Los físicos, pese a carecer de una teoría cuántica de la gravedad
viable, no pueden resistir la tentación de proponer hipótesis sobre las
características del espaciotiempo a escalas de distancia de 10-33 cm (la
escala de Planck, a la que pasan a ser importantes los efectos
cuánticos de la gravedad), aunque sólo sea para convencerse de que sus
conceptos más amados se desintegran a tales distancias. Pero cualquiera
de esas hipótesis, por ahora, chocan con una realidad: los fósiles que
se disponen para estudiarlos no sabemos interpretarlos. A temperaturas
muy elevadas, la situación se deteriora rápidamente. En el borde fatal
de 10-32 K –la temperatura de Planck–, nada marcha. Nuestra física deja
de funcionar.
El comportamiento de la materia en esas extremas
condiciones se encuentra muy por fuera de nuestras posibilidades de
manejo. Peor aún, hasta nuestras nociones tradicionales pierden su
sentido, y tocamos los límites del conocimiento que hasta ahora ha
adquirido la humanidad.
Pero como los físicos son personas habituadas a hacer
volar sus pensamientos, algunos de ellos sostienen que a la escala de
Planck el espaciotiempo adopta una estructura espumiforme.
A escalas de
mucha distancia, como las que experimentamos a diario, el espaciotiempo
parece plano y liso como la superficie del mar vista desde lo alto; pero
al aproximarnos a la escala de Planck, se agita y espumea como un
océano turbulento. Si los físicos pretenden describir el micromundo a la
distancia de la escala de Planck, quedará poco del espaciotemporal
continuo en el que se ha basado hasta ahora la descripción de la
naturaleza. Es posible que se apele a nuevos conceptos más allá del
espacio y del tiempo. Mas, pese al hecho de que las teorías relativitas
del campo cuántico actuales fallen a la escala de Planck, los físicos no
hallan nada que les impida describir el micromundo a todas las escalas
de distancia superiores a la escala de Planck. Ese es el motivo de que
se prescinda sin problema de la gravedad al pensar en unificar todas las
otras fuerzas. Hay ya teorías, aunque parciales, matemáticamente
coherentes (GUT's), que unifican las fuerzas débil, electromagnética y
fuerte a escalas de distancia previas a la escala de Planck, aunque no
hayan sido verificadas experimentalmente.
Muchos físicos están convencidos de que si bien teorías
como las GUT's han aclarado la dinámica del universo muy primitivo,
mientras no exista una teoría totalmente unificada (que incluya la
gravedad) no se podrá describir el origen del universo. Porque si
imaginamos que retrocedemos en el tiempo hasta el universo muy
primitivo, la temperatura y la energía de interacción de partículas
cuánticas pueden aumentar sin límite de modo que llegará un momento en
que se penetre en la escala de distancias de Planck. El problema de la
gravedad cuántica se plantea inevitablemente si queremos aclarar el
origen del universo.
Aunque los físicos no hayan logrado, ni mucho menos,
inventar una teoría de campo totalmente unificado que incluya la
gravedad, hay muchos que creen que se ha dado un gran paso adelante en
esta dirección en la última década. El punto de partida ha sido siempre
la teoría de la relatividad general de Einstein y conceptos con ella
relacionados, por lo eficaz que es esa teoría para explicar la física
gravitatoria macrocósmica. El problema es que hay que modificar esta
teoría sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a
gran escala y resolver al mismo tiempo los problemas de la gravedad
cuántica a corta distancia y de la unificación de la gravedad con las
otras fuerzas de la naturaleza. Se han propuesto soluciones a este
problema, como la «teoría de la supergravedad» y la «teoría de
Kaluza-Klein» y, la más reciente, que ha despertado gran interés: «la
teoría de las supercuerdas» .
Sólo el tiempo podrá decirnos si estas
ideas van a llevar a los físicos a callejones sin salida o si nos
conducen hacia una teoría general del universo. Pero en el fondo, no son
más que «ideas vesánicas de la historia sin fin…», que podrían, a lo
mejor, estar en lo cierto.
