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21/3/2009 - DJ:

El hombre que encontró los Quarks

Tiempo estimado de lectura: 14 min. 38 seg.

Murray Gell-Mann tuvo un exitoso choque con las partículas, notorias peleas con Feynman y una perdida oportunidad con Einstein.
Entrevista de Discover por Susan Kruglinski; Foto de Jamey Stillings
Murray Gell-Mann

No es un accidente que el quark -el bloque de construcción de protones y neutrones y, por extensión, de tí y de todo a tu alrededor- tenga un nombre tan extraño y encantador. El físico que lo descubrió, Murray Gell-Mann, ama las palabras tanto como a la física. Es conocido por corregirle la pronunciación a personas desconocidas y darle nombre a objetos o ideas que no tienen uno. Así llegó la palabra quark para su más famoso descubrimiento. El nombre tiene su origen en un poema de James Joyce titulado Finnegans Wake y de ahí se usó su ortografía:

Three quarks for Muster Mark!
Sure he has not got much of a bark
And sure any he has it's all beside the mark.
Del libro Finnegans Wake de James Joyce

Gell-Mann dijo sobre esto que:

En 1963, cuando asigné el nombre de quark a los constituyentes fundamentales de los nucleones, yo tenía el primer sonido, sin ortografía, que podría haber sido kwork. Luego, en uno de sus ocasionales lecturas de Finnegans Wake, por James Joyce, me crucé con la palabra quark en la frase Three quarks for Muster Mark. Entonces quark (que significa, por un lado, el grito de la gaviota) fue el claro intento de rimar con Mark, como con bark y otras palabras parecidas. Yo tuve que encontrar una excusa para pronunciarla así como kwork. Pero el libro representa el sueño de un publicano llamado Humphrey Chimpden Earwicker. Las palabras en el texto suelen proceder de varias fuentes a la vez, como la palabra portmanteau en Through the Looking Glass. De vez en cuando, las frases que aparecen en el libro son determinadas para denominar a las bebidas en un bar. Yo argumenté, por lo tanto, que uno de los multiples recursos de la frase Three quarks for Muster Mark podría ser Three quarts for Mister Mark, en ese caso la pronunciación de "kwork" podría justificarse totalmente. En cualquier caso, el número tres encaja perfectamente en el camino como el quark apareció en la naturaleza.


La frase tres quarks (three quarks en inglés) encajaba particularmente bien (como se menciona en la cita) ya que en ese tiempo sólo había tres quarks conocidos y entonces los quarks estaban en grupos de tres en los bariones.

La obsesión de Gell-Mann con las palabras viene de su juventud, cuando su fascinación con las lenguas, historia natural y arqueología lo ayudó a entender la diversidad del mundo. El nativo de Nueva York se salteó tres grados en la escuela elemental y entró antes al colegio. Luego de pasar por Yale y MIT, tenía sólo 21 años cuando comenzó su postodoctorado en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, cuando Albert Einstein todavía paseaba por el campus. Gell-Mann luego trabajó con Enrico Fermi en la Universidad de Chicago y debatió apasionadamente con el renombrado físico Richard Feynman durante sus muchos años en Caltech.
Fue en Caltech donde Gell-Mann ayudó a poner las bases de nuestro entendimiento de los componentes que forman la materia. Diseñó un esquema de física subatómica que llamó la Vía óctuple. En ese tiempo, los físicos entendían que los átomos son construídos de protones y neutrones, pero también habían encontrado muchas otras partículas misteriosas. La Vía óctuple le dio sentido a esa desconcertante colección, encontrando lugares para partículas nunca antes imaginadas. El trabajo fue tan importante que le valió el Premio Nobel de Física de 1969.

En 1984 Gell-Mann persiguió su sueño de trabajar en otros campos al cofundar el Instituto Santa Fe, un gabinete donde se anima a los científicos a cruzar disciplinas. Localizado en lo alto de una colina en el desierto de Nuevo México, rodeado de álamos y afloramientos de cuarzo rosa, el instituto es un lugar donde un ornitólogo puede cambiar datos en el almuerzo con un científico político, mientras que con emoción garabatear ecuaciones estadísticas sobre una ventana con un Sharpie [nombre de conocido marcador] por falta de papel y lápiz. Con su diseño geométrico, las paredes de colores brillantes, abundantes senderos en los alrededores, y la generosa oferta de dulces en la cocina, el Instituto de Santa Fe parece un poco como un parque infantil para los científicos.

La editora de Discover Susan Kruglinski se sentó recientemente con Gell-Mann en los cómodos sillones de cuero de la biblioteca del instituto para hablar cómo es haber vivido la historia de la física moderna.

