidades subnucleares las partículas experimentan la interacción débil. De menor alcance e íntimamente relacionada con la electromagnética, la interacción débil causa las desintegraciones nucleares más fácilmente detectables, las desintegraciones beta de protones y neutrones. Fue Fermi quien dio nombre a una nueva partícula resultante de estas interacciones: el neutrino. Los neutrinos son exóticas partículas de masa despreciable, predichas por Pauli en los años treinta y descubiertas en 1956 por los nobel en física, Clyde Cowan y Frederick Reines.
El carácter fundamental de las partículas es un concepto histórico que depende de la energía máxima de los aceleradores del momento. A energías próximas a la de los modernos aceleradores, toda la materia ordinaria o fermiónica se compone de tres tipos de partículas: electrones, neutrinos y quarks. A diferencia de electrones y neutrinos, los quarks nunca se dejan ver solos, sino formando dúos o tríos. El protón es el producto resultante de la interacción de un quark d y dos u, densamente confinados por interacción fuerte. Los tres quarks del protón apenas suponen una millonésima parte del volumen del protón. El volumen efectivo del protón está lleno de un campo de energía de confinamiento.
Partículas mediadoras que producen campos físicos
El campo de energía mediador entre fermiones tiene una naturaleza física distinta bien descrita por un nuevo tipo de partícula denominado bosón. Todas las partículas interaccionan gravitatoria y débilmente, pero sólo los quarks experimentan la interacción fuerte. Las partículas fundamentales fermiónicas se ligan unas con otras a través del intercambio de otras partículas denominadas bosones mediadores. Cada tipo de estos bosones produce una de las cuatro interacciones fundamentales. Las partículas interaccionan al tener al menos una carga física susceptible a la presencia de algún mediador. Así, dos electrones interaccionan electromagnéticamente por sus cargas eléctricas cuando un fotón hace de mediador entre ellos. Del mismo modo los gluones son bosones con carga electrodébil y de color que aglutinan los quarks de los protones. A energía de un trillón de electronvoltios es posible alcanzar los escondrijos del núcleo atómico hasta sentir la presencia de las interacciones fuerte y débil que experimental los quarks en el núcleo profundo.
El alcance de las cuatro interacciones fundamentales depende de la masa de sus respectivos bosones. De acuerdo con el Principio de Heisenberg, cuanto mayor sea su energía en reposo, menor es el tiempo de vida media y, por tanto, pueden recorrer distancias menores, reduciéndose su alcance. Las interacciones de alcance ilimitado son la electromagnética y gravitatoria, mediadas respectivamente por el fotón y el hipotético gravitón, que carecen de masa. Los bosones débiles son realmente masivos. Por ello, la interacción débil queda limitada al interior del núcleo. Los mediadores sólo pueden conectar partículas a distancias típicas de la escala subnuclear. De igual manera, los gluones sólo hacen interaccionar a quarks que comparten el mismo recinto nuclear. A diferencia de los bosones débiles, los gluones carecen de masa, pero debido a interacciones entre ellos se forma una masa efectiva equivalente no nula que limita el alcance de la interacción. Podemos decir que el gluón desnudo de masa nula es revestido con una energía de interacción que lo dota de masa y, en consecuencia, la interacción fuerte se hace de corto alcance.
Un zoológico de partículas elementalesEl espectro de partículas es amplísimo. Por cada partícula elemental existe una compañera con cargas físicas opuestas. Son las partículas de antimateria que, al interaccionar con la materia ordinaria, se transforman en radiación electromagnética. Los bosones mediadores coinciden con su antipartícula salvo el bosón débil y fuerte. Al resto de las partículas fundamentales le corresponde una antipartícula distinta. Por ejemplo, el positrón es una partícula de antimateria con la misma masa y espín que el electrón, pero con carga eléctrica positiva. Igualmente existen antiquarks, con cargas eléctricas, de isoespín y color opuestas a la de los quarks: el compañero de antimateria de un quark con carga de color roja es un antiquark antirrojo. Un quark y su antiquark de color opuesto pueden formar estados ligados y originar mesones, sin carga de color: los piones, kaones, los mesones …
Un caso importante fue gypsy, un sistema quark-antiquark, cuyo estudio supuso importantes avances en cromodinámica cuántica. El último tipo de partículas elementales, los neutrinos también tiene su respectiva compañera de antimateria, aunque aún no está clara su verdadera naturaleza. Al ser una partícula neutra, el opuesto de su cargas coincide con el original y, por tanto, parece ser que neutrino y antineutrino coinciden (neutrinos de Majorana). De tener algún número cuántico que los diferenciara serían neutrinos de Dirac. El debate sigue su curso y tendrá importantes consecuencias en las nuevas teorías generalizadas de partículas.
Existen partículas que permanecen estables durante un brevísimo periodo de tiempo hasta desintegrarse por interacción fuerte en partículas más estables como protones, neutrones y piones. Son las partículas delta y sigma, que son resonancias bariónicas de mayor energía que las fundamentales. Es posible, incluso, que existan un número ilimitado de estas resonancias con mayor masa y espín. A energías mucho más elevadas que la de los modernos aceleradores no sería posible otorgar el calificativo de fundamental a los electrones, neutrinos y quarks frente a las resonancias. Por tanto, el atributo elemental de las partículas depende de la energía del entorno en cuestión.
