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Paul Dirac: el hombre que descubrió la cara oculta del mundo

Todos aprendimos durante la niñez que un kilo de una determinada materia pesa lo mismo que un kilo de otra materia cualquiera. No hay nada que discutir al respecto. Otra cosa sería decidir si pesan lo mismo un kilo de materia y un kilo de antimateria. Una duda sobre la que tal vez habría que sentarse a hablar un poco más

EL PRINCIPAL problema es que no sabemos si, en lo que se refiere a la antimateria, sería correcto utilizar el verbo pesar. Fundamentalmente porque ignoramos si la antimateria pesa o, por el contrario, se comporta de forma opuesta a como lo hace cualquier otro objeto en gravedad: es decir, si en lugar de sufrir una fuerza atractiva, sufre una fuerza repulsiva. Para comprobarlo sería necesario observar si un rayo de antipartículas disparado sobre la superficie de la Tierra se curva hacia abajo o hacia arriba, pero hoy en día todavía no disponemos de una tecnología lo bastante avanzada como para medir algo así.

Si la materia está hecha de partículas, la antimateria está hecha de antipartículas. A grandes rasgos, se podría afirmar que a cada una de las partículas de las que se compone la naturaleza le corresponde una antipartícula, de tal forma que la partícula y su antipartícula serían iguales, pero con carga eléctrica contraria. Por ejemplo, ya que en la naturaleza hay electrones, cuya carga es negativa, también ha de haber positrones, cuya carga es positiva y constituyen la antipartícula del electrón. Así, de igual manera que un electrón y un protón forman un átomo de hidrógeno, un positrón y un antiprotón deben formar un átomo de antihidrógeno; o lo que es lo mismo, un átomo de antimateria equivalente al hidrógeno pero con opuesta carga eléctrica.

En la actualidad se estima que el 73% del Universo es energía oscura y el 23% es materia oscura, de tal modo que todo lo demás, todo aquello que nos rodea, formado tanto por la materia como por la antimateria, sólo suma un 4% del total. Visto así, incluso podría parecer sencillo percatarse de la existencia de la antimateria. Sin embargo, para darnos cuenta de que estaba ahí, de que las antipartículas existían de la misma forma en que lo hacían las partículas, hubo que esperar a que un genio se detuviese a observar la naturaleza y reparase en que, como ocurre con la Luna, también nuestro mundo tenía una cara oculta. Fue en 1928 cuando Paul Dirac formuló la denominada Ecuación de Dirac para describir el comportamiento del electrón —y, de paso, de un determinado tipo de partículas subatómicas a las que éste pertenece llamadas fermiones—, gracias a la cual predijo la existencia de su antipartícula, el positrón, y por tanto la existencia de la antimateria.

Paul Dirac fue uno de los padres de la física cuántica y uno de los científicos más brillantes de la historia. Nacido en Bristol en el año 1902, hijo de un inmigrante suizo profesor de francés y una bibliotecaria natural de Cornualles, Paul se licenció con honores en Ingeniería Eléctrica a los 19 años en la universidad de su ciudad y repitió la hazaña dos años después en la carrera de Matemáticas, momento en que decidió mudarse a Cambridge para cursar sus estudios de doctorado en el naciente campo de la mecánica cuántica. Se doctoraría tres años después, en 1926, con tan sólo 24 años, gracias a una asombrosa tesis en la que aunaba los trabajos de Heisenberg y Schrödinger en un único modelo cuántico.

De carácter reservado, muy parco en palabras, extrañamente preciso en sus respuestas y frío hasta lo incómodo en las relaciones personales, en el libro sobre su vida que escribió el físico y divulgador científico Graham Farmelo, The Strangest Man (El hombre más extraño), se indica que muy probablemente Dirac padeciese autismo. Para comprender la clase de personalidad peculiar y extravagante del genio británico, baste la siguiente anécdota relatada en la biografía de Farmelo: "Tras una conferencia en una universidad de Estados Unidos, al pasar al turno de preguntas, un asistente le dijo: 'No entiendo la ecuación que ha escrito en el lado superior izquierdo'. Todos miraron a Dirac, que permaneció en silencio. Tras un intervalo embarazoso, el moderador le preguntó si no deseaba responder, a lo que Dirac replicó: 'No era una pregunta, era una afirmación'". Incluso sus compañeros en Cambridge crearon una unidad de medida llamada dirac para determinar la cantidad mínima de palabras que se podían pronunciar en una hora.