La mecánica cuántica permite que un Universo se materialice a partir de la nada por efecto túnel. Justo después de la tunelación el Universo es ultramicroscópico, pero al estar lleno de “falso vacío”, comienza a expandirse exponencialmente (inflación cósmica). En una fracción de segundo adquiere un tamaño enorme. Al término del período inflacionario la energía del “campo inflatón” se convierte en materia y radiación ordinarias. Puesto que el estado de “falso vacío” es inestable, inevitablemente se produce una transición de fase hacia un “vacío verdadero” (que es el estado de mínima densidad de energía).
En esta transición desde el “falso vacío” hasta el vacío verdadero (que se conoce como “desintegración del falso vacío”), los valores elegidos aleatoriamente por los campos de Higgs rompen la simetría de gran unificación y las tres fuerzas que antes estaban unificadas se separan en fuerzas distintas, este mecanismo es conocido como “ruptura espontánea de la simetría”.
El “falso vacío” tiene una presión negativa, la cual genera un campo gravitatorio repulsivo, que es el responsable de la fase de expansión exponencial que el universo experimentó en sus primeros instantes, conocida como inflación. La inflación termina con la “desintegración del falso vacío”. La nucleación cuántica de universos a partir de la nada NO quebranta la ley de conservación de la energía ya que la energía negativa del campo gravitatorio anula la energía positiva del “falso vacío”, de modo que la energía del Universo es nula.
El conocimiento científico es una construcción humana que tiene por objetivo comprender, explicar y también actuar sobre la realidad. No puede ser dado como absoluto y está sujeto a reconstrucciones.
El conocimiento científico está constituido por conceptos, juicios y raciocinios, en el que las ideas son punto de partida y punto final del trabajo científico, aunque la percepción y la representación mental forman parte de las operaciones que el científico realiza para construir esas ideas.
Se exige además, que esas ideas puedan combinarse de manera lógica y se estructuren en conjuntos ordenados de proposiciones: las teorías.
Otra cosa son las teorías que se basan en suposiciones basadas en creencias o percepciones subjetivas que no se apoyan en hechos contrastados y verificados, evidencias no demostrables que no tienen ningún rigor sólido ni valor de prueba verificable.
Evidentemente, no es lo mismo la teoría de los contactos alienígenas que la teoría de la relatividad
Una posibilidad para el final del Universo es donde la aceleración causada por la energía oscura aumenta sin límite, y la energía oscura eventualmente se vuelve tan fuerte que supera por completo los efectos de las fuerzas nucleares gravitacionales , electromagnéticas y débiles. Conocido como el "Big Rip", esto resultaría en galaxias , estrellas e incluso átomos, literalmente destrozados, con el Universo tal como lo conocemos que termina dramáticamente en un tipo inusual de singularidad gravitacional dentro del horizonte de tiempo relativamente corto de solo 35-50 mil millones de años.
Quizás la posibilidad más probable, sin embargo, basada en el conocimiento actual, es una disminución larga y lenta conocida como "Big Freeze" (o "Big Chill" o "Heat Death"). En este escenario, el Universo continúa expandiéndose y gradualmente "desciende" a un estado de energía libre en el que es incapaz de mantener el movimiento o la vida. Eventualmente, en una escala de tiempo de 10^14 años o más, alcanzaría un estado de entropía máxima a una temperatura muy cercana al cero absoluto, donde el universo simplemente se vuelve demasiado frío para mantener la vida, y solo quedarían estrellas quemadas, planetas muertos y fríos y agujeros negros.
