Cómo exploramos las preguntas sin respuesta en física | James Beacham | TEDxBerlin

Esta charla es de un evento TEDx, organizado de manera independiente a las conferencias TED. Más información en: http://ted.com/tedx

James Beacham busca respuestas a las más importantes preguntas sin respuesta de la física utilizando el mayor experimento científico jamás hecho, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. En esta divertida y accesible charla acerca de cómo la ciencia funciona, Beacham nos lleva a un viaje a través de dimensiones extra espaciales en busca de partículas fundamentales no descubiertas (y una explicación para los misterios de la gravedad) y detalla el impulso para seguir explorando.

Hay algo en la física

que me he estado preguntando
desde que era niño.

Y tiene que ver con una pregunta

que los científicos llevan haciéndose
durante casi 100 años

sin encontrar respuesta.

¿Cómo es que las cosas
más diminutas en la naturaleza,

las partículas del mundo cuántico,

coinciden con las cosas más grandes
que existen,

los planetas, las estrellas
y las galaxias unidas por la gravedad?

De niño, pensaba en cuestiones como estas.

Y jugaba con microscopios e imanes,

leía acerca de las fuerzas
de lo "pequeño"

y sobre la mecánica cuántica

y me maravillaba lo bien
que la descripción

encajaba con lo que observaba.

Entonces observaba las estrellas,

y leía sobre las certezas
que tenemos de la gravedad,

y pensaba que debía haber
alguna manera elegante

en la que ambos sistemas encajaran.

Pero no la hay.

Y los libros decían:

sí, entendemos mucho sobre estos
mundos por separado,

pero cuando tratamos de unirlos
con las matemáticas,

todo se viene abajo.

Y por 100 años,

ninguna de las ideas para resolver
este fracaso de la física,

ha podido ser respaldado por pruebas.

Y ante mis ojos de pequeño,

pequeño, curioso y escéptico James,

esto era una respuesta
completamente insatisfactoria.

Aún sigo siendo un niño
pequeño y escéptico.

Vayamos rápidamente a diciembre de 2015,

cuando estaba abrumado en medio

del mundo de la física
volteado de cabeza.

Todo empezó cuando vimos en el CERN
algo intrigante en nuestros datos:

la pista de una nueva partícula,

un indicio de una posible respuesta
extraordinaria a esta pregunta.

Creo que sigo siendo
un pequeño escéptico,

pero también soy
un cazador de partículas.

Soy físico en el Gran Colisionador
de Hadrones del CERN,

el experimento científico
más grande de la historia.

Es un túnel de 27 km en el límite
de la frontera entre Francia y Suiza

enterrados 100 metros bajo tierra.

Y en este túnel,

usamos imanes superconductores
más fríos que el espacio exterior

para acelerar protones
a casi la velocidad de la luz

y chocarlos entre ellos
millones de veces por segundo,

recolectando los restos
de estas colisiones

para encontrar partículas fundamentales
nuevas y desconocidas.

Su diseño y construcción
tomó décadas de trabajo

por miles de físicos
alrededor del mundo,

y en el verano del 2015,

hemos estado trabajando sin descanso
para encender el colisionador

a muchísima energía que hayamos usado
en un experimento del colisionador.

Ahora, muchísima energía es importante

porque para las partículas,
existe una equivalencia

entre la energía y
la masa de las partículas,

y la masa es solo un número
puesto allí por la naturaleza.

Para descubrir nuevas partículas,

necesitamos alcanzar grandes números.

Por eso, tenemos que construir
un gran colisionador de alta energía,

y el más grande colisionador
de altísima energía en el mundo

es el Gran Colisionador de Hadrones.

Entonces, colisionamos protones
miles de billones de veces,

y recolectamos estos datos muy lentamente,
durante varios meses.

Nuevas partículas podrían aparecer
en nuestros datos como baches,

leves desviaciones de lo que esperan,

pequeños grupos de puntos de datos
que generan una suave línea no tan lisa.

