UY Press - Agencia uruguaya de noticias

26.10.2016

¿Qué pueden tener en común los imanes, los líquidos y la partícula descubierta hace pocos años en el gran acelerador de protones que funciona en Ginebra? En este artículo intentaré explicar que estos objetos, a pesar de ser físicamente muy diferentes, tienen enormes similitudes teóricas.

Comencemos por los imanes. Un imán, como todos sabemos, es un objeto metálico (comúnmente de hierro) que es capaz de atraer a otros metales. Es importante señalar que los imanes normalmente no están cargados eléctricamente. Es decir, las interacciones entre estos y otros metales no son eléctricas sino magnéticas. ¿Cómo funciona un imán? Algunos metales están compuestos de átomos con una propiedad particular. Tienen un "espín" neto. Para los propósitos de este artículo no importa mucho qué es el "espín". A todos los efectos prácticos en el funcionamiento de un imán es como si cada átomo del metal tuviera una flechita de largo fijo pero que puede apuntar en cualquier dirección del espacio.

Estas "flechitas" interactúan entre sí pero prácticamente sólo lo hacen con sus vecinas. Además, las interacciones entre estas "flechitas" no tienen direcciones privilegiadas. Es decir, si giramos todas las "flechitas" en un mismo ángulo, las interacciones permanecen iguales. Ahora bien, en el magnetismo común lo que sucede es que estas interacciones tienden a favorecer que los espines estén alineados. Si el sistema estuviera perfectamente ordenado, si no hubiera ninguna perturbación ni agitación de ningún tipo, las interacciones favorecerían que todos los espines apunten en la misma dirección. Entonces, los efectos de todas esas "flechitas" se acumulan y a nivel macroscópico el sistema se "magnetiza": adquiere una dirección particular. Esas flechitas actuando todas para el mismo lado, tienen un efecto importante a nivel macroscópico y logran interactuar con los espines de metales que puedan estar cerca. Se puede ver que esas interacciones favorecen siempre que los metales se acerquen al imán y esto es lo que usamos para colgar el número de un delivery en nuestras heladeras. Para los imanes usuales esto es lo que sucede, en una buena aproximación, a temperatura ambiente.

¿Qué pasa si calentamos un imán a muy altas temperaturas? (algunos miles de grados Celsius). Al calentarlo, la agitación de las moléculas del medio y de los átomos del metal "agitan" a las flechitas. A mayor temperatura, mayor agitación y llega a un punto en que las flechitas están tan agitadas que ya sus interacciones juegan un papel menor y cada una apunta en una dirección diferente, más o menos al azar. El resultado es que ya no hay efecto acumulado entre las flechitas y a nivel macroscópico el imán ya no está magnetizado: ya no atrae otros metales. La temperatura en que la magnetización desaparece se llama temperatura de Curie (y su valor depende del material del imán). Es lo que se denomina una transición de fase orden-desorden. A bajas temperatura dominan las interacciones y el sistema se ordena y altas temperaturas domina del desorden y la agitación molecular. Esas son las propiedades más importantes de los imanes.

¿Esto qué tiene que ver con los líquidos? De hecho, ¿por qué se forman los líquidos? Por un fenómeno que tiene algunas similitudes con el de un imán. Muchas moléculas que constituyen los líquidos interactúan muy poco a distancias grandes comparables con el radio de una de ellas. Para fijar ideas: en un metro entran, aproximadamente, mil millones de moléculas una pegada a la otra en fila india. A distancias más grandes que tres o cuatro radios de una molécula, éstas casi no interactúan entre sí. Cuando las distancias son de dos o tres radios moleculares, suelen atraerse mutuamente. Por otro lado, estas moléculas se comportan como esferas duras: no se logran superponer. Es decir, no pueden estar a distancias menores que un par de radios moleculares. El resultado es que, en buena aproximación, cuando están bien pegadas se atraen, no se logran acercar más que a dos radios de distancia y si están un poco más alejadas, prácticamente no interactúan entre sí. Las interacciones favorecen tener moléculas pegadas unas a las otras y si están alejadas no interactúan. El resultado es que a muy bajas temperaturas, las moléculas se ordenan todas unas contra las otras y tenemos un líquido. A altas temperaturas, el desorden térmico hace que las interacciones casi no jueguen papel y entonces están distribuidas al azar. Si la densidad de moléculas es baja, típicamente están alejadas entre sí y no se hablan y el sistema se comporta como un gas. En el medio hay una transición de fase, como cuando hervimos el agua en nuestra cocina.