Lo que sucede después es aún más especulativo pero, eventualmente, incluso los átomos que componen la materia restante comenzarían a degradarse y desintegrarse, a medida que los protones y los neutrones se descomponen en positrones y electrones, que con el tiempo colisionarían y se aniquilarían entre sí. Dependiendo de la tasa de expansión del Universo en ese momento, es posible que algunos electrones y positrones puedan formar átomos extraños de miles de millones de años luz de tamaño, conocido como positronio, con las partículas distantes orbitando entre sí tan lentamente que llevaría un tiempo de millones de años para que se muevan un solo centímetro. Después de quizás 10^116 años, incluso el positronio se habrá colapsado y las partículas se aniquilarán entre sí.
De esta manera, toda la materia se evaporaría lentamente como una energía débil, dejando solo agujeros negros, cada vez más dispersos a medida que el Universo continúa expandiéndose. Los agujeros negros se romperían eventualmente, filtrando lentamente la "radiación de Hawking", hasta que, después de 10^200 años, el Universo exista como espacio vacío y radiación débil. Al final del Universo, el tiempo mismo perderá todo significado, ya que no habrá eventos de ningún tipo y, por lo tanto, no habrá un marco de referencia que indique el paso del tiempo o incluso su dirección.
Se puede dividir la vida de nuestro Universo, geometría plana, topología Moebius, en varias etapas o eras, desde la que vivimos actualmente, una era de nacimiento de estrellas y galaxias, hasta la final, cuando la oscuridad sea la dueña absoluta de Todo, en un Universo que sigue expandiéndose indefinidamente.
Los agujeros negros terminarán engullendo la materia, y ellos mismos acabarán por disiparse debido a la radiación de Hawking.
Al final, la oscuridad de un espacio vacío, sin materia, sin energía, será lo más parecido a la nada absoluta...
La famosa paradoja acerca del gato apareció impresa por primera vez en 1935. Einstein calificó la proposición de Schrödinger como la forma «más bonita» de mostrar el carácter incompleto de la representación ondulatoria de la materia como representación de la realidad. La paradoja del gato aún se discute en teoría cuántica; esta paradoja no ha sido resuelta de forma satisfactoria para todos.
La idea que hay tras este experimento imaginado es muy simple. Schrödinger sugirió el considerar una caja que contiene una fuente radiactiva, un detector que registra la presencia de partículas radiactivas (un contador Geiger, por ejemplo), una botella de vidrio conteniendo un veneno como el cianuro, y un gato vivo. Se diseña el experimento de forma que el detector esté conectado el tiempo suficiente como para que exista una probabilidad del 50 % de que uno de los átomos del material radiactivo se desintegre y el detector registre una partícula. Si el detector registra un suceso de este tipo,el recipiente de vidrio se rompe y el gato muere; si no, el gato vive.
No hay forma de conocer el resultado del experimento hasta que se abre la caja y se mira en su interior; la desintegración radiactiva es un fenómeno aleatorio y es impredecible excepto en sentido estadístico. De acuerdo a la interpretación de Copenhague, igual que sucedía en el experimento de la doble rendija donde existía la misma probabilidad de que el electrón pasara por uno u otro de los agujeros y las dos posibilidades solapadas originaban una superposición de estados, en este caso las dos probabilidades iguales para la desintegración y para la no desintegración producirían una superposición de estados.
El experimento entero, con el gato y los demás componentes, está basado en la regla de que la superposición es real hasta que se observa, y que únicamente en el instante de dicha observación la función de onda se colapsa en uno de los dos estados. En tanto que no se mire el interior de la caja, hay una muestra radiactiva que se ha desintegrado y no se ha desintegrado, un vaso con veneno que no está ni roto ni entero, y un gato que está muerto y vivo, y ni vivo ni muerto.
El Principio de Incertidumbre de Heisenberg, El Origen de las especies, El triángulo de las Bermudas, El hotel infinito de Hilbert, La Teoría de la Relatividad de Einstein...empezando por Heisenberg y terminando por Einstein, cualquiera que preguntara por alguna de estas cuestiones y fuera contestado de manera precisa, se encontraría con un mar de datos, fórmulas, deducciones, hipótesis y tesis, que muy probablemente le llenarían la cabeza hasta casi hacerla estallar. Aquí se trata de una explicación sumamente sencilla, sumamente rápida y sumamente insuficiente.