Por ejemplo, este bulto,

después de meses
de tomar datos en 2012,

nos llevó a descubrir
la partícula de Higgs,

el bosón de Higgs,

y un premio Nobel por la
confirmación de su existencia.

Este salto en energía en 2015

representó la mejor oportunidad
que tuvimos como especie

de descubrir nuevas partículas,

nuevas respuestas a
estas preguntas de siempre,

porque era casi el doble
de la energía que usamos

cuando descubrimos el bosón de Higgs.

Muchos de mis colegas han trabajado
toda su vida para este momento,

y francamente,
para el pequeño curioso James,

este fue el momento
que estuve esperando toda mi vida.

El 2015 fue el inicio.

En junio del 2015,

el colisionador se puso en servicio.

Mis colegas y yo contuvimos el aliento
y nos mordimos las uñas,

y por fin, vimos
la primera colisión de protones

a la más alta energía jamás vista.

Aplausos, champaña, celebración.

Era un hito para la ciencia,

y no teníamos idea de que encontraríamos
esta nueva información.

Y pocas semanas después,
encontramos un bulto.

No era muy grande,

pero era lo suficiente para
hacerles levantar las cejas.

Pero en la escala del 1 al 10
de levantar las cejas,

si 10 era el descubrimiento
de una nueva partícula,

esto era un nivel de 4.

(Risas)

Pasé horas, días, semanas
en reuniones secretas,

discutiendo con mis colegas
sobre este pequeño bulto,

examinándolo arduamente
desde todos los ángulos,

para ver si soportaría el escrutinio.

Pero después de meses
de trabajar vehementemente,

durmiendo en nuestras oficinas
sin ir a casa,

barras de dulce para la cena,

café por montones,

los físicos somos máquinas
de convertir café en diagramas.

(Risas)

Este pequeño bulto no desaparecería.

Tras algunos meses,

presentamos nuestro bultito al mundo
con un mensaje muy claro:

este bultito es interesante
pero no es definitivo,

así que lo monitorearemos de cerca
para tomar más datos.

Tratábamos de estar relajados al respecto.

Y el mundo se lo tomó a pecho.

A las noticias le encantó.

La gente dijo que eso
le recordaba al bultito

que fue mostrado cuando se descubrió
el bosón de Higgs.

Mejor que eso,
mis colegas teóricos,

me encantan mi colegas teóricos,

mis colegas teóricos escribieron
500 investigaciones sobre ese bultito.

(Risas)

El mundo de la física de partículas
estuvo volteado de cabeza.

Pero ¿qué tenía este bultito
en particular

que hizo que miles de físicos
perdieran colectivamente la calma?

Este bultito fue único.

Este bultito indicaba

que estábamos viendo un gran
número inesperado de colisiones

cuyos residuos consistían
en solo dos fotones,

dos partículas de luz.

Eso es raro.

Las colisiones de partículas
no son como choques de autos.

Tienen diferentes reglas.

Cuando dos partículas colisionan
a la velocidad de la luz,

el mundo cuántico toma el control.

Y en el mundo cuántico,

estas dos partículas pueden crear
brevemente una nueva partícula

que vive por una fracción de segundo

antes de dividirse en otras partículas
que golpean nuestro detector.

Imaginen un choque de autos donde
éstos se desvanecen tras impactar,

y una bicicleta aparece en su lugar.

(Risas)

Y luego la bicicleta explota
en dos monopatines,

que golpean nuestro detector.

(Risas)

Con suerte, no literalmente.

Son muy caros.

Los eventos donde solo 2 fotones
golpean el detector son muy raros.

Debido a las propiedades cuánticas
especiales de los fotones,

hay un número muy reducido
de posibles nuevas partículas,

estas míticas bicicletas,

que puedan dar a luz a solo 2 fotones.

Pero una de esas opciones es grande,

y tiene que ver con la pregunta de siempre

que me ocupaba de niño,

sobre la gravedad.

La gravedad les puede parecer
muy fuerte,

pero en realidad es muy débil comparada
con otras fuerzas de la naturaleza.