El modelo estándar de partículas en el siglo XXEl conocimiento físico de la materia está recogido canónicamente en el denominado modelo estándar de las partículas elementales, a excepción del gravitón. La interacción gravitatoria no puede aún explicarse físicamente en el mismo marco que las otras tres. Esta limitación del modelo estándar exige y justifica una especulación físico-metafísica que trasciende la frontera científica (véase Penrose sienta las bases de una biofísica cuántica de la mente en Tendencias 21, 23 Febrero 2007) . La teoría cuántica de campos es la construcción científica más importante. Su potencia de predicción y su capacidad para desentrañar la realidad física microscópica están rigurosamente confirmadas por los resultados experimentales. Cualquier análisis de la materia requiere, por su potencial y precisión, partir de sus presupuestos teóricos. El modelo estándar es la teoría cuántica de campos de las partículas fundamentales. La teoría de campos unifica la teoría cuántica con la Relatividad especial de Einstein, el Principio de Heisenberg y el Principio de Causalidad. La teoría cuántica de campos explica el amplio espectro de partículas a partir de las doce partículas fundamentales y tres bosones mediadores.
La elementalidad de las partículas fundamentales depende de la energía. No es algo absoluto. A altísimas energías, la física de partículas no puede distinguir los elementos básicos de la materia. Todo es un energético dinamismo que hace emerger multitud de partículas denominadas resonancias. Incluso, en situaciones de menor energía, cuando las interacciones físicas determinan las partículas fundamentales por su mayor estabilidad, podemos seguir hablando de la naturaleza emergente de la materia desde un soporte básico primario. El protón no es la mera suma de tres quarks, pues su individualidad carece de sentido. Es, más bien, el todo surgido de una sinergia física que, a su vez, dota al protón de una cierta individualidad y propiedades físicas bien definidas. En su dinámica desde un soporte energético fundamental, la materia emergente evoluciona hacia estados de mayor definición física como consecuencia de sus interacciones cuánticas básicas. Se va adquiriendo una mayor individualidad sin anular definitivamente el potencial emergente de su verdadera ontología.
La emergencia de la materia en un fondo dinámico de energíaEl camino recorrido hacia la esencia ontológica de la materia conduce hasta un fondo energético pseudo-espaciotemporal dominado por el Principio de Incertidumbre. Al hablar de fondo de energía nos referimos al mar de energía planckiano de elevadísimas energías. No es una energía independiente, sino un campo de energía ligado con la materia fenoménica, tanto corpuscular como campal.
Esta energética actividad física recuerda a los fenómenos de fluctuaciones del vacío cuántico. Es precisamente esta física del vacío cuántico el límite fronterizo usado por David Bohm (véase La biofísica cuántica de la conciencia, explicada desde la teoría cuántica de David Bohm en Tendencias 21, 19 Marzo 2007) para distinguir entre su física y metafísica. El análisis físico de la materia desemboca finalmente en el estudio de las fluctuaciones de la energía de fondo. Las propiedades físicas de la materia son el producto resultante de las interacciones de esta energía. Cualquier partícula fundamental no es una entidad individual independiente de este fondo de energía. No es tanto una individualidad cuanto el producto de una necesaria coexistencia. Por ello, los físicos de partículas niegan que la masa de una partícula libre sea un observable. Carece de sentido físico porque cualquier partícula está siempre en interacción. Por tanto, al referirse a la masa de una partícula se entiende la masa efectiva que resulta bajo la acción del entorno energético. Las partículas son concentraciones locales del fondo de energía revestidas de fluctuaciones. Dejan de asemejarse a las inmutables esferas de Parménides-Demócrito y se comprenden hoy como campos localizados de energía.
Las propiedades físicas están, pues, íntimamente ligadas con el entorno. La física de partículas no concibe partículas desnudas independientes como si tratara de pequeños corpúsculos indivisibles. Las partículas, cuya naturaleza física fundamental es siempre relativa, son objetos materiales revestidos o apantallados por la actividad del vacío. En síntesis, podemos concluir que cada partícula es más un todo a través de su ligazón a una ontología capaz de hacer emerger materia, que un mero constituyente. La materia es en sí misma más interacción que individualidad, aunque la materia pueda gozar de una relativa independencia a través de estructuras más complejas surgidas en este orden físico holístico.
Comportamiento cuántico coherente de la materiaEl desarrollo tecnológico va corroborando las ideas físicas sobre la materia. Sistemas artificiales, en las condiciones físicas adecuadas, presentan un comportamiento cuántico inexplicable desde el conjunto de leyes clásicas. El estudio de estos sistemas cuántico-tecnológicos pone de manifiesto las propiedades físicas coherentes de la naturaleza cuántica subyacente. La materia se estructura de tal forma que los resultados macroscópicos se agrupan en estados discretos. Todo el vasto conjunto de electrones se agrupa de tal forma, que el material sólo adquiere valores bien definidos a partir de la constante de Planck. El efecto Josephson muestra cómo es posible mantener la coherencia cuántica de un sistema incluso cuando es escindido en dos por una barrera de potencial. Este efecto resulta especialmente importante por su sensibilidad de adaptación a la radiación electromagnética del medio.