Sin embargo, quizá consigan estas ínfimas respuestas, con sus simpáticas animaciones, despertar un cierto interés que cristalice en un estudio mucho más exhaustivo de todos y cada uno de los temas, enormemente interesantes, que nos amplíen nuestros límites de entendimiento y nos lleven por los caminos rigurosos de la Ciencia, en nuestra innata curiosidad en la búsqueda de la verdad.
Es esa curiosidad la causante del avance extraordinario de la Ciencia, desde que el hombre más primitivo, mirando al firmamento, se preguntara: "Por qué", y decidiese que las respuestas deberían tener un carácter basado en la razón y no en las creencias
Ese lenguaje tan abstracto e incomprensible para muchos (el lenguaje matemático) no sólo explica el día a día del mundo, sino también el del Universo. Fórmulas tan sencillas y clásicas como las ecuaciones de Newton revelan por qué nos movemos por el suelo y al saltar caemos de nuevo sobre él. Si saltásemos sobre la Luna nos elevaríamos mucho más alto porque su masa es más pequeña y hay mucha menos atracción gravitacional.
Toda ecuación es importante, y nadie puede certificar que alguna sea más relevante que otra, pero algunas fórmulas clave están presentes en la cabeza de todos por haber contribuido a cambiar la historia de la Humanidad.
Teoría de la Relatividad
Formulada en 1905, esta archiconocida ecuación cambiaría radicalmente el curso de la física. Así, esta ecuación, por la que Einstein será recordado para siempre, demostró que la masa y la energía eran simplemente dos caras de la misma moneda.
Ley de la Gravedad
Formulada en 1687 por Isaac Newton, esta ecuación no solo explicaba este fenómeno físico sino que ayudó a comprender el funcionamiento de la gravedad a nivel de todo el universo, unificando en una sola ecuación fenómenos aparentemente tan diferentes como la caída de una manzana y las órbitas de los planetas.
Ecuaciones de Maxwell
Describen por completo los fenómenos electromagnéticos, el comportamiento y la relación entre la electricidad y el magnetismo. En origen se trataba de 20 ecuaciones pero finalmente fueron unificadas en 4. El responsable de tal avance fue James Clerk Maxwell en 1863.
Segunda ley de la Termodinámica
Formulada en 1874 por Ludwig Boltzmann, a hombros de Carnot, esta ecuación indica que, en un sistema cerrado, la entropía es siempre constante o creciente. Se trata de una de las leyes más importantes de la física y expresa que “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo”.
Ecuación de Schrödinger
Formulada en 1927 por Erwin Schrödinger, describe la evolución temporal de una partícula masiva no relativista. Así, el espacio no está vacío y cuando una partícula lo atraviesa, la deforma, y el espacio también genera una forma de onda por esta perturbación. La ecuación representa la probabilidad de que en un tiempo determinado se encuentre allí la partícula en las coodenadas X,Y y Z del espacio. En definitiva, describe la evolución de un sistema cuántico.
Si hay algo que parece único, es el Universo, al que más de uno definiría, simplista pero razonablemente, como el “conjunto de todas las cosas”. De hecho, la singularidad mayor de la Cosmología es que no puede, al contrario de lo que ocurre en otros campos de la Ciencia, experimentar con su objeto principal. No hay manera, en efecto, de introducir modificaciones, de afectar al Universo para comprobar si responde de la forma que prevén nuestras Teorías Cosmológicas.
Pero una de las cosas que enseña la Ciencia es que cualquier idea es posible, no importa lo peregrina que nos pueda parecer fuera del contexto apropiado que le da sentido. Así ocurre con el Universo, que puede dejar de ser único y convertirse, para los físicos teóricos, en múltiple.