Puedo por poco tiempo vencer
a la gravedad cuando salto

pero no puedo tomar
un protón de mi mano.

¿La fuerza de la gravedad comparada
a otras fuerzas de la naturaleza?

Es 10 elevado a la menos 39.

Es un decimal con 39 ceros
después de él.

Peor que eso,

todas las otras fuerzas de la naturaleza
son perfectamente descritas

por aquello que llamamos
el modelo estándar,

nuestra mejor descripción actual de
la naturaleza en muy pequeñas escalas,

y francamente,

uno de los más exitosos logros
de la humanidad,

excepto por la gravedad, que
está ausente del modelo estándar.

Es loco.

Es casi como la mayor parte de
la gravedad hubiera desaparecido.

Sentimos un poco de ello,

pero ¿dónde está el resto?

Nadie lo sabe.

Pero una explicación teórica
propone una solución salvaje,

Uds. y yo,

incluso Uds. allá atrás,

vivimos en tres dimensiones espaciales,

espero que sea una declaración
no controversial.

(Risas)

Todas las partículas conocidas también
viven en las tres dimensiones espaciales.

De hecho, una partícula
es solo otro nombre

para una excitación en
un campo tridimensional;

un temblor localizado en el espacio.

Mucho más importante, las matemáticas
que usamos para describir estas cosas

suponen que hay solo
tres dimensiones espaciales.

Pero las matemáticas son matemáticas,
podemos jugar con ellas como queramos.

Y la gente ha estado jugando
con dimensiones espaciales extra

por mucho tiempo,

pero siempre ha sido
un concepto matemático abstracto.

Miren a su alrededor,

claramente hay solo
tres dimensiones espaciales.

Pero, ¿qué pasa si no es verdad?

¿Qué pasa si la gravedad pérdida
se filtra en una dimensión extraespacial

invisible para Uds. y para mí?

¿Qué pasa si es tan fuerte
como las otras fuerzas

si se le viera en
su dimensión extraespacial,

y lo que experimentamos
es una porción de la gravedad

que la hace ver muy débil?

Si esto fuese cierto,

tendríamos que expandir
nuestro modelo estándar de partículas

para incluir una partícula extra,
la partícula hiperdimensional de gravedad,

un gravitón especial que vive
en dimensiones extra espaciales.

Veo las miradas en sus caras.

Me estarán haciendo esta pregunta,

"¿Cómo podremos probar en el mundo
esta loca idea de ciencia ficción

atrapados como estamos
en tres dimensiones?"

La manera que siempre lo hacemos,

haciendo chocar dos protones.

(Risas)

Tan fuerte que la colisión resuene

en otra dimensión extraespacial
que podría estar allí,

momentáneamente creando
este gravitón hiperdimensional

que luego se regrese de golpe en
las 3 dimensiones del colisionador

y devuelva 2 fotones,

2 partículas de luz.

Este gravitón extradimensional
hipotético

es una de las únicas posibles
nuevas partículas hipotéticas

que tiene propiedades cuánticas especiales

que pueden dar a luz a
nuestro bultito de 2 fotones.

La posibilidad de explicar
los misterios de la gravedad

y de descubrir las dimensiones
extraespaciales...

tal vez ahora entiendan

por qué miles de frikis de la física
perdieron colectivamente la calma

ante el bultito de 2 fotones.

Un descubrimiento de este tipo
reescribiría los libros.

Pero recuerden,

el mensaje como experimentadores

que hacían este trabajo en el momento,

fue muy claro:

necesitamos más datos.

Con más datos,

este bultito se podrá convertir
en un lindo premio Nobel,

(Risas)

o en datos extras que llenarán
el espacio alrededor del bulto

y lo convertirán en un suave línea.

Así que tomamos más datos,

y con cinco veces más datos,
muchos meses después,

nuestro bultito

se convirtió en una suave línea.

Las noticias informaron "gran decepción"
de "esperanzas marchitas",

y de "la tristeza de los
físicos de partículas".

Así como suenan las noticias,

Uds. pensarán que decidimos apagar
el colisionador e irnos a casa.

