La simetria en Matemáticas y en Física


Simetrías
En la vida cotidiana llamamos simétricos a los objetos que son idénticos a ambos lados, izquierda y derecha; así, el cuerpo humano es simétrico: tanto a la izquierda como a la derecha tenemos brazos y piernas. Si trazamos un eje imaginario que pase por el centro de la cabeza, a ambos lados del eje somos aproximadamente iguales. Las palabras palíndromas tienen la misma lectura de izquierda a derecha y por tanto también son simétricas; "Dábale arroz a la zorra el abad" es el más conocido.
En matemáticas definimos la simetría como la invariáncia frente a una transformación; las transformaciones de los ejemplos anteriores consisten en realizar un giro de 180 grados en torno al eje de simetría: són las simetrías izquierda-derecha. Hay muchas más simetrías; por ejemplo si pensamos en el cuadrado de vértices ABCD en el plano eucĺídeo, vemos que los giros alrededor de cualquiera de los cuatro ejes ac, db, AC, BD lo dejan invariante. Fijándonos bien, veremos que, además, hay otros cuatro giros en torno al centro del cuadrado que también son invariantes, correspondiendo a los ángulos de giro 90, 180, 270 y 360 grados. En total tenemos pues 4 + 4 = 8 transformaciones de invariancia para el rectángulo.

Clasificando simetrías
Pasando de las descripciones anteriores a la generalización, decimos que una simetría es un conjunto de giros g y simetrías axiales s: {g1, g2,..., gn, s1, s2, ..., sm}. Así, el cuadrado pertenece a la simetría {g1, g2, g3, g4, s1, s2, s3, s4}. De hecho el giro g4 de 360 grados es especial porque deja a los vértices en la posición original, así que le damos un papel distinto: es el giro “neutro”, denominado g0.
Fijémonos además que las transformaciones se pueden concatenar, dando lugar a otras transformaciones; por ejemplo podemos aplicar una simetría axial de 180 grados respecto al eje ac seguido de un giro de 90 grados respecto al centro. Si partimos de la posición ABCD, pasaremos a la posición BADC y acabaremos en CBAD. Simbolicemos la concatenación de transformaciones con el símbolo “●”, de forma que nuestro ejemplo se escribiría g1● s2 (en este orden: primero escribimos la última transformación). 
Se plantea una pregunta: ¿la transformación g1● s2 equivale a alguna de las transformaciones “elementales” {g1, g2, g3, g0, s1, s2, s3, s4}? Pues sí: equivale a la simetría axial en torno al eje BD, que denominamos s4. Escribiremos g1● s2 = s4. Siempre tendremos que la concatenación de transformaciones producirá otra transformación elemental. 
En tres dimensiones se incrementan el número de posibles transformaciones de simetría. Por ejemplo, para un cubo tenemos tres giros por los ejes que pasan por los centros de las caras, cuatro giros alrededor de los ejes que pasan por los vértices, y seis giros alrededor de los ejes que pasan por los puntos medios de las aristas; un total de 24 rotaciones.
Pasemos a otras figuras más complejas. ¿Cuantos transformaciones tendrá el octaedro? Resultan ser las mismas que las del cubo; esta coincidencia se da en muchas otras figuras, como el dodecaedro y el icosaedro (120 transformaciones) y nos da una indicación de la utilidad de estudiar las transformaciones de simetría en sí mismas, independientemente de las figuras. Por otro lado, también pueden haber simetrías en los poliedros irregulares, y en dimensiones mayores. Para sistematizar la clasificación de simetrías de cualquier objeto en cualquier dimensión los matemáticos utilizan la teoría de grupos.


Teoría de grupos
La herramienta que nos permite estudiar las transformaciones de simetría en general es la teoría de grupos. El concepto de grupo y su desarrollo teórico fueron originalmente abordados en el siglo XIX para poder avanzar en el campo de la resolución de ecuaciones algebraicas. Posteriormente se aplicaron a las transformaciones geométricas, a las simetrías, y a muchos otros campos.
Un grupo, en matemáticas, és un conjunto de “objetos” (elementos del grupo) junto con una operación entre objetos que cumple determinadas propiedades. Los números enteros junto con la suma es un ejemplo de grupo con infinitos elementos. Y las simetrías con la operación ● también son un grupo, finito en este caso.