Esta extraña, pero sin duda atractiva posibilidad, procede no de la Cosmología, sino de la Mecánica Cuántica. Una de las características más problemáticas de la Teoría Cuántica se encuentra en el denominado “colapso de la función de onda”, el proceso mediante el cual, al observar un fenómeno, el sistema “colapsa”, se reduce, elige uno de los estados presentes en la función de onda, que está formada por una superposición lineal de estados “elementales” o autoestados. La Mecánica Cuántica únicamente nos dice que existe tal o cual probabilidad de que el resultado de nuestra medida sea el que expresan los diferentes autoestados.
Una teoría de cómo agrupar las civilizaciones avanzadas fue enunciada por el astrofísico ruso Nicolai Kardashov que propuso agruparlas en tres tipos: I, II, y III.
Una civilización tipo I sería verdaderamente planetaria, una sociedad multicultural, científica y tolerante donde todo el planeta está interrelacionado, y hoy en día podemos ver señales de ello en la Tierra.
Dado que una civilización del tipo I ya es verdaderamente planetaria, en la actualidad la civilización humana aún es del tipo 0, recalco; existen las huellas de una civilización tipo I pero aún necesitaremos algunos siglos más para llegar al siguiente tipo; el científico Carl Sagan estimó que estamos en alrededor del 0.7 en esta escala.
Una de las suposiciones de las civilizaciones tipo I es que llegan al equilibrio ecológico, resuelven conflictos nacionales y raciales, y son capaces de aprovechar todas las fuentes de energía disponibles en su planeta, algo que evidentemente aún no sucede en nuestra civilización; problemas como el calentamiento global y las guerras son una realidad.
Después de cierto tiempo, un planeta no será suficiente para suplir las necesidades energéticas de una civilización tipo I, por lo que tenderá a consumir la energía de su estrella. Las civilizaciones capaces de aprovechar toda la energía que requieren de su estrella son del tipo II o estelar, y para realizar tal proeza hay una idea que parecerá sacada de una historia de ciencia ficción pero que podría ser factible, construir una esfera de Dyson. Se trata de una estructura que circundaría una estrella y que por ende absorbería toda la energía que emitiera. Suena extravagante pero hay astrónomos que se lo toman en serio. Por ejemplo, en la estrella KIC 8462852 se han percibido anomalías que consisten en una reducción periódica del 20% de su brillo en periodos no regulares, lo cual no debería ocurrir en una estrella adulta libre de discos protoplanetarios
El Multiverso es una teoría de la Física teórica, relativista y cuántica, (supercuerdas y teoría M) que postula que nuestro universo es solo uno en una vasta colección de universos que existen separados por distancias que no somos capaces ni de imaginar.
El origen de este Multiverso estaría en una primera inflación, un primer Big Bang, que le dio origen a todo, incluido el tiempo y el espacio. De acuerdo con una variante de la teoría, esta inflación eterna continúa en algunos lugares, pero en otros, se detiene. Allí, en los lugares donde la inflación no continúa, se originarían los universos, el nuestro y también otros, cada uno con sus leyes físicas y fundamentales distintas. Mientras se van creando, como burbujas en una bañera, la inflación continúa separándolos eternamente.
Esta teoría parte de un vacío cuántico inicial, cuyas fluctuaciones permiten la aparición y desaparición continua de partículas, la "bañera" del ejemplo, al que podemos llamar "inflatón"o "universo de fondo". Pero teorías más radicales, basadas en postulados de la Física cuántica, como el principio de Incertidumble, el efecto Lamb, el efecto Casimir, el efecto Schwinger y muchos otros, apuntan al cambio de esta teoria, sustituyendo el vacío cuántico por la nada absoluta. La Física cuántica ha destruido la causalidad, "todo efecto no tiene por qué tener una causa", y la certeza absoluta, "todo aquello que no viole ninguna ley cuántica, puede ocurrir".
Así, el desarrollo de los acontecimientos, sería el siguiente:
NADA-BIG BANG PRIMORDIAL (INFLACION PRIMORDIAL)-UNIVERSO DE FONDO-INFLACION-UNIVERSOS BURBUJA-BIG BANGS LOCALES (INFLACIONES DE LOS DISTINTOS UNIVERSOS CON DISTINTAS LEYES FISICAS)...