Esto se parece cualitativamente a la transición de los imanes, pero la similitud, en realidad, es aún mayor. Imaginemos que las "flechitas" de los imanes, en lugar de poder apuntar en cualquier dirección del espacio estuvieran siempre alineadas a lo largo de un eje vertical y pudieran apuntar sólo para "arriba" o para "abajo". En realidad, podemos imaginar que "arriba" corresponde a un lugar ocupado por una molécula y "abajo" a un lugar sin ninguna molécula. Entonces, las interacciones entre las moléculas del líquido son como las del imán: si uno tiene una molécula en un lugar se favorece tener otra al lado, pero a altas temperaturas las interacciones ya no importan y tenemos un gas. Un líquido, caricaturalmente, se comporta como un imán pero en el que la imantación tiene un sólo eje para moverse. De hecho, esta analogía deja de ser puramente cualitativa y se vuelve cuantitativa para cierto tipo de imanes en que los espines siempre están sobre el mismo eje. En ese caso, para ciertos valores de la presión y la temperatura en cada material, las transiciones orden-desorden para imanes y líquidos comparten sus propiedades cuantitativas.

¿Y el bosón de Higgs en todo esto? El mecanismo de Higgs es un poco más complicado pero un sector importante de este fenómeno se comporta igual que un imán. La diferencia es que en el mecanismo de Higgs, en lugar de la "flechita" de los imanes hay dos propiedades: una "flechita" (con módulo, dirección y sentido) y otra magnitud adicional parecida a la densidad de un líquido. A las dos propiedades juntas es lo que llamamos el "campo de Higgs". Las interacciones en ese sector de la teoría se comportan sin direcciones privilegiadas como en un imán, pero el estado más favorable cuando podemos ignorar las "agitaciones" es con el "campo de Higgs" alineado entre diferentes puntos, como cuando un imán presenta una magnetización. Esto tiene un efecto muy importante: es el germen de toda la masa que podemos detectar directamente a nuestro alrededor. Es el germen de la masa de los átomos, de los electrones, de nuestra heladera, de nuestra cocina y de la cacerola en la que hacemos hervir el agua.

Vale la pena decir que se piensa que en los primeros instantes del universo, muy poco después del Big Bang, el mecanismo de Higgs no operaba y las partículas no tenían masa. El universo estaba desordenado, como le pasa a un imán a alta temperatura. Afortunadamente, luego el universo se enfrió y eso permitió que el "campo de Higgs" se ordenara. En honor a la verdad, debe agregarse que hay otro origen de la masa en nuestro modelo estándar de la física de partículas. Tiene que ver con las interacciones fuertes nucleares y se denomina "ruptura espontánea de simetría quiral". No importa lo que quiere decir eso, pero es importante saber que también está asociado, como los líquidos, los imanes y el mecanismo de Higgs, con una transición orden-desorden. Es incluso posible que existan otros orígenes de la masa en el universo. De hecho, no sabemos a ciencia cierta de dónde viene buena parte de la masa que los astrónomos observan con sus telescopios.

Para terminar, el fenómeno de las transiciones orden-desorden aparece en muchas ramas de la física (y no sólo de la física). Se explican con métodos similares a la descripción de un imán fenómenos como la percolación en un medio, la superconductividad, el crecimiento de interfaces entre medios o propagaciones de ciertos tipos de epidemias. Eso sin mencionar que también sirven para entender qué tiene uno pegado en su heladera.

Nicolás Wschebor. Licenciatura en Física en la Udelar. Doctorado en Física en la Universidad de París XI. Profesor Agregado con dedicación total del Instituto de Física de la Facultad de Ingeniería.

Por entregas anteriores de nuestra Columna de Ciencia y Tecnología, visite aquí.

nicolas.wschebor@gmail.com