KURIOSOS
"La ignorancia afirma o niega rotundamente; la Ciencia duda."

¿Qué es la masa?

El concepto de masa es bastante menos inocente de lo que parece. Para empezar, muchas veces se confunde con el peso. Hoy no me voy a detener a explicar la diferencia, voy a dar por supuesto que la conocéis. Y es que la masa ya tiene suficiente miga por si sola.
Sin ánimo de ser históricamente exhaustivo, podemos rastrear el uso puramente científico de la masa a la versión newtoniana de la mecánica. Si recordáis, aquello de “fuerza es igual a masa por aceleración“.
Es la segunda ley de Newton, probablemente la segunda ecuación más famosa del mundo (rivalizando con la energía en reposo por el primer puesto), y con total seguridad la más útil de toda la historia. Durante más de dos centurias ha sido el paradigma de la física, y aún hoy en día explica el 99% de los fenómenos cotidianos.
Sin duda, un currículum impresionante. Eso es un pedigree, y no el de Lassie. Sin embargo, desde el punto de vista de la fundamentación de la teoría, tiene un grave problema.
O, mejor dicho, tiene dos: la masa y la fuerza. Si sólo fuera uno, se podría solucionar fácilmente.
El problema que nos perturba es que nadie nos dice qué diablos son esas fuerzas ymasas que aparecen en el enunciado de la ley. Newton nunca pudo dar una definición precisa.
Podemos dar ideas intuitivas, pero no definiciones. Podemos decir que la masa mide la cantidad de materia que forma un cuerpo, o que la fuerza representa la intensidad de la interacción entre dos… Y aunque nos podemos quedar más o menos satisfechos de nosotros mismos, lo cierto es que no son definiciones muy concretas desde el punto de vista teórico.
Todo esto Newton lo sabía. El tío era muchas cosas, pero tonto no. El apaño que se ha hecho en física clásica toda la vida es dar una especie de receta que permite calcular la masa a partir del peso, algo que los antiguos egipcions ya sabían hacer (y digo calcular, que ni es lo mismo que explicar). Y una vez puesto el parche, nos olvidamos de la chapuza porque funciona.
Sin embargo, este truco del almendruco no es muy satisfactorio para un físico teórico. Y, aún así, perduró hasta el advenimiento de la física relativista, pero esto lo veremos más adelante, en la segunda mitad.
El problema de fondo es que una sola ecuación no se puede utilizar para definir dos conceptos diferentes: fuerza y masa. Uno sólo si, pero dos no.
Por ejemplo, podríamos utilizar la ley de Newton para definir que la fuerza es masa por aceleración. Eso sería correcto. Lo que pasa es que no sabemos qué es la masa; sólo sabemos que es fuerza entre aceleración. Pero la fuerza estaba definida en términos de la masa, por lo que necesitamos definir la masa primero, para poder definir la fuerza y usarla para definir la masa…
Por eso, como una sola ecuación intenta definir dos conceptos nuevos (la aceleración si está bien definida en la cinemática, gracias a Galileo), entramos en un referencia circular sin solución. La típica pescadilla que se muerde la cola. Este artículo se podría haber titulado “¿Qué es la fuerza?”, y explicaríamos prácticamente lo mismo.
De hecho, para mitigar este problema, Newton se inventó su primera ley, el principio de inercia. Si os fijáis, parece una ley algo superflua: si sobre un cuerpo no actúan fuerzas, permanece a velocidad constante. Esto también podemos saberlo de la segunda ley, sin necesidad de la primera: si la fuerza es cero, la aceleración también y por lo tanto la velocidad no cambia.
Sin embargo, mantener el primer principio da una idea de cuando no hay fuerza. Esto intenta solventar, en pequeña medida, el problema de su definición. Pero definir cuando no hay fuerza, aunque es un paso, no es lo mismo que definir qué es una fuerza. Así que el problema persiste.
Como decíamos, hasta la relatividad nos teníamos que conformar con el apaño de usar su relación con peso para poder ir tirando con el concepto de masa. De hecho, es una relación que el propio Newton se sacó de la manga. Dijo «la masa que aparece en la ley de gravitación universal es la misma que sale en la segunda ley de mi mismo». Y como funcionó, pues se quedó contento.
