En comparación con los misterios sin resolver del universo, mucho menos se dice sobre uno de los hechos más profundos que se han cristalizado en la física en el último medio siglo: En un grado sorprendente, la naturaleza es como es porque no podría ser diferente. «No hay libertad en las leyes de la física que tenemos», dijo Daniel Baumann, físico teórico de la Universidad de Ámsterdam.

Desde la década de 1960, y cada vez más en la última década, físicos como Baumann han utilizado una técnica conocida como el «bootstrap» para inferir cuáles deben ser las leyes de la naturaleza. Este enfoque asume que las leyes esencialmente se dictan unas a otras a través de su coherencia mutua, que la naturaleza «se levanta por sus propios medios».»La idea resulta explicar una gran cantidad sobre el universo.

Al arrancar, los físicos determinan cómo pueden comportarse consistentemente las partículas elementales con diferentes cantidades de «espín» o momento angular intrínseco. Al hacer esto, redescubren la forma básica de las fuerzas conocidas que dan forma al universo. Lo más sorprendente es el caso de una partícula con dos unidades de espín: Como demostró el premio Nobel Steven Weinberg en 1964, la existencia de una partícula de espín-2 conduce inevitablemente a la relatividad general, la teoría de la gravedad de Albert Einstein. Einstein llegó a la relatividad general a través de pensamientos abstractos sobre ascensores caídos y espacio y tiempo deformados, pero la teoría también se desprende directamente del comportamiento matemáticamente consistente de una partícula fundamental.

«Encuentro que esta inevitabilidad de la gravedad es uno de los hechos más profundos e inspiradores sobre la naturaleza», dijo Laurentiu Rodina, físico teórico del Instituto de Física Teórica del CEA Saclay que ayudó a modernizar y generalizar la prueba de Weinberg en 2014. «Es decir, que la naturaleza es sobre todo autoconsistente.»

Cómo funciona el Bootstrapping

El espín de una partícula refleja sus simetrías subyacentes, o las formas en que se puede transformar que la dejan sin cambios. Una partícula spin-1, por ejemplo, regresa al mismo estado después de ser girada por un giro completo. Una partícula spin-latex latex \frac{1}{2} must debe completar dos rotaciones completas para volver al mismo estado, mientras que una partícula spin-2 se ve idéntica después de solo media vuelta. Las partículas elementales solo pueden llevar 0, latex latex \frac{1}{2}$, 1, $látex \frac{3} {2} or o 2 unidades de giro.

Para averiguar qué comportamiento es posible para las partículas de un espín dado, los bootstrappers consideran interacciones de partículas simples,como dos partículas que aniquilan y producen una tercera. Los giros de las partículas imponen restricciones a estas interacciones. Una interacción de partículas spin-2, por ejemplo, debe permanecer igual cuando todas las partículas participantes giran 180 grados, ya que son simétricas bajo tal media vuelta.

Las interacciones deben obedecer algunas otras reglas básicas: El momento debe conservarse; las interacciones deben respetar la localidad, que dicta que las partículas se dispersan al encontrarse en el espacio y el tiempo; y las probabilidades de todos los resultados posibles deben sumar 1, un principio conocido como unidad. Estas condiciones de consistencia se traducen en ecuaciones algebraicas que las interacciones de partículas deben satisfacer. Si la ecuación correspondiente a una interacción particular tiene soluciones, entonces estas soluciones tienden a realizarse en la naturaleza.

Por ejemplo, considere el caso del fotón, la partícula de luz spin-1 sin masa y el electromagnetismo. Para tal partícula, la ecuación que describe las interacciones de cuatro partículas, donde dos partículas entran y dos salen, tal vez después de chocar y dispersarse, no tiene soluciones viables. Por lo tanto, los fotones no interactúan de esta manera. «Esta es la razón por la que las ondas de luz no se dispersan entre sí y podemos ver a distancias macroscópicas», explicó Baumann. El fotón puede participar en interacciones que involucran otros tipos de partículas, sin embargo, como los electrones de látex de espín \frac{1}{2}$. Estas restricciones en las interacciones del fotón conducen a las ecuaciones de Maxwell, la teoría del electromagnetismo de 154 años de antigüedad.

O tomar gluones, partículas que transmiten la fuerte fuerza que une los núcleos atómicos. Los gluones también son partículas de espín-1 sin masa, pero representan el caso en el que hay varios tipos de la misma partícula de espín-1 sin masa. A diferencia del fotón, los gluones pueden satisfacer la ecuación de interacción de cuatro partículas, lo que significa que interactúan entre sí. Las restricciones en estas auto-interacciones de gluones coinciden con la descripción dada por la cromodinámica cuántica, la teoría de la fuerza fuerte.

Un tercer escenario involucra partículas de espín-1 que tienen masa. La masa surgió cuando se rompió una simetría durante el nacimiento del universo: una constante, el valor del omnipresente campo de Higgs, se desplazó espontáneamente de cero a un número positivo, impregnando de masa a muchas partículas. La ruptura de la simetría de Higgs creó partículas masivas de espín-1 llamadas bosones W y Z, los portadores de la fuerza débil que es responsable de la desintegración radiactiva.