Debemos tener en cuenta que la antimateria no puede ser almacenada en un recipiente hecho de materia porque las partículas y las antipartículas se aniquilan al tocarse

A los 26 años, Dirac formuló una ecuación relativista que describía el comportamiento del electrón: la Ecuación de Dirac. Gracias a ella pudo predecir la existencia del positrón y, por consiguiente, de la antimateria. Cuatro años más tarde, en 1932, el físico Carl D. Anderson demostraría en Caltech que la predicción de Dirac no era errónea: había descubierto el positrón. Un par de décadas después, a mediados de los años cincuenta, Emilio Segrè y Owen Chamberlain descubrían en Berkeley el antiprotón y el antineutrón. Diez años más tarde, dos equipos distintos de físicos lograban crear en el CERN y en el acelerador ACS de Long Island una partícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón; es decir, habían creado el primer átomo de antimateria en un laboratorio. En 1995, en el Cern se consiguieron crear nueve átomos de antihidrógeno que sobrevivieron apenas algunas millonésimas de segundo. En 2011, los físicos del Proyecto Alpha —también del Cern— crearon más de trescientos átomos de antihidrógeno y lograron almacenarlos durante más de 16 minutos. Pero el gran hallazgo de Dirac no es sólo un extraño experimento de laboratorio: en el año 2009, la Nasa confirmó la existencia de rayos de antimateria por encima de las tormentas eléctricas.

Las dos conclusiones más evidentes que se pueden extraer del párrafo anterior es que la antimateria no abunda y que desaparece muy rápido. Y esto se puede resumir en un solo enunciado: las leyes de la física parecen favorecer la supervivencia de la materia frente a la antimateria. Esta idea es crucial, ya que supone una violación de la Simetría CP, un importante concepto de la cosmología que explica que el universo se comportaría igual si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa (Simetría de carga) y que se comportaría igual si fuese idéntico, pero exactamente al revés (Simetría de paridad). Sin embargo, esta violación de la norma es lo único que explica razonablemente bien por qué hay más materia que antimateria en el Universo. En 1980, los físicos Val Fitch y James Cronin recibieron el premio Nobel por el descubrimiento de la violación de la Simetría CP. Una simetría que, en principio, nos llevaría a pensar que la antimateria se comporta en gravedad de forma contraria a como lo hace la materia —lo que contestaría al dilema planteado al inicio de este artículo—, pero que, como podemos comprobar, ya no parece tan infalible como para asegurar nada al repecto.

En realidad, la corta esperanza de vida de la antimateria encierra una posibilidad fantástica. Debemos tener en cuenta que la antimateria no puede ser almacenada en un recipiente hecho de materia porque las partículas y las antipartículas se aniquilan al tocarse. De hecho, debe conservarse en una trampa iónica llamada Trampa de Penning, que consiste en una combinación de campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, la aniquilación de una antipartícula por contacto con una partícula genera tal cantidad de energía que superaría en 10.000 veces la que se produce en una reacción nuclear por fisión. Tal es así que, hace aproximadamente cinco años, la Nasa anunció que uno de sus proyectos más ambiciosos para el futuro es una nave propulsada con antimateria. Bastarían unos 20 miligramos de la misma para enviar el aparato a Marte. Con todas las posibilidades que eso abriría para la exploración espacial y la obtención de la energía más potente conocida hasta la fecha —excepción hecha de la energía del punto cero, basada en la idea del vacío cuántico, a su vez basado en el denominado Mar de Dirac—.

Paul Dirac recibió el premio Nobel de Física conjuntamente con Erwin Schrödinger en 1933 "por el descubrimiento de nuevas formas productivas de la teoría atómica". Un año antes había obtenido la titularidad de la prestigiosa Cátedra Lucasiana de Matemáticas de Cambridge, que ocupó de 1932 a 1969. Durante su última etapa fue profesor en la Universidad Estatal de Florida, donde falleció a los 82 años en 1984. En cierta ocasión, preguntado sobre el interés de Robert Oppenheimer en la poesía, contestó: "El objetivo de la ciencia es explicar asuntos complejos de la forma más simple posible. La poesía es exactamente lo contrario". Siempre me ha llamado la atención la enorme cantidad de poesía que se contiene en esa frase.
 

Paul Dirac: el hombre que descubrió la cara oculta del mundo
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