(Risas)

Pero no fue lo que hicimos.

¿Pero por qué no?

Es decir, si no he descubierto
una partícula, y no lo hice,

si no he descubierto una partícula,
¿por qué estoy aquí hablando con Uds.?

¿Por qué no se me cae la cara de vergüenza

y vuelvo a casa?

Los físicos de partículas
somos exploradores.

Y mucho de lo que hacemos es cartografiar.

Les explico: olvídense del colisionador
por un segundo.

Imaginen que son exploradores espaciales
que llegan a un planeta distante

en busca de extraterrestres,

¿cuál es su primera tarea?

Inmediatamente orbitarían el planeta,
descenderían y mirarían alrededor

en busca de signos evidentes de vida,

e informarían a la base.

Esta es la etapa en donde estamos.

Le dimos un primer vistazo al colisionador

para ver cualquier partícula nueva,
grande y evidente,

y hemos informado que no hay nada.

Vimos una sombra que parecía
un extraterrestre en una montaña lejana,

pero al acercarnos,
vimos que era una roca.

Pero luego, ¿qué hacemos?
¿Nos rendimos y nos vamos?

Absolutamente no,

seríamos terribles científicos
si hiciéramos eso.

No, pasaremos el siguiente
par de décadas explorando,

cartografiando el territorio,

tamizando la arena
con un instrumento fino,

buscando debajo de cada roca,

perforando bajo la superficie.

Nuevas partículas pueden o no
mostrarse inmediatamente

como grandes bultos muy evidentes,

o pueden únicamente revelarse
tras años de tomar datos.

La humanidad ha empezado su exploración
en el colisionador a una altísima energía,

y tenemos mucha búsqueda por hacer.

Pero, ¿qué pasa si, tras 10 o 20 años,
no encontrásemos nuevas partículas?

Construiremos una máquina más grande.

(Risas)

Buscaremos a mucho más energía.

Buscaremos a mucho más energía.

Ya se está planificando
un túnel de 100 km

que colisionará partículas
con 10 veces la energía del colisionador.

No decidimos dónde la naturaleza
pone las nuevas partículas.

Solo decidimos seguir explorando.

Pero, ¿qué pasa si después
del túnel de 100 km

o uno de 500 km

o un colisionador de 10 000 km
flotando en el espacio

entre la Tierra y la luna,

aún no encontramos nuevas partículas?

Entonces, quizás estamos explorando
mal la física de partículas.

(Risas)

Quizás necesitemos repensar las cosas.

Quizás necesitemos más recursos,
tecnología, experiencia

que la que tenemos ahora.

Ya usamos técnicas de aprendizaje
automático y de inteligencia artificial

en partes del colisionador,

pero imaginen diseñar experimentos
en física de partículas

que usa algoritmos sofisticados

que podrían autoaprender a descubrir
un gravitón hiperdimensional.

¿Pero y si...?

Allí va la pregunta final:

¿Qué pasa si la inteligencia artificial
no puede responder nuestras preguntas?

¿Y si estas preguntas
durante siglos no resueltas,

no tuvieran respuestas
en un futuro inmediato?

¿Y si las cosas que
me molestaban desde niño

están destinadas a no tener respuestas
en el transcurso de mi vida?

Entonces...

será incluso más fascinante.

Nos veremos obligados a pensar
en formas completamente nuevas.

Tenemos que volver
a nuestras suposiciones

y determinar si había una falla
en algún lugar.

Necesitamos animar a más gente
a unirse a nosotros a estudiar ciencia

ya que necesitamos una mirada nueva
sobre estos problemas centenarios.

No tengo las respuestas,
aún las sigo buscando.

Pero alguien, quizás ella
esté en la escuela ahora,

quizás ella aún no ha nacido,

pueda guiarnos a ver la física
de otra manera diferente,

y señalarnos que quizás estábamos
haciendo las preguntas equivocadas

Lo cual no sería el fin de la física,

sino un nuevo comienzo.

Gracias.

(Aplausos)