Entonces» para spin-2, sucede un milagro», dijo Adam Falkowski, físico teórico del Laboratorio de Física Teórica en Orsay, Francia. En este caso, la solución a la ecuación de interacción de cuatro partículas al principio parece estar acosada por infinitos. Pero los físicos encuentran que esta interacción puede proceder de tres maneras diferentes, y que los términos matemáticos relacionados con las tres opciones diferentes conspiran perfectamente para cancelar los infinitos, lo que permite una solución.

Esa solución es el gravitón: una partícula espín-2 que se acopla a sí misma y a todas las demás partículas con la misma fuerza. Esta imparcialidad conduce directamente al principio central de la relatividad general: el principio de equivalencia, el postulado de Einstein de que la gravedad es indistinguible de la aceleración a través del espacio-tiempo curvado,y que la masa gravitacional y la masa intrínseca son una y la misma. Falkowski dijo sobre el enfoque bootstrap: «Encuentro este razonamiento mucho más convincente que el abstracto de Einstein.»

Por lo tanto, al pensar a través de las restricciones impuestas a las interacciones de partículas fundamentales por simetrías básicas, los físicos pueden comprender la existencia de las fuerzas fuertes y débiles que dan forma a los átomos, y las fuerzas del electromagnetismo y la gravedad que esculpen el universo en general.

Además, los bootstrappers encuentran que son posibles muchas partículas spin-0 diferentes. El único ejemplo conocido es el bosón de Higgs, la partícula asociada con el campo de Higgs que rompe simetría y que impregna de masa a otras partículas. Una hipotética partícula spin-0 llamada inflaton puede haber impulsado la expansión inicial del universo. La falta de momento angular de estas partículas significa que menos simetrías restringen sus interacciones. Debido a esto, los bootstrapers pueden inferir menos sobre las leyes que rigen la naturaleza, y la naturaleza en sí tiene más licencia creativa.

Spin-latex latex \frac{1}{2} particles las partículas de materia también tienen más libertad. Estas forman la familia de partículas masivas que llamamos materia, y se diferencian individualmente por sus masas y acoplamientos a las diversas fuerzas. Nuestro universo contiene, por ejemplo, látex de espín \frac{1}{2} quar quarks que interactúan con gluones y fotones, y látex de espín \frac{1}{2} neutr neutrinos que interactúan con ninguno de los dos.

El espectro de espín se detiene en 2 porque los infinitos en la ecuación de interacción de cuatro partículas matan todas las partículas sin masa que tienen valores de espín más altos. Los estados de espín superior pueden existir si son extremadamente masivos, y tales partículas juegan un papel en las teorías cuánticas de la gravedad, como la teoría de cuerdas. Pero las partículas de mayor espín no se pueden detectar, y no pueden afectar el mundo macroscópico.

País sin descubrir

Spin-latex latex \ frac{3}{2} particles las partículas podrían completar el 0, latex latex \frac{1}{2}$, 1, $latex \frac{3}{2}$, patrón 2, pero solo si la «supersimetría» es verdadera en el universo, es decir, si cada partícula de fuerza con espín entero tiene una partícula de materia correspondiente con espín medio entero. En los últimos años, los experimentos han descartado muchas de las versiones más simples de la supersimetría. Pero la brecha en el espectro de espín golpea a algunos físicos como una razón para mantener la esperanza de que la supersimetría es verdadera y que existen partículas de látex de espín \frac{3}{2}.

En su trabajo, Baumann aplica el bootstrap al principio del universo. Un artículo reciente de Cuantos describió cómo él y otros físicos usaron simetrías y otros principios para restringir las posibilidades para esos primeros momentos.

Es «simplemente estéticamente agradable», dijo Baumann, » que las leyes son inevitables, que hay algo de inevitabilidad de las leyes de la física que se puede resumir en un pequeño puñado de principios que luego conducen a bloques de construcción que luego construyen el mundo macroscópico.»

Corrección: 16 de diciembre de 2019
La versión original de esta historia decía que los físicos que usan el método bootstrap podrían «redescubrir» o «rederivar» las cuatro fuerzas de la naturaleza. La redacción implicaba que podían obtener un conocimiento completo de los detalles de esas fuerzas y que esas son las únicas que están permitidas. En su lugar, el método bootstrap impone fuertes restricciones a las fuerzas posibles. Para partículas de espín-1 y espín-2 sin masa, el bootstrap conduce al electromagnetismo y a la relatividad general, respectivamente. Para partículas masivas de espín-0, espín-1 y el caso de partículas múltiples de espín-1 sin masa del mismo tipo, el bootstrap pone restricciones más flexibles en la naturaleza de las interacciones, pero el campo de Higgs, la fuerza débil y la fuerza fuerte emergen como posibilidades. El texto del artículo y el subtítulo se han revisado en consecuencia.