Nace la antimateria

La ecuación de Dirac arrojaba un resultado absurdo. Pero el poder de la belleza movilizaba la creatividad y persistencia de su autor. En un movimiento audaz, Dirac imaginó que quizás un electrón no podía tener energía negativa porque todos esos estados ya estaban ocupados por otros electrones. El físico alemán Wolfgang Pauli había descubierto poco antes que dos electrones no pueden estar simultáneamente en el mismo lugar y con el mismo espín, por lo que si los estados estuvieran ocupados, en la práctica es como si no existieran. Esta ingeniosa solución, claro, tenía graves consecuencias. Dirac estaba sosteniendo que el vacío, la ausencia de materia, lejos de ser el paraíso del espacio y el silencio, se parecía más a un teatro repleto con el cartel "no hay más butacas". El vacío estaría lleno de electrones ocupando las infinitas butacas de energía negativa, como un mar sin fondo: el mar de Dirac.  Éste, por lo tanto, tendría carga eléctrica y energía, ¡ambas infinitamente negativas! Nadie estaría dispuesto a aceptar semejante conjetura. ¿Cómo contrastar una idea tan escandalosamente poco intuitiva?

Una forma de poner a prueba la sorprendente idea de Dirac sería la siguiente. Si existiera ese mar conjetural de electrones de energía negativa, debería ser posible entregarle a alguno de ellos suficiente energía como para llevarlo a  tener energía positiva. Si así fuera, dejaría atrás un lugar vacante en el mar de Dirac, una butaca vacía porque un espectador abandonó la sala. Notablemente, si lo pensamos un poco, este hueco tiene todas las propiedades de una partícula con carga positiva que se puede mover. La butaca vacía, anunciada en la boletería, atrae espectadores, tal como lo hacen las cargas de signo opuesto. Puede moverse, además, porque los espectadores pueden empezar a cambiar de asiento, uno detrás del otro. El hueco en el mar de Dirac se comporta como una partícula idéntica a un electrón, pero de carga positiva. 

Si la interpretación inverosímil de Dirac fuera cierta, tendríamos que poder encontrar una partícula idéntica al electrón, pero de carga positiva. La primera tentación fue pensar en el protón, como sugirieron Hermann Weyl y el propio Heisenberg en 1929, pero la teoría invariablemente obligaba a que ambas partículas tuvieran la misma masa. El universo conocido no parecía contener una partícula semejante. Su amigo Heisenberg, decepcionado, calificó a la formulación de Dirac en una carta a Pauli como "el capítulo más triste en la física moderna". Niels Bohr sostuvo que la audacia del inglés ya no tenía sentido. Pero Dirac insistió, postulando en 1931 la existencia de electrones positivos o antielectrones como la única interpretación posible a su teoría.

La tensa espera no se prolongó demasiado. El 2 de agosto de 1932, Carl Anderson observó la primera evidencia irrefutable de los electrones positivos o positrones. Era precisamente la partícula que Dirac había predicho. Los positrones son el primer ejemplo de la antimateria. Con el tiempo se concluyó que no sólo los electrones, sino todas las partículas, tienen asociada una antipartícula. Antes de darse a conocer en un experimento, obediente e ineluctable, la antimateria salió a la luz en la página en blanco del vacío, en un audaz y bello soneto urdido por el lirismo y el genio matemático de Paul Dirac.

Feynman

La teoría de Dirac se impuso, pero no por mucho tiempo. Como suele suceder en la ciencia, los problemas no tardaron en llegar. Al intentar hacer cálculos más precisos y complejos, que involucraran muchas partículas y antipartículas, los resultados se tornaban absurdos. Se necesitaba una teoría más general: la electrodinámica cuántica, que vería la luz a finales de los 40. Uno de sus creadores fue el célebre físico estadounidense Richard Feynman. Pese a compartir con Dirac el mismo genio y la misma necesidad de encontrar belleza, Feynman era extrovertido, divertido, excéntrico y seductor. Feynman era a Dirac lo que un electrón a su antielectrón. Según Freeman Dyson, otro de los padres de la electrodinámica cuántica, Feynman no pasaba por los procesos matemáticos ordinarios en sus razonamientos. Era capaz de descubrir cosas como por arte de magia. Podía adivinar las respuestas por un extraño proceso que ni él mismo entendía.

Richard Feynman hacía sus cálculos en un topless bar. Llenaba los individuales de papel con fórmulas y bosquejos de las mujeres que bailaban allí. Propuso una nueva interpretación para la ecuación de Dirac.

Richard Feynman solía hacer sus cálculos en el topless bar de su amigo Angelo Gianone. Llenaba los individuales de papel con fórmulas y bosquejos de las mujeres que bailaban en el escenario. En su primer trabajo sobre el electrón y el positrón, Feynman propuso una nueva interpretación para la ecuación de Dirac. Para él no había energías negativas. Se trataba de electrones que se movían hacia atrás en el tiempo. Llevar energía y carga negativa al pasado es equivalente a llevar positiva al futuro, de igual modo en que es equivalente llevar dinero del banco a la casa o llevar deuda de la casa al banco. Los positrones eran, así, electrones que viajaban al pasado. Como en la famosa escena de la película Yellow Submarine, cuando los Beatles pasan por el "mar del tiempo", ven un submarino amarillo idéntico al de ellos, y John Lennon sugiere que éste no es más que ellos mismos, "viajando hacia atrás en el tiempo".

Grandes científicos, tan dispares como Dirac y Feynman, encontraron en la belleza una motivación esencial para la construcción de sus teorías. Dirac afirmaba que el investigador, "en sus esfuerzos por expresar las leyes de la naturaleza, debe preocuparse principalmente de la belleza matemática. Debe tomar la simplicidad en consideración, pero subordinada a la belleza". Paradójicamente, él era incapaz de apreciar la poesía. Una vez le dijo a su amigo Robert Oppenheimer: "En física intentamos explicar, en términos simples, algo que nadie sabía antes. La poesía hace exactamente lo contrario". Feynman, por su parte, se quejaba de un amigo artista que le decía que los científicos reducían todo a elementos básicos, despojándolos de su belleza. Le respondía que, muy por el contrario, él podía apreciar en una flor la misma belleza. Sin embargo, también podía apreciar la belleza de sus células, sus procesos biológicos y su historia natural. La belleza, según parece, no es monopolio del arte.

*José Edelstei, Departamento de Física de Partículas Universidad de Santiago de Compostela; y Andrés Gomberoff, Departamento de Física de la Universidad Católica.