La materia presenta unas propiedades físicas especiales cuando su dinámica está regida por fluctuaciones del fondo de energía. Un sistema físico guiado por esta dinámica desde un estado crítico puede producir estados de macrocoherencia cuántica en condiciones ambientales extremadamente adversas. Es de notar la relevancia de estas transiciones en sistemas unidimensionales y sus repercusiones en el carácter emergente de la naturaleza campal de la materia.
Fenómenos cuánticos macroscópicos de coherencia cuánticaLos condensados Bose-Einstein son el quinto estado físico de la materia donde se alcanzan niveles elevados de coherencia cuántica y la materia presenta un comportamiento más campal. Resultan especialmente importante los resultados obtenidos en condensados generados a partir de redes ópticas. La interacción de los bosones con la radiación electromagnética permite la existencia de oscilaciones de coherencia cuántica. Los condensados ópticos sufren transiciones reversibles BEC-Mott entre estados coherentes y no coherentes, de tal manera que el sistema oscila entre estados de naturaleza campal y corpuscular. Se hace, pues, manifiesto el doble comportamiento complementario de una misma unidad material, regulada últimamente por el fondo de energías.
Junto a los condensados Bose-Einstein los fenómenos de superconductividad y superfluidez son dos ejemplos paradigmáticos de experimentos que muestran la unidad física coherente de la materia bajo ciertas condiciones técnicas. En ambos casos, la materia presenta una coherencia cuántica para un número macroscópico de partículas clásicas, que dotan al sistema cuántico de una integridad intrínseca con relativa autonomía frente al medio. Más allá de las condiciones físicas ideales para mantener estos agregados cuánticos macroscópicos, en una fase de transición cuántico-clásica, los sistemas coherentes reaccionan positivamente a las perturbaciones externas, generando estructuras físicas (vórtices) que logran mantener la unidad coherente macroscópica. La materia deja de seguir patrones de interacciones corpusculares y se comporta como un todo unitario donde no es posible diferenciar componentes elementales. Nos referimos a los estados macroscópicos de coherencia cuántica.
La naturaleza campal de la materiaEl carácter emergentista de los fenómenos físicos apoya una naturaleza ontológica dinámica de la materia que conforma el universo. Los fenómenos macroscópicos de coherencia cuántica revelan a nivel experimental las propiedades fundamentales de la materia como sustrato ontológico capaz de dirimir la relativa individualidad de sus componentes para enlazar coherentemente nuevas realidades campales con un dinamismo unitario. La dimensión campal holista de la materia permite conexiones que conforman un entramado cuánticamente interconectado capaz de realizar instantáneamente complicados procesos. Estos fenómenos cuánticos, junto a la incesante actividad física del fondo de energía nos presentan una naturaleza física de la materia con propiedades emergentes.
Supuesta esta ontología física emergente, resulta natural explicar el origen y evolución del universo como un producto de este substrato metafísico que se hace explícito a través de procesos cuánticos consolidados en el régimen clásico de la experiencia. Las estructuras físicas, los seres vivos, el psiquismo animal y la conciencia son productos que últimamente emergen de esta ontología dinámica. La incesante actividad de esta realidad subyacente dinamiza todo el proceso evolutivo del cosmos, generando estructuras clásicas más complejas y estables, capaces de resonar las propiedades cuánticas de su naturaleza material, tal y como los fenómenos cuánticos macroscópicos mantienen sus propiedades cuánticas a nivel de experimentación.
Materia y conciencia
Análogamente, las propiedades psíquicas de los animales superiores o la formación de sofisticados estados conscientes en el hombre son productos resultantes de la evolución cósmica de estructuras materiales. Las estructuras psíquicas son resonadores más finos capaces de explicitar las propiedades psíquicas de la ontología material. No sólo canalizan la actividad física de la materia, como durante miles de millones de años hizo el universo físico, sino que activan la dimensión psíquica de la materia. En este sentido, la actual neurología propone una coordinación entre las regiones del cerebro más primitivo (físico) y del moderno neocórtex, más susceptible al comportamiento psíquico.
Una explicación científica, coherente con el esquema evolutivo del cosmos, debe centrarse en el paradigma emergentista para poder explicar todas las propiedades psíquicas de los animales superiores, irreducibles a meras conexiones de corte mecano-clásico. Así, sobre aún leves pero prometedores resultados neurológicos experimentales, la neurología cuántica tantea la posibilidad de comprender cuánticamente el cerebro, en la línea vanguardista de los modelos de Bohm y Penrose. La física de microtúbulos y las sinapsis cuánticas (uniones gap) ofrecen nuevas posibilidades para entender el enigma de la conciencia.