Ud. es mejor conocido como la persona que descubrió el quark, una de las partículas fundamentales que crean el universo, aunque por años muchos de sus colegas no estaban convencidos que los quarks realmente existieran. ¿Porqué?
No puedes verlos directamente. Tienen algunas propiedades inusuales y por eso fue difícil para las personas creer en ellos al principio. Y muchos no lo hicieron. Muchas personas creyeron que yo estaba loco. Los quarks están permanentemente atrapados dentro de otras partículas como neutrones y protones. No puedes sacarlos individualemente para estudiarlos. Por lo que son algo peculiares en ese aspecto.[Nota sobre quarks individuales, ver debajo]

¿Cómo debería visualizar alguien que no es un físico a los quarks? ¿Como pequeñas esferas atrapadas dentro de los átomos?
Bueno, en física clásica podrías pensar un quark como un punto. en física cuántica un quark no es exactamente un punto, es como un objeto flexible. Algunas veces se comporta como un punto, pero puede borronearse un poco. Algunas veces se comporta como una onda.

Cuando las personas se imaginan partículas chocando en un colisionador de partículas, ¿qué deberían imaginarse? No es como bolas de billar chocando, ¿o sí?
Depende de las circunstancias. A muy altas energías, dos partículas que chocan no rebotan sino que crean un gran número de partículas. Tendrías toda clase de pequeños trocitos volando en todas direcciones...así sería algo parecido.

¿Entonces sería como chocar una manzana y una naranja y obtener bananas?
No, no, no. Pequeñas partes de toda clase de cosas. Obtener todo un manojo de pequeños trocitos de manzana y naranja, pero también de banana y antibanana, uvas...

¿Cuántos tipos de partículas elementales hay?
Tenemos algo llamado Modelo estándar, que está basado en unas 60 partículas, pero puede haber muchas más. Estas son las que tienen una baja energía, por lo que podemos detectarlas.

Las décadas de 1960 y 1970 podrían ser consideradas el apogeo de la física de partículas, cuando muchas partículas subatómicas -y no sólo elementales- fueron descubiertas. ¿Podría hablar un poco acerca de los eventos que llevaron a su descubrimiento del quark?
Eso fue muy dramático para mí. Estuve trabajando por años en las propiedades de partículas que partipaban en la interacción fuerte. Esta es la interacción responsable por sostener el núcleo del átomo junto. La familia de partículas de interacción fuerte incluyen a los neutrones y protones, esas son las más familiares. Pero ahora se estaban descubriendo decenas, cientos de otras partículas en experimentos en los que protones colisionaban entre sí en aceleradores de partículas. Había muchos estados de energía en las que veíamos parientes -primos- de neutrones y protones.

¿Estas partículas son similares a protones y neutrones pero normalmente no existen en la naturaleza?
Son producidas en una colisión de partículas en un acelerador y decaen luego de un corto tiempo. Luego de una pequeñísima fracción de un segundo, se desintegran en otras cosas. Una partícula que yo predije, el omega-minus, puede decaer en un pión neutral y xi-minus, y luego el pión decae en fotones y el xi-minus decae en un pión negativo y un lambda. Y luego el lambda decae en un pión negativo y un protón. El interior del Sol tiene una temperatura muy alta, pero incluso esa altísima temperatura no es suficiente para crear todas estas cosas.

¿Estas partículas exóticas existen en algún lado fuera de los experimentos físicos?
Existieron justo después del Big Bang, cuando las temperaturas eran increíblemente altas. Y ocurren en los eventos de rayos cósmicos. [Los rayos cósmicos mismos son principalmente protones, pero cuando chocan con núcleos atómicos en la atmósfera terrestre estas raras partículas pueden ser producidas.]

¿Pero cuando predijo el quark en 1964, se dio cuenta que no era sólo otro "primo", verdad?
Así es. Mirando a la tabla de partículas conocidas y los datos experimentales, era claro que el neutrón y el protón podrían estar hechos de tres partículas con cargas fraccionarias, a los que llamé quarks. [Hasta entonces todas las partículas conocidas tenían cargas que eran un múltiplo de la carga de un protón] Los quarks estaban permanentemente confinados en el neutrón y protón, así que no podías sacarlos para examinarlos individualmente. El neutrón y el protón no serían considerados más elementales. No era algo difícil de deducir. Lo que era difícil era creerlo, porque nadie había escuchado que el neutrón y el protón fueran compuestos. Nadie había escuchado sobre estas cargas fraccionarias. Nadie había escuchado de partículas confinadas permanentemente dentro de cosas observables y no directamente alcanzables.

