Un solo polo, un sueño

En 1982 unos físicos de la Universidad de Stanford midieron una señal supuestamente provocada por un monopolo magnético. Esta creencia indica que los monopolos creados en la explosión de Big Bang todavía se mueven libremente en el espacio, y que uno de ellos pasó por la Universidad de Stanford, al mismo tiempo que el físico Blas Cabrera estaba realizando un experimento. Pasó por el interior de una espira de material superconductor y se produjo un salto en el flujo magnético. Cabrera estaba convencida de ello porque la caída del flujo magnético fue exactamente igual a la provocada por un monopolo. Esta historia se conoce como el suceso del Stanford.

Cabrera pudo publicar esta medición en la revista Physical Review Letters y la universidad le dio dinero para comprar un equipo mejor y repetir experimentos. Pero el evento de Stanford nunca se ha repetido. Ni Cabrera ni nadie más del mundo han detectado otro monopolio.

Desde entonces ha habido un gran debate. Por un lado, era difícil reconocer que la medición de Cabrera era era un descubrimiento del monopolo magnético, ya que era una observación única, y que los resultados de un descubrimiento deben ser repetibles. Por otro lado, no se podía demostrar si el origen de lo observado fue o no un monopolo. Muchos grupos mostraron su interés en el suceso de Stanford. Por ejemplo, en 1984 el equipo CFM del laboratorio Fermilab repitió el experimento de Cabrera modificando las condiciones para facilitar la detección y no detectó monopolios. Según ellos, la probabilidad de que el suceso de Stanford sea un monopolo es muy baja. Quizá otro factor pudiera modificar el flujo magnético en esta medida.

De hecho, con el tiempo muchos físicos descubrieron que el encendido y apagado de un dispositivo eléctrico también modifica el flujo magnético. Ese era realmente un descubrimiento. ( En The Big Bang Theory utilizar este descubrimiento y el suceso de Stanford en un capítulo relacionado con el z monopolo magnético.)

Oportunidad para la fantasía

Con el tiempo, el evento de Stanford ha perdido importancia. La comunidad científica no lo consideró como un descubrimiento y la búsqueda del monopolio siguió adelante. Todavía están en ello. Algunos físicos dicen que el monopolo tiene que existir porque algunos cálculos teóricos así lo indican; y si lo encontraran, sería una revolución en la física. Otros físicos afirman que el monopolo magnético es sólo una fantasía.

Paul Dirac. Ed. Fundación Nobel

Y es verdad que la física de hoy está llena de fantasía. Los físicos no siempre observan el universo para realizar descubrimientos, a veces desarrollan una teoría utilizando datos anteriores y buscan todo lo que sustentaría esta teoría. En muchos casos, los cálculos teóricos predicen qué debe existir y qué no. Pero puede ser una fantasía. En la actualidad existen muchos ejemplos: universos paralelos, taquiones (partículas más rápidas que la luz), partículas elementales raras, materia y energía oscuras, etc.

En cierta medida, no es justo llamar fantasía a todos ellos, ya que de vez en cuando se confirma este tipo de hipótesis teóricas. Así, por ejemplo, encontraron el planeta Neptuno; un físico calculó que, viendo cómo se movían los planetas conocidos, un planeta debía estar en un determinado entorno del sistema solar. Los astrónomos buscaron aquel nuevo planeta y descubrieron Neptuno. Otro ejemplo es el bosón Higgs, que en 1964 el físico inglés Peter Higgs desarrolló una teoría de la masa de partículas basada en una supuesta partícula (un bosón). Anunció la existencia de la partícula y la encontraron a finales de 2011 (aunque todavía es un descubrimiento a confirmar).

Pero también ha habido grandes derrotas. Por ejemplo, el XIX. En el siglo XIX, algunos físicos afirmaron que un planeta debía estar entre el Sol y Mercurio. Como argumento se utilizó el mismo argumento que para anunciar a Neptuno, que Mercurio tenía una órbita muy rara y que otro planeta explicaría dicha órbita. El presunto planeta se llamó Bulkano y fue buscado con ganas. Pero la relatividad general de Albert Einstein explicó que la extraña órbita de Mercurio es consecuencia de la cercanía con el Sol y que Bulkano no existe.

Otro ejemplo es el éter, una sustancia que llena el vacío del universo. Muchos físicos creían que existía. Pero Albert Abraham Michelson y Edward Morley diseñaron un experimento que descartó totalmente la idea del éter, uno de los pilares de la relatividad especial de Einstein.

Neptuno y el bosón supuestamente Higgs son reales. Bulcano y éter sólo fantasías. ¿Y el monopolo magnético? De momento, el monopolo forma parte del listado de fantasías físicas. Pero hay que reconocer que está muy alto en este listado.

Dirac dixit

El británico Paul Dirac estimó que el monopolo magnético puede existir en algunas estructuras en forma de cuerda. Estas supuestas estructuras se denominan, precisamente, cuerdas de Dirac. Sin embargo, por el momento nadie los ha encontrado. Figura : Guillermo Roa.