Pero bueno, ¡este Newton era un chapuzas!. Hace una teoría y consigue que funcione pese a que está tan mal fundamentada que sus dos magnitudes principales no están bien definidas.
Todo esto cambió radicalmente cuando nació la que probablemente es la ecuación más conocida de la historia (aunque la segunda le disputa el puesto): la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Y aquí, todo es perfecto: sabemos qué es la energía y sabemos la velocidad de la luz. Sólo tenemos una magnitud por conocer, la masa. Y cómo sólo tenemos una incógnita, podemos usar esta ecuación para definirla.
Dicho de otra forma, ahora sabemos que la masa es un tipo de energía.
Originalmente, todo esto causó en enorme revuelo en la Física Teórica. Hasta el punto que se quiso exagerar el significado de la frase anterior, y se interpretó que toda la energía era masa. Aún podréis encontrar esta interpretación en ciertos libros de divulgación, e incluso algunos especializados antiguos.
Hoy en día, la mayor parte de la comunidad científica no exagera de este forma (¡ni siquiera ahora estamos todos de acuerdo en cómo definir la masa!). Se interpreta que la masa (multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado) representa la energía necesaria para crear un objeto en su mínima expresión. Si se quiere que el objeto haga más cosas además de meramente existir, habrá que proporcionarle más energía. Por ejemplo, si queremos que se mueva, tenemos que suministrar energía cinética.
Y cuando todo cuadraba a la perfección (salvo algunas discrepancias en la forma de interpretarlo), llegó la teoría cuántica de campos con su modelo estándar de partículas. En principio, la teoría cuántica de campos es completamente compatible con la relatividad de Einstein (no así con la general, pero eso da igual ahora), por lo que en principio debería ser válida la conclusión que acabamos de explicar.
Y, de hecho, lo es. Pero algunos modelos de teoría cuántica de campos (concretamente los que reciben el nombre de teorías gauge) ponen restricciones a que partículas pueden tener masa y cuales no. Hasta aquí, bien. El problema surge cuando la se aplican este tipo de teorías al Modelo Estándar de partículas.
El modelo estándar es capaz de describir todas las partículas que conocemos. Absolutamente todas. Sin embargo, resulta que la estructura de una teoría gauge no permite que unas partículas concretas (las W y Z) tengan masa. Pero nosotros hemos visto esas partículas en laboratorios, y resulta que sabemos que sí tienen. Vaya, con lo contentos que estábamos, la masa nos la vuelve a liar gorda.
Normalmente, si una teoría describe mal la realidad, el método científico nos dice que debemos tirarla a la basura, es hora de intentar con otra nueva. Y, en el fondo, eso es lo que hacemos. Pero como el modelo estándar funciona bien en el resto de experimentos, la nueva teoría que probamos es de hecho una versión modificada del modelo estándar.
Y esa modificación recibe el nombre de partícula de Higgs. No voy a entrar en detalles, pero básicamente resulta que si existe esa nueva partícula, entonces las partículas problemáticas sí pueden tener masa, y todo encaja perfectamente como debe.
Explicado así, parece que sea una nueva chapuza para que todo cuadre. Y lo es, que esperabais. Pero si el Higgs ha tenido tanta aceptación, es porque, además de la masa de las partículas, ha permitido predecir algunas relaciones entre parámetros que no conocíamos. Es decir, experimentalmente funciona.
Eso sí, no hemos sido capaces de ver el maldito bosón por ningún lado. Y eso que estamos buscando mucho. Dependiendo de como sea, es posible que el gran colisionador de hadrones (LHC) de Ginebra lo encuentre pronto.
Y si resulta que no existe, tampoco pasaría gran cosa. Desde entonces se ha trabajado en métodos alternativos; los físicos estamos bien armados tanto para el día en que se encuentre, como para el día en que se confirme su no existencia. Seguramente, los medios de comunicación se lo tomarán peor.
En fin, amigos. Os dije que el concepto de masa tenía tela. Se empezó a usar sin entenderlo muy bien. Costó dos siglos arreglarlo del todo… O eso creíamos, porque nos tuvimos que inventar el Higgs para mantener lo que ya sabíamos. Y por sí fuera poco, todo el mundo lo sigue confundiendo con el peso.