A medida que pasa el tiempo, los físicos parecen encontrar más y más partículas. ¿Podría haber un infinito número de ellas?
Los teóricos creemos en simplicidad. La simplicidad ha sido siempre una confiable guía para la teoría en física fundamental. Pero la simplicidad podría no recaer en el número de partículas. Podría ser que la teoría, expresado simplemente, de origen a un gran número de tipos de partículas. Las partículas podrían ser infinitas, pero tú detectas sólo las que son suficientemente livianas como para jugar un rol en tus experimentos.

Quarks, leptones y fuerzas

Ahora los investigadores están depositando mucha esperanza en encontrar otro conjunto de partículas en experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones. ¿Cree que esto podría traer mayor claridad?
Bueno, hay otra posibilidad, que encuentren un fenómeno que sea completamente inesperado. Nos disgustará si encontramos algo totalmente nuevo, totalmente desconcertante, pero eso sería mas excitante.

¿Usted era un prodigio matemático de niño, pero la matemática no era su única pasión, no?
Recuerdo cuando tenía unos 5 [años], miré los libros de mi padre. Él tenía una importante biblioteca, una gran biblioteca. Y cuando llegaron los malos tiempo -la Depresión- tuvo que deshacerse de ellos cuando nos mudamos a un departamento pequeño. Debía remover el mobiliario. No podía venderlo, debía pagar para que lo sacaran. Le pagó a alguien cinco dólares para que se llevara la biblioteca. Desgarrador. Pero conservaba algunos libros, 50 libros o algo así. Uno de ellos era un libro que daba la etimología de las palabras en inglés tomadas del Griego o Latín. Así que aprendí todas estas raíces Griegas y Latinas y cómo habían formado las palabras en inglés. Era excitante. Eso me inició en la etimología, y la he amado desde entonces.
Siempre andaba bien en matemática. De hecho, amaba las matemáticas, estudiarla, usarla. Amaba la historia. Me gustaba particularmente arqueología y lingüística. Y podía discutir lo que sea con mi hermano -arqueología, etimología, cualquier cosa. Él nunca hizo nada con eso, pero era muy, muy inteligente y muy conocedor de ese tipo de cosas. Él estaba apasionado con los pájaros y otras cosas vivientes. No tanto con los principios científicos de ornitología, sino ver las aves e identificarlas y saber dónde iban, qué tipo de nidos tenían y qué canciones cantaban. Ir a un viaje de pájaros con él fue la mejor cosa -la mejor cosa- que hice en aquellos años. Mi hermano me enseñó a leer de una caja de galletas cuando yo tenía 3 años.

Cuando estaba por ir al colegio, ud. estaba interesado en estudiar arqueología, historia natural o lingüística, pero su padre quería que hiciera dinero como ingeniero.
Yo dije que prefería ser pobre o morir a ser un ingeniero porque no sería bueno en ello. Si diseño algo, se caerá. Cuando fui admitido en Yale, tomé una prueba de aptitud y luego el consejero me dio los resultados del exámen y dijo: "Ud. podría ser un montón de cosas. Pero no sea un ingeniero".

Tipos o sabores de quarks y sus cargas

¿Entonces cómo se estableció en física?
Luego de que mi padre se dio por vencido sobre ingeniería, me dijo: "¿Qué tal si nos comprometemos con la física? Relatividad general, mecánica cuántica, lo amarás". Pensé en darle un intento al consejo de mi padre. No sé porqué. No tomé su consejo en nada más. Me dijo lo hermoso que la física podría ser si me mantenía con ella, y esa noción de belleza me impresionó. Mi padre estudió esas cosas. Era un gran admirador de Einstein. Se encerraba en su habitación y estudiaba relatividad general. Nunca la entendió realmente. Mi opinión es que debes despreciar algo como eso para ser bueno en ello.

¿Porqué es eso?
Si lo admiras suficientemente, le tendrás respeto y nunca lo aprenderás. Mi padre pensaba que sería difícil y que tardaría años en entenderlo y sólo unas pocas personas lo entendían y eso. Pero yo tuve un fantástico profesor en Yale, Henry Margenau, que tenía la actitud opuesta. Pensaba que la relatividad general era para todos. Sólo aprende la matemática. Decía: "Prepararemos la matemática el martes y jueves, y cubriremos relatividad general el sábado y el martes próximo.". Y tenía razón. No es tan malo.

