El Modelo Estándar de partículas e interacciones así como el resto de las teorías físicas más actuales están basadas en la idea siguiente: solo podemos entender los cambios que se producen en la Naturaleza cuando en su análisis encontramos algo que no cambia.
Esta idea os la repito mucho en clase y siempre os pongo dos ejemplos que están al alcance de vuestra comprensión: en los cambios químicos hay algo que no cambia, que permanece: los átomos; en los cambios físicos hay algo que no cambia, que siempre vale lo mismo: la energía.
La génesis de esa idea central de la física actual arranca con el trabajo de Emmy Noether allá por los comienzos del siglo pasado. Por decirlo brevemente: consiguió demostrar que la ley de conservación de la energía implica una simetría temporal entre el pasado y el futuro y, al revés, del carácter simétrico del tiempo newtoniano se puede deducir la conservación de la energía. Asombroso. Genial. Revelador.
Una pequeña aclaración. Por » la simetría entre el pasado y el futuro del tiempo newtoniano» tenéis que entender lo siguiente: cualquier solución de la segunda ley de Newton no distingue entre el tiempo t y el tiempo t + t0(donde t0 es una constante). Por ejemplo para el caso del MRUA conocéis bien cuál es la solución: x – x0 = v0t + 1/2 a t2 . Pero daros cuenta que ese t empieza a contar cuando nosotros queramos y que si cambiamos en esa solución t por t + 5 la ecuación resultante sigue siendo solución de la segunda ley. (haced dos veces la derivada respecto del tiempo y extasiaros al contemplar como la aceleración sale la misma)
El alcance teórico del resultado anterior es enorme, profundo y de un valor heurístico inconmensurable. Enseguida voy con un ejemplo. Como sabéis el primer principio de la Termodinámica enuncia la conservación de la energía. Antes del trabajo de Noether nadie sabía por qué la Naturaleza permitía tales cosas. Nadie tenía ni la mas remota idea por que si en una máquina metes 100 Julios de energía para hacerla funcionar no puedes obtener 200 J de trabajo. Nadie sospechaba que el primer principio de la Termo pudiese tener una fundamentación distinta de la puramente experimental.
De repente se abrió una nueva vía teórica para fundamentar toda la física conocida hasta aquel momento. A toda ley de conservación conocida se le podía asociar una simetría adecuada y viceversa. En efecto en la Física y Química de 1º dais el teorema de conservación del momento lineal en choques y explosiones. Desde luego que dicho teorema se puede deducir de las leyes del movimiento de Newton pero la explicación de Noether es mucho más elegante: se conserva el momento porque cualquier solución de la segunda ley sigue siendo solución si se cambia x por x + xo (donde x0 es una constante). Vosotros mismos lo podéis comprobar en la ecuación del MRUA de más arriba.( lo mismo que antes, derivar dos veces y comprobar que la constante x0 desaparece)
Como resultado inesperado obtenemos la respuesta a una pregunta que tenía atormentados a los físicos del siglo XIX ¿cuántas leyes de conservación existen en la Naturaleza? Ahora ya conocéis la respuesta: existen tantas leyes de conservación como simetrías exhiba la teoría. En concreto en la fisica de Newton solo puede haber tres leyes de conservación (1) la simetría temporal implica la conservación de la energía (2) la simetría espacial implica la conservación del momento lineal y (3) la simetría de rotación implica la conservación del momento angular.
La cosa no quedó ahí. El valor heurístico del teorema de Noether es descomunal. Ya no hace falta conocer las ecuaciones de la física que sustituyan a las de Newton o a las Relativistas o a la ecuación de Schrodinger, nos basta con saber que sus soluciones tienen que respetar las simetrías de los sistemas. Un ejemplo paradigmático es el spin. Pero eso os lo cuento otro día.
Tan solo una nota final. Tras la derrota en la primera guerra mundial, la sociedad alemana empezó a reconocer los derechos de las mujeres y Noether fue una de las primeras en encontrar trabajo en sus Universidades. Al llegar los nazis al poder echaron de las cátedras alemanas a todos los profesores de origen judío. Noether, el propio Einstein y muchos otros más emigraron a los Estados Unidos. A partir de entonces los norteamericanos han mantenido una primacía en la Ciencia que aún perdura