Ya sea el bosón de Higgs o la partícula de cuatro quarks recientemente descubierta que contiene dos quarks charm, cada vez que los físicos anuncian el descubrimiento de una nueva partícula, en realidad la encuentran en un gráfico uniforme. Un pequeño bulto. Este tipo de abultamiento es característico de la “resonancia”, uno de los fenómenos más comunes en la naturaleza
La resonancia es la base de la música, la fusión nuclear de estrellas moribundas e incluso la existencia de partículas subatómicas. Desde la vida cotidiana hasta las escalas más microscópicas, la resonancia se manifiesta.
En su forma más simple, la resonancia ocurre cuando un objeto experimenta una fuerza oscilante cercana a su frecuencia “natural”, a la que oscila fácilmente. Los objetos con frecuencias naturales “son una de las propiedades fundamentales de las matemáticas y del universo”, dijo Matt Strassler, físico de partículas de Harvard, que está escribiendo un libro sobre el bosón de Higgs.
Un ejemplo familiar, dice Strassler, es un columpio en un patio de recreo, “al tocar algo así, siempre selecciona automáticamente su frecuencia resonante”. O sacudir una copa de vino, cuyo borde vibra cientos de veces por segundo, cuando las vibraciones se aire circundante, se produce un tono característico. La frecuencia natural de un sistema depende de sus propiedades inherentes: por ejemplo, la frecuencia de sonido de una flauta coincide con su geometría cilíndrica.
El matemático suizo Leonhard Euler resolvió en 1739 las ecuaciones que describen un sistema que está continuamente excitado alrededor de la frecuencia resonante. En una carta al matemático Johann Bernoulli, escribió que el sistema exhibe “varios y maravillosos movimientos” cuyas magnitudes “aumentan continuamente hasta el infinito cuando el sistema se excita precisamente en la frecuencia resonante”.
Sobreexcitar un sistema en la frecuencia correcta puede tener efectos dramáticos: un cantante bien entrenado, por ejemplo, puede romper un vaso resonante con una voz de canto sostenida. Un puente puede colapsar al resonar con los pasos de los soldados que marchan.
Pero más comúnmente, la pérdida de energía impide el desarrollo irrestricto del movimiento de un sistema físico, y el análisis de Euler ignora la pérdida de energía. Si el cantante canta la nota suavemente, las vibraciones en el vaso aumentan inicialmente, pero las vibraciones más grandes hacen que se irradie más energía hacia el exterior en forma de ondas de sonido que antes, por lo que finalmente se alcanza un equilibrio que permite que la amplitud de la vibración se estabilice.
Ahora suponga que el cantante comienza con una nota más baja y luego sube de tono. Cuando la voz del cantante recorre la frecuencia resonante de la copa de vino, instantáneamente se vuelve más fuerte. Esta mejora se produce porque las ondas de sonido llegan al cristal en sincronía con las vibraciones que ya están allí, al igual que empujar un columpio en el momento adecuado puede amplificar su magnitud inicial de movimiento.
En función de la frecuencia, un gráfico de la amplitud del sonido dibujaría una curva con un bulto distinto cerca de su frecuencia resonante, sorprendentemente similar al bulto que anuncia el descubrimiento de partículas.
En ambos casos, el ancho de la protuberancia refleja cuán agotado está el sistema, lo que indica, por ejemplo, cuánto tiempo sonará un vidrio después de haber sido golpeado una vez, o cuánto tiempo existe una partícula antes de que se descomponga.