Ud. conoció algunos de los más grandes físicos en la historia. ¿A quién pondría en lo más alto del pedestal?
No suelo poner a las personas en pedestales, especialemente no físicos. Feynman [quien ganó un Premio Nobel en 1965 por su trabajo en física de partículas] era muy bueno, aunque no tan bueno como creía que era. Estaba muy absorbido en sí mismo y gastaba una gran cantidad de energía generando anécdotas sobre sí mismo. Fermi [quien desarrolló el primer reactor nuclear] era bueno, pero nuevamente con limitaciones. No conozco a nadie sin algunas limitaciones en mi campo de física teórica.

¿En ese entonces, entendía cuán especial eran las personas a su alrededor?
No. crecí pensando que las personas previas eran las especiales. Aunque conocí a la mayoría de ellos. No conocí a Erwin Schrödinger [un pionero en mecánica cuántica]; dejé pasar una oportunidad de conocerlo por alguna razón. Pero sí conozco a Werner Heisenberg bastante bien. Fue una de los descubridores de la mecánica cuántica, que es uno de los mayores logros de la mente humana. Pero en el momento en que lo conocí, aunque no era extremadamente viejo, era un poco maníaco.

¿Cómo?
Decía muchas cosas sin sentido. Tenía cosas que él llamaba teorías que no eran realmente teorías, eran memeces. Su objetivo era encontrar una teoría unificadora de todas las partículas y fuerzas. Trabajó en una ecuación, pero no tenía ningún significado práctico. Era imposible trabajar con él. No había soluciones. Era un sinsentido. De cualquier forma, era interesante que Wolfgang Pauli [descubridor del principio de exclusión], quien no andaba en cosas locas -al menos no en física- estuviera con Heisenberg. Acordó en unirse a su programa.
Pero luego Pauli vino a los Estados Unidos, donde muchas personas trabajaron con él -incluyendo Dick Feynman y a mí. Muchos de nosotros hablamos con Pauli y le dijimos, "Mira, no deberías asociarte con esto. Es basura y tienes una reputación que considerar". Pauli estuvo de acuerdo y escribió una carta a Heisenberg diciendo algo como: "Renuncio. Esto es un sinsentido. No hay nada. Borra mi nombre". En otra carta, Pauli dibujó un rectángulo en una página y al lado escribió: "Esto es para mostrar el mundo que puedo pintar como Titian. Sólo faltan los detalles técnicos. W. Pauli". En otras palabras, Heisenberg había provisto sólo un marco, sin imagen. Conocí a Pauli bastante bien. Conocí a Paul Dirac [otro fundador de la mecánica cuántica]. Era una persona notablemente excéntrica.
Por supuesto que conocí a estas personas cuando eran viejos, no cuando eran jóvenes y realizaban sus actividades más importantes. Pero aún así, los conocí. Y esas eran las personas que debíamos admirar. No pensaba que la gente a mi alrededor iban a ser especiales. Supongo, mirando hacia atrás, la era parecía interesante.
Hay una gran diferencia, sin embargo, que mi profesor Victor Weiskopf continua apuntando. Y es que la gente que estaba trabajando en las consecuencias de la mecánica cuántica, poco después de su descubrimiento en 1924 y 1925, comenzó a entender cómo los átomos y moléculas realmente trabajaban, y hacían preguntas elementales acerca del mundo que incluso una persona ordinaria podría hacer. Por ejemplo, Víctor solía decir, que una preguntas es, ¿porqué no puede pasar un dedo a través de otro dedo? Bien, finalmente se refiere al principio de exclusión [que muestra que dos partículas no puede ocupar el mismo espacio al mismo tiempo]. Y así. Mientras que ahora debes ser sofisticado incluso para hacer las preguntas que estamos respondiendo.

Una de las interacciones mejor conocidas fue con Richard Feynman en Caltech. ¿Cómo fue eso?
Tenía oficinas esencialmente una al lado de otra por 33 años. Yo era muy entusiasta acerca de Feynman cuando llegué a Caltech. Disfruté mucho trabajando con él. Era gracioso, divertido, genial.

Richard Feynman y Murray Gell-Mann
¿Qué hay sobre las historias de que ambos tuvieron grandes problemas entre sí?
Oh, discutíamos todo el tiempo. Cuando éramos muy amigables, discutíamos. Y luego, cuando fui menos entusiasta sobre él, discutíamos también. En un punto él estaba haciendo un muy buen trabajo -no terriblemente profundo, pero era muy importante, sobre la estructura de protones y neutrones. En ese trabajo se refiere a los quarks,
antiquarks y gluones, pero no los llama así. Los llama "partons", que es medio latín, medio Griego, una palabra estúpida. Partons. Dijo que no le importaba lo que fueran, así que les puso un nombre. Pero eran quarks, antiquarks y gluones y podría haber dicho eso. Y luego la gente se dio cuenta que eran quarks y entonces tenías el modelo "quark-parton". Finalmente construímos una teoría -no lo hice yo mismo,
fue el resultado de varios de nosotros. Construimos la teoría correcta, llamada Cromodinámica Cuántica [Quantum Chromodynamics, QCD: Describe las interacciones entre quarks y gluones]. Y Feynman no lo creía.