Es fundamental el concepto de subgrupo: un subconjunto de las transformaciones que junto con la operación ● es también un grupo se denomina subgrupo; por ejemplo, el grupo de simetrias del cuadrado {g1, g2, g3, g0, s1, s2, s3, s4} tiene el subgrupo de giros {g1, g2, g3, g0}, de forma que cualquier combinación de giros sigue siendo un giro. Así por ejemplo g1●g2 = g3 (un giro de 180 seguido de otro de 90 equivale a uno de 270 grados). En cambio el subconjunto {g1, s1} no es un subgrupo, ya que g1●s1 realiza un movimiento que es distinto tanto de g1 como de s1.
Tomemos un elemento cualquiera g de un grupo G={g1,g2,...,gn} y realizemos todas las operaciones g●g1, g●g2, ..., g●gn, ¿que obtendremos? Cada operación producirá un elemento de G, así que obtenemos de nuevo G. Denotemos por g●G al conjunto {g●g1, g●g2, ..., g●gn}, tenemos que g●G = G ¿Qué pasará si tomamos un subgrupo S de G? En general tendremos que g●S no es igual a S. Los subgrupos que cumplen g●S = S se llaman subgrupos normales.

Los grupos que poseen subgrupos normales se denominan grupos compuestos, en contrapartida a los grupos simples: aquells que no poseen subgrupos normales. Podemos decir que tienen una estructura más simple en el sentido de que no podemos descomponerlo en subgrupos normales, son indivisibles.
En el estudio de los grupos, siendo los grupos simples los elementos básicos de los grupos, los matemáticos se preguntaron ¿Cuantos tipos de grupos simples hay? Si nos limitamos a los finitos, su clasificación ha sido llevada a cabo por un número considerable de matemáticos del siglo XX; se ha podido demostrar que hay dos categorías:
  • Grupos simples con cierta estructura: son los denominados cíclicos,los alternados, y los grupos de Lie
  • Grupos simples sin estructura, denominados esporádicos, de los que se sabe que hay 26.


Los grupos esporádicos, que inicialmente se creyó que tenían menos interés, resultó ser que tienen su importancia. El menor de todos ellos tiene 7920 elementos (grupo M24 de Mathieu), y el mayor, conocido como “The Monster”, tiene nada menos que...
!808,017,424,794,512,875,886,459,904,961,710,757,005,754,368,000,000,000 elementos!
En la página http://homepages.wmich.edu/~drichter/mathieu.htm podemos ver la “construcción” del grupo M24 basada en las transformaciones simétricas de un poliedro complejo multidimensional de 24 vértices, 84 ejes y 56 caras.

Ejemplo de poliedro complejo formado por triángulos de diferentes colores.


Simetría y Física
En Física se utiliza el concepto matemático de simetría relacionado con la invariancia frente a una transformación: se considera que una propiedad física es simétrica respecto a una transformación si ésta deja invariante a la propiedad. Por ejemplo, la simetría temporal significa que si invertimos el sentido del tiempo las leyes de la física siguen verificándose. Más generalmente, la simetría CPT se refiere a la carga (positiva o negativa), al tiempo (avanzar o retroceder) y a la paridad espacial (espacio actual o su imagen especular dada por un espejo imaginario).

Una de las consecuencias de la simetría CPT implica la existencia de la antimateria: cada partícula material debe de tener su partícula “especular”; así, el electrón tiene el antielectrón, el protón el antiprotón, etc. ¡Incluso postula la antigravedad y la existéncia de partículas que viajan hacia atrás en el tiempo! Si os parece que todo esto es ciencia-ficción, sabed que muy recientemente ya han sido detectada la antimateria en el laboratorio: se crearon 300 átomos de antihidrógeno que existieron durante 1.000 segundos antes de convertirse en energía pura.