En estos universos múltiples, con distintas leyes físicas, la inflación puede frenarse, acelerarse, estancarse...Uno de estos universos es el nuestro, con leyes de su naturaleza que, gracias al gran avance de la Ciencia, estamos empezando a comprender. Es un universo plano, con una inflación que se acelera, lo que predice un final de expansión eterna.
El modelo del Multiverso expuesto, aun basado en teorías matemáticamente contrastadas y científicamente plausibles, es teoría, y lo que es peor, prácticamente indemostrable. Nuestro confinamiento en el universo en que habitamos nos hace imposible acceder a métricas y condiciones necesarias para la confirmación de la teoría, por lo cual, es muy probable que nunca podremos tener una "Ley del modelo de Multiverso inflacionario". Los modelos inflacionarios todavía no están libres de problemas en su definición. Por ahora se basan en modelos extrapolados de modelos efectivos, es decir, no sabemos qué campo es el que generó la inflación. Lo que parecen indicar los datos es que debe de ser un campo escalar.
Afortunadamente ya hemos encontrado un campo escalar fundamental en la naturaleza, el Higgs. Eso hace más plausible encontrar otro, el inflatón (universo de fondo), que produzca la inflación. Los argumentos gravitatorios asumen que la relatividad general es válida en el contexto inflacionario, tal vez lo sea, pero no está probado. Seguramente hay que partir de un estado anterior preinflacionario en el que una teoría de gravedad cuántica sea indispensable para saber qué genero y cómo la inflación. Pero nos queda el consuelo de haber llegado hasta aquí con razonamientos exclusivamente científicos, y ser conscientes de que la Física avanza con paso firme y acelerado hacia la comprensión del mundo, del todo... de la verdad.
Las matemáticas están presentes en nuestro día a día de innumerables formas. Sus ecuaciones, aplicadas a la física, han cambiado el curso de la historia para comprender el mundo que nos rodea y el Universo en que habitamos. Las matemáticas son el engranaje central que hace que giren todos los demás elementos que forman el cosmos.
Sin esa ciencia abstracta, no hubiese sido posible desarrollar o comprobar gran parte del conocimiento que tenemos en otros campos como la física, la química, la ingeniería e incluso la medicina y las ciencias sociales. Las leyes de la naturaleza y las leyes artificiales son expresiones de un fenómeno explicadas por las matemáticas para que el ser humano las pueda comprender (o al menos intentarlo). Lo que a primera vista no es más que una sucesión de letras, números y símbolos que suponemos que tienen un orden determinado, esconde en realidad las respuestas a preguntas que la humanidad lleva planteándose desde hace mucho tiempo.
Tal vez esas ecuaciones sean desconocidas para aquellas personas que no estudian el campo correspondiente o que no tienen un verdadero interés por el tema, pero una rápida búsqueda en Internet o en un libro hará que nombres como Pitágoras, Newton, Maxwell o Einstein comiencen a sonarnos de forma lejana. La llamada “cultura popular” hace que estos nombres sean reconocibles en casi cualquier parte del mundo, aunque no todos podamos comprender en qué consistió el trabajo de estos genios de su tiempo.
La teoría de cuerdas es, probablemente, uno de las hipótesis más intrigantes del mundo de la ciencia. Es un intento por explicar todo lo que podemos observar en el universo. Con el paso de las décadas, ha ido evolucionando, y ha pasado por momentos de mayor y menor popularidad. Pero… ¿en qué consiste exactamente?
Para poder explicar la teoría de cuerdas, hace falta embarcarse en un pequeño viaje por la historia de nuestra ciencia. Concretamente, tendremos que viajar hasta 1919. Es en ese momento cuando nos encontramos con un físico alemán: Theodor Kaluza. Quizá su nombre no te resulte especialmente conocido, pero tuvo una idea que, a priori, sonaba bastante descabellada: el universo podría tener más de 3 dimensiones.