¿No creía que la teoría fuera correcta?
No. Él tenía un alocado esquema basado en sus partons. Finalmente, luego de un par de años, se dio por vencido porque era muy brillante y se percató luego de un tiempo que estábamos en lo correcto. Pero se resistió y yo no entendí porqué debía ser de esa forma. Partons...

Feynman fue famosamente excéntrico. ¿Alguna vez hicieron algo alocado juntos?
Hicimos muchas cosas divertidas. Uno de sus amigos era un viejo pintor armenio. Mi difunta mujer Margaret y yo éramos amigos de él también. Él tenía un importante cumpleaños y Margaret y yo soñamos esta idea de darle un pavo real. Así que conspiramos con los Feynmans para hacerlo. Ellos le llamaron su atención para otro lugar mientras Margaret y yo tomamos el pavo del auto y lo pusimos en el dormitorio. Un pavo real en su dormitorio! Es una maravillosa forma de darle un regalo a alguien.

¿Encontró extraño que Feynman se volviera una celebridad?
Feynman era un caso peculiar porque era muy brillante, increíble, exitoso científico, pero también un payaso. Era más un payaso que un científico algunas veces.

¿Pero Ud. y Feynman pudieron tener profundas conversaciones sobre física?.
Por algunos años y luego me harté de él. Se había vuelto mucho en sí mismo. Todo era una prueba de su brillantez. Así que si en una discusión llegábamos a alguna interesante conclusión, su interpretación era, "Hey, soy inteligente". Y eso es irritant, por lo que luego de unos años no trabajé con él.

Cuando piensa en personas como Feynman o Einstein o alguna de las otras leyendas de la física, ¿piensa que son genios? ¿Hay algo así?
Einstein fue muy especial, digo, crear esa teoría, relatividad general [que describe a la gravedad como un producto de la geometría del espacio y tiempo]. Hacerlo hoy o hacerlo hace 34 años sería increíble, notable, un logro completamente remarcable. Pero hacerlo cuando él lo hizo, en 1915, eso es increíble.

Cuando Ud. estaba en el Instituto de Estudios Avanzados, Einstein estaba allí también, aunque él estaba cerca del final de su vida. ¿Fue capaz de absorber algo de él?
Podría haberlo hecho. Podría haber hecho una cita con su secretaria, la formidable Helen Dukas, e ir y hablar con él. Podría haberle preguntado algunas cuestiones sobre los viejos días. Si fuera hoy, lo haría en algún momento. Pero todo lo que podía ver entonces era que era el pasado. Él no creía en la mecánica cuántica, no sabía acerca de las partículas que estábamos estudiando. Y no sabía de esto y aquello. Si le mostraba lo que yo estaba haciendo, él no habría hecho nada con eso. Y si él me mostraba lo que estaba haciendo, no lo hubiera creído. Así que no hice nada. Habría dicho: "Hola. Buenos días". Y él hubiera dicho:"Guten morning". Eso es todo.

¿En qué está trabajando hoy?
Junto con muchas otras personas alrededor del mundo, estoy buscando si hay maneras alternativas de caracterizar matemáticamente la entropía, la medida de desorden de un sistema. Podría ser útil emplear fórmulas alternativas para buscar, en diferentes circunstancias, como los mercados financieros o interacciones sociales. Quizás esto se vuelva una herramienta extremadamente flexible para manejar toda clase de situaciones. Eso es lo que la gente espera. Otras personas piensan que es una locura.

Detección de quarks individuales
Desde hace varios años existe evidencia de la producción individual del quark cima (top quark). Por ejemplo, ver:"Elementary, my dear Watson. It's single top."
Mucho más recientemente, marzo 2009, se publicaron trabajos en el mismo sentido. Ver por ejemplo, "¿Qué significa que se ha observado un quark aislado por primera vez?".
Es justamente por estas últimas noticias, así como por mi interés por la vida y obra de quienes logran importantes descubrimientos que transforman nuestra visión del universo, que creí apropiado la traducción de la entrevista de Discover a Gell-Mann, autor de "El quark y el jaguar".


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Crédito imágenesSobre las imágenes
Crédito:Jamey Stillings para Discover.
Richard Feynman and Murray Gell-Mann 1959 Foto Joe Munroe. Derechos de Caltech.


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