Cada año hay noticias sobre el descubrimiento del monopolo. Se han encontrado sistemas que actúan como monopolos, como en septiembre de 2009 los físicos del centro Helmholtz de Berlín anunciaron por primera vez que habían detectado el monopolo en un imán de dispersión de titanio. Este material se cristaliza en una extraña geometría y algunas zonas del interior del cristal pueden ser consideradas monopolistas. Pero aunque el descubrimiento tiene importancia, no es lo que esperan los científicos. El verdadero descubrimiento sería encontrar una partícula con un único polo magnético. Se cree que puede existir. Así lo atestiguan los cálculos realizados por el gran físico inglés Paul Dirac en 1931. Dirac decía que no buscaba el mismo monopolo, pero que aparecía en los cálculos; los cálculos anunciaban unas estructuras en forma de cuerda con un solo polo magnético, unas partículas elementales. Son las cuerdas de Dirac.

Y es posible que la cuerda de Dirac ocupe el lugar de los fotones en la teoría de la fuerza electromagnética. Hasta ahora los físicos reconocen que los fotones transmiten el magnetismo (y la electricidad). Es decir, el polo positivo de un imán atrae al polo negativo porque cuando están cerca intercambian fotones. Pero quizás los culpables no sean los fotones, sino las cuerdas de Dirac. Los cálculos de algunas teorías, realizados por Dirac, lo anuncian.

Y, según muchos físicos, es lógico. Las partículas con una sola carga eléctrica son conocidas, como el electrón y el protón, ¿por qué no existirán partículas con un solo polo magnético? Como ahora se entiende, la electricidad y el magnetismo son prácticamente iguales con esta excepción, es decir, que no se conoce el monopolo magnético pero sí el eléctrico.

Matemáticamente es fácil encontrar el monopolo magnético. Un imán típico tiene los dos polos en los extremos, y con la extensión de esta estructura los polos se alejan unos de otros. En una estructura que se alarga hasta el infinito, cada extremo será un monopolo. Y sin llegar hasta el infinito, eso es lo que han conseguido los físicos del centro Helmholtz de Berlín; hay partes o zonas de un material que actúan como si fueran monopolos. Sin embargo, no es un monopolo magnético puro. No es una partícula con un solo polo. La búsqueda de esta partícula no ha concluido.

El propio Dirac aceptaba la situación tras 50 años. En 1981 escribe sobre el monopolo: "Desde el punto de vista teórico, tengo tendencia a pensar que existen monopolos por la belleza que tiene la matemática de su creación. Aunque se han realizado muchos ensayos para detectarlos, ninguno ha tenido éxito. De ahí deberíamos concluir que la belleza matemática no es suficiente para que la naturaleza aplique una teoría. Nos queda mucho por investigar sobre los principios básicos de la naturaleza".

Han pasado 30 años más y la búsqueda está en un estado similar. Se ha buscado cerca del cero absoluto, con materiales especiales que se cristalizan según una topología especial, tratando de medir los efectos magnéticos extraños que producirían los monopolos, como el efecto cuántico Hall. Y el monopolo no aparece. Sigue en la lista de fantasías físicas. Entre los físicos todavía es un tema de moda. ¿Hasta cuándo?

Monopolo magnético vs. James Maxwell

La búsqueda del monopolo magnético se puede equiparar al caso de los neutrinos que se mueven más rápido que la luz. En definitiva, la emoción del caso de los neutrinos reside en el personaje de Albert Einstein; es posible que se cuestione la gran teoría del científico más prestigioso, lo que provoca un punto de morbo.

Ed. G.J. Stodart

Algo parecido ocurre con la búsqueda del monopolo. Si se detectara, habría que modificar o al menos adaptar la teoría física general de otro gran científico: Electromagnetismo del escocés James Maxwell. XIX. Son cosas de finales del siglo XX; Maxwell agrupó el conocimiento de la electricidad y el magnetismo en una sola teoría general y lo expresó en cuatro ecuaciones. Las ecuaciones no son las generadas por Maxwell, pero fueron recogidas en una teoría general que creó una expresión matemática elegante.

Sin embargo, la teoría de Maxwell no tiene monopolios. El campo de una carga eléctrica se extiende hasta el infinito, mientras que los polos magnéticos funcionan por parejas, ya que el campo resultante de un polo va necesariamente a otro polo y no al infinito. Si encontraran monopolo magnético, habría que revisar las ecuaciones de Maxwell. Cambiarlo o adaptarlo completamente, pero habría que hacer algo. Como ocurre con la relatividad especial de Einstein y los neutrinos rápidos.

Teoría de cuerdas y monopolos

Ed. Imagen: Guillermo Roa

Matemáticamente, la existencia del monopolo magnético se adapta perfectamente a la teoría de las cuerdas, que une todas las fuerzas de la física. La teoría es difícil, ya que está basada en unas cuerdas de 11 o más dimensiones, que serían los componentes básicos de las partículas que hoy se consideran básicas. La teoría de las cuerdas, sin embargo, va en declive, entre otras cosas porque no se puede demostrar, pero el descubrimiento del monopolo daría un empujón a la teoría. Por eso muchos físicos esperan encontrar el monopolo. Para otros muchos, sin embargo, buscar el monopolo e investigar la teoría de las cuerdas son investigaciones banales. La física académica lucha en su interior.