Imagina un universo sin el bosón de Higgs. La masa no existiría porque no habría interacción. ¿Qué pasaría con la gravedad? ¿También desaparecería?
TL; DR:
- la masa puede existir sin el bosón de Higgs;
- masa significa “masa en reposo” no “masa relativista”;
- la gravedad proviene de la energía y no de la masa;
- la respuesta a la mayoría de las preguntas del tipo “qué pasaría si sacara el fenómeno X de la física” es casi siempre “ya no existiría nada reconocible de nuestro universo”.
Antes de llegar al bosón de Higgs, comencemos con algunos conceptos básicos. Cuando los físicos dicen “masa” hoy en día, nunca quieren decir “masa relativista”, el tipo de masa que cambia con la velocidad de tal manera que hace que [matemática] E = mc ^ 2 [/ matemática] sea verdadera. El término ha caído en desgracia porque produce más confusión de la que ayuda. En cambio, cada vez que las personas quieren hablar de “masa relativista”, simplemente la llaman “energía”, ya que los dos difieren solo por un factor constante de [matemáticas] c ^ 2 [/ matemáticas]. De hecho, esto equivale a una elección de unidades, y de hecho los físicos de partículas generalmente trabajan en unidades en las que [matemática] c = 1 [/ matemática], de modo que [matemática] E = m_ \ text {relativista} [/ matemática].
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Entonces, cuando un físico habla de la masa de una partícula, se refiere a su masa en reposo , la energía que tendría la partícula si estuviera en reposo. Es por eso que es posible tener fotones sin masa que transporten energía: los fotones no tienen masa en reposo, pero se mueven, por lo que tienen energía. La famosa ecuación de Einstein se convierte en (menos pegadiza pero mucho más útil) [matemáticas] E ^ 2 = p ^ 2 c ^ 2 + m ^ 2 c ^ 4 [/ matemáticas], o, en unidades donde [matemáticas] c = 1 [ / math], [math] m ^ 2 = E ^ 2 – p ^ 2 [/ math] (la similitud con el teorema de Pitágoras [hasta un signo] no es un accidente).
Esto es importante porque la gravedad proviene de la energía y el impulso, no de la masa (en reposo). Entonces, incluso si las partículas no tuvieran masa en reposo, todavía tendrían energía, y aún así generarían un campo gravitacional. Además, como señaló Viktor, los sistemas compuestos, como los protones o los átomos, obtienen gran parte de su masa de la energía de interacción de sus componentes, por lo que incluso si los quarks y los electrones no tuvieran masa, los protones y los átomos seguirían siendo masivos.
El bosón de Higgs es por qué tenemos masa, ¿verdad? Incorrecto. A pesar de lo que siempre dicen en las presentaciones científicas populares, las partículas pueden tener masa incluso sin el bosón de Higgs. El bosón de Higgs solo se requiere para una forma particularmente elegante para que aparezca la masa.
La forma en que esto funciona (¡más o menos! Esto es, por supuesto, una simplificación excesiva; para la historia precisa, debe estudiar la teoría cuántica de campos y el modelo estándar) es la siguiente. La física describe la naturaleza mediante el uso de ecuaciones de movimiento que predicen cómo el estado de un sistema (por ejemplo, la posición y el momento en la mecánica clásica, o una función de onda para sistemas cuánticos) cambia en el tiempo. Estas ecuaciones tienen ciertas simetrías; por ejemplo, tienden a ser simétricos bajo traslaciones en el espacio y en el tiempo, es decir (nuevamente, más o menos), el mismo experimento ocurriría de la misma manera, independientemente de si se desplaza por un metro, o si se hace una hora antes o más tarde. Un teorema del matemático alemán Emmy Noether muestra que siempre que se tiene esa simetría, se relaciona con una ley de conservación. Por ejemplo, la invariancia bajo traducciones espaciales está relacionada con la conservación del momento. La invariancia bajo las traducciones temporales está relacionada con la conservación de la energía. Y así.
Ahora, la parte sorprendente es esta: muchas veces, simplemente establecer qué simetrías deberían tener las ecuaciones es suficiente para determinar de forma única estas ecuaciones (después de agregar solo unos pocos supuestos muy generales). El modelo estándar actual de física de partículas hace exactamente eso: supone que las leyes de la física tienen un grupo de simetría [math] \ mathrm {U} (1) \ times \ mathrm {SU} (2) \ times \ mathrm {SU} (3) [/ matemáticas]. Más específicamente, postula la existencia de 17 partículas elementales y especifica las formas en que éstas responden al grupo de simetría. Una de estas partículas es el Higgs.
Así que ahora podemos llegar a la mitad de esto: ¿por qué se necesita la partícula de Higgs? La respuesta es que la masa (que corresponde a un cierto término en las ecuaciones dinámicas) generalmente no obedece a [math] \ mathrm {U} (1) \ times \ mathrm {SU} (2) \ times \ mathrm {SU} (3) [/ matemática] calibre la simetría del modelo estándar. Pero esto es solo un problema para la elegancia matemática: habría sido perfectamente posible que la naturaleza simplemente no obedeciera completamente esta simetría. La alternativa, propuesta por Higgs, se basa en un fenómeno llamado “ruptura espontánea de simetría”. La suposición es que las leyes de la física son invariables bajo el grupo de indicadores modelo estándar, por lo que la mayoría de las partículas no tienen términos de masa en sus ecuaciones dinámicas. Sin embargo, todos interactúan con el campo de Higgs, y la dinámica de este campo es tal que tiene una inestabilidad. Al igual que, en principio, puede tener un bolígrafo en su punta, pero es casi imposible hacerlo en la práctica, por lo que el campo de Higgs puede ser cero en todas partes, pero es muy poco probable que eso suceda. En cambio, el campo de Higgs tiende a desarrollar un valor distinto de cero, y esto interactúa con las otras partículas, dándoles masa a pesar de que sus ecuaciones no tienen términos de masa explícitos.
En resumen, lo que el mecanismo de Higgs le permite hacer es mantener la simetría en las leyes de la física, mientras explica las asimetrías observadas como consecuencia de las condiciones iniciales.
Terminaría señalando nuevamente que la física es una ciencia altamente limitada. Si solo le quitas un componente, en el 99.99% de los casos terminarás con alguna inconsistencia, o predecirías que el universo habría desaparecido hace mucho tiempo (lo cual es, digamos, en desacuerdo flagrante con observación). Cada vez que saca algo, necesita poner algo para mantener las cosas razonables. Por esta razón, no es muy fructífero preguntar cosas como “qué pasaría si X no existiera”, sin una propuesta completa que describa qué más cambia. La respuesta casi siempre es aburrida.