¿Cómo se le ocurrió esta posibilidad? Sólo hace falta retroceder unos años más, a 1907, para dar con la respuesta. Obtuvo la inspiración del mismísimo Albert Einstein. A principios del siglo pasado, el genial físico ya había planteado su famosa teoría de la relatividad. Pese a su popularidad, y por raro que parezca, en su época, el proyecto de Einstein para entender la gravedad parecía no tener mucho sentido. A fin de cuentas Newton, en el siglo XVII, ya nos había explicado el movimiento de los planetas, por qué caían las manzanas de los árboles, etc…
Sin embargo, Einstein buscaba un enfoque diferente. Quería entender cómo funcionaba la gravedad. ¿Cómo podía ser que el Sol, a 150 millones de kilómetros de distancia de la Tierra, fuese capaz de ejercer su gravedad? ¿Cómo la transmitía a través de un espacio vacío e inerte? En cierto modo, podemos decir que Einstein descubrió que el espacio, en ausencia de materia, es como una superficie completamente lisa.
Si hay algo que tenga masa, el espacio se curva. Esa curvatura comunica la gravedad. Lo mismo se aplica a la Tierra. La imagen que acompaña este párrafo sirve para ilustrarlo. Imagina que la esfera del centro es el Sol o la Tierra y, la esfera que gira es respectivamente, la Tierra o la Luna. Es la curvatura del espacio la que hace que el objeto se mueva a su alrededor. Como si siguiese el camino a través de un valle.
La idea de Einstein era elegante y funciona. Hizo que se convirtiese, seguramente, en uno de los grandes científicos de nuestra historia. El hallazgo del genial físico hizo que Kaluza comenzase a pensar. Ambos buscaban una teoría unificada (también llamada teoría del todo, es la misma idea). Es decir, una teoría que fuese capaz de describir todas las fuerzas fundamentales del universo. Algo así como una ecuación maestra. Una llave para abrir todas las puertas.
Theodor Kaluza entendió que Einstein había sido capaz de describir la gravedad como un conjunto de curvas y deformaciones en el espacio-tiempo. Así que intento hacer lo mismo con la otra fuerza que se conocía en aquella época: la electromagnética. En la actualidad conocemos más, pero la fuerza electromagnética es, básicamente, la responsable de cosas como la electricidad o la atracción magnética. Kaluza pensó que podría hacer lo mismo. Explicar la fuerza electromagnética como curvas y deformaciones.
Pero… ¿en qué? Einstein ya había usado el espacio-tiempo para explicar la gravedad. ¿Qué otra cosa podía ser la responsable de transmitir la fuerza electromagnética? No parecía haber nada más. Kaluza propuso que podía haber dimensiones extra. Es decir, para poder describir una fuerza más, quizá fuese necesario añadir una dimensión más al universo. Así, tendría cuatro dimensiones físicas y el tiempo (que siempre tratamos como una dimensión más).
Lo más curioso es que, cuando se puso a escribir las ecuaciones que explicaban esas curvas y deformaciones de un universo de 4 dimensiones (en vez de 3) se encontró con las mismas ecuaciones de Einstein para la gravedad. Hasta aquí, todo normal. Pero había una más. Una ecuación que era, exactamente, la misma que los científicos ya conocían para describir la fuerza electromagnética. Eso sí, que todo pareciese cuadrar, no quería decir que Kaluza hubiese dado con la clave.
Porque, cabe preguntarse otras cosas. Si el universo tiene más dimensiones… ¿dónde están? No las podemos ver a nuestro alrededor. Del mismo modo, ¿esta teoría funciona si la aplicamos con detalle a todo lo que nos rodea? La respuesta a la primera pregunta llegó unos años después, en 1926. Se le ocurrió a un físico sueco: Oskar Klein. Sugirió que quizá haya dos tipos de dimensiones. Unas grandes y fáciles de ver, y otras mucho más pequeñas, rizadas y enrolladas sobre sí mismas.