A. Emmy Noether , quizá la mujer más notable en la historia de las matemáticas, formuló el sorprendente teorema que lleva su nombre y que fundamenta esta interpretación de la simetría como invariancia; dice así: toda fórmula física simétrica implica la existencia de una magnitud física invariante, y viceversa. Así por ejemplo la simetría de traslación en el espacio (el espacio es el mismo si nos trasladamos una distancia x arbitraria) implica la conservación de la cantidad de movimiento p = masa X velocidad.

Simetrías gauge (o simetrías de medida)
En Física moderna se expresan las ecuaciones que describen la dinámica de un sistema en términos de su Lagrangiano, que matemáticamente es una función de la energía del sistema. Originalmente se usó exclusivamente en mecánica (mecánica de Lagrange) pero durante el siglo XX se fue ampliando su uso al campo electromagnético y a la mecánica cuántica.
Por ejemplo, el Lagrangiano de un móvil puntual con masa M que se mueve con velocidad variable V y aceleración A a lo largo de una recta es :

L(X,V,A) = (M/2)A - V

Resulta ser que el conjunto de transformaciones del Lagrangiano de un sistema que lo dejan invariante matemáticamente, ¡resulta ser un grupo!. A esta simetría aplicada a un campo físico (como el campo electromagnético o el gravitatorio) se la conoce por simetria gauge.

El tratamiento de las teorias de campo mediante simetrías gauge, junto con la mecánica cuántica de campos, ha resultado en un avance espectacular en el conocimiento de la física desde mediados del siglo XX hasta la actualidad, y necesitaríamos mucho más espacio para explicarlo bien. Sólo daremos algunas indicaciones breves de los logros conseguidos.
  • Al cuantificar un campo físico que posee simetria gauge, se necesitó postular la existencia de nuevas partículas “teóricas”, simétricas a otras ya existentes: los bosones gauge. Posteriormente experimentos con aceleradores de partículas descubrieron que tales partículas realmente existían.
  • La teoría moderna de las partículas elementales, la llamada teoría estándar o modelo estándar, es una teoría de simetría gauge cuántica .

A pesar de que la teoria estándar tiene un alcance y precisión tremendos, no es completa en el sentido de que deja a la gravedad fuera. Hay diversas lineas de trabajo que intentan formar una teoría del todo que incluya la física de partículas y la gravedad: la supersimetría y la teoria de supercuerdas, que utiliza la famosa teoria de cuerdas junto con la supersimetria para obtener una teoria del todo. Como curiosidad, señalar que últimamente se ha descubierto una posible relación entre la simetria de esta teoria y la del grupo “The Monster”, el mayor de los grupos finitos esporádicos.

Bibliografia
Joaquin Navarro: Al otro lado del espejo.
Roger Penrose: El camino a la realidad

Comentarios

  1. Me encanta tu blog. Cada post es verdaderamente maravilloso, un gran placer leerte. :)

    Este post en particular sobre simetrías es asombroso y mi favorito me resulta extraordinario saber que la naturaleza utilice este tipo de cosas, estoy bastante deseoso de llevar ya pronto teoría de grupos y también lo estoy de seguir leyéndote espero más artículos.

    Felicidades.

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  2. Muchas gracias por tu comentario, siempre he sido un lector asiduo de literatura científica y ahora en este blog intento transmitir parte de lo que he aprendido. Es una satisfacción conseguirlo :)

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  3. Buenas, creo que en los últimos párrafos metes la gamba, con la supersimetría y la antimateria

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    1. Cierto, lo que dice es relativo a la simetria CPT no a la supersimetria, cuando pueda lo corrijo. Gracias!

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  4. Artículo corregido el26/1/17, detalles sobre supersimetría, y diversas faltas de ortografía.

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  5. Mirando que la geometría y simetría esta presente en toda la realidad lógica como el cuerpo humano y en todos los seres. Pero mirando que en la simetría tomada en un eje de coordenadas esta siempre presente en número cero así como en ondulatoria o vibración, debe de ser un número imprescindible o básico!!

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    1. Bueno, creo que el número 0 considerado desde ese punto de vista que mencionas representa una posición neutra, de equilibrio entre dos extremos vibratorios.

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