Serían tan pequeñas que, a pesar de estar alrededor nuestro en todas partes, no podemos verlas. El razonamiento puede parecer difícil de entender, pero tiene su sentido. Imaginemos que tenemos un cable, visto desde la distancia. Podríamos decir, sin dificultad, que desde nuestra perspectiva, el cable es un objeto unidimensional. Pero no es así. Sabemos que tiene algo de grosor y altura. Es más. Para las hormigas, ese grosor y altura son perfectamente accesibles.
Para ellas, el cable es un objeto completamente tridimensional. Así que la idea de Klein viene a ser algo parecido, solo que en una escala muchísimo más pequeña que lo que podemos imaginar. De tal manera que, si fueses una hormiga increíblemente pequeña, podrías moverte por la escala más pequeña del espacio-tiempo y ver esas dimensiones extra, enrolladas sobre sí mismas, como el grosor de ese cable. De esta manera, la primera pregunta podría tener una respuesta que parece bastante plausible.
Pero, ¿y la otra pregunta? ¿Funciona la idea de Kaluza si la aplicamos al mundo real? La respuesta es que no. En aquella época, con el conocimiento que tenían, con el trabajo de Kaluza, Einstein y otros científicos, descubrieron que no eran capaces de obtener cosas como la masa de un electrón. Así que esta idea de explicar el universo con una teoría unificada fue cayendo en el olvido a mediados del siglo XX (hacia los años 40).
Pero no llegó a caer en el olvido absoluto. En las últimas décadas del siglo XX, volvió a resurgir de una forma diferente: la teoría de supercuerdas. La teoría de supercuerdas va un paso más allá de lo que pensaba Kaluza. Los científicos (hablamos de científicos de nuestra época, personas como Brian Greene, que están trabajando en este campo) se hicieron una pregunta relativamente simple… ¿cuál es el elemento más pequeño, indivisible, inseparable (y todos los “in” que se te puedan ocurrir) que componen el mundo que nos rodea?
Imaginemos que tenemos una pelota de fútbol. La observamos en su tamaño más pequeño posible. Es decir, vamos descendiendo y llegamos a los átomos. Probablemente sepas que los átomos no son la unidad más pequeña que podemos observar. Están formados por partículas aún más pequeñas. En su nivel más esencial, tenemos fermiones y bosones. No voy a hablar de qué son. Pero sí diré que un protón, por ejemplo, está compuesto de quarks (un tipo de fermión).
Concretamente, dos quarks arriba y un quark abajo. El neutrón está formado por un quark arriba y dos quarks abajo. La cosa es que no hemos sido capaces de observar más allá del quark. Es decir, ahí termina lo que sí conocemos. Pero aquí, la teoría de cuerdas nos lleva un pasito más allá. En ella, se plantea que en el interior de los quarks hay algo así como un filamento de energía que vibra. En esencia: una cuerda.
Esas cuerdas, de una forma parecida a las cuerdas de un instrumento musical, pueden vibrar de diferentes maneras. Del mismo modo que la cuerda de un instrumento musical produce diferentes notas musicales, las diferentes vibraciones de estas cuerdas producen las diferentes partículas que vemos en el universo. En ese nivel microscópico, esta sería la pieza básica del universo. Sus vibraciones (en diferentes frecuencias) producen diferentes partículas, y esas partículas son lo que vemos en todas partes.
Es una teoría muy elegante. Si funciona, quiere decir que tanto las partículas de la materia como las de las fuerzas fundamentales tienen un mismo origen. Todas tendrían en común esas cuerdas vibratorias. Así que, en un arrebato de locura, o genialidad, pasamos de intentar explicar las fuerzas fundamentales con una única teoría en los años 50… a intentar explicarlo todo en los años 90. Todavía no tengo claro si es una locura o una genialidad.
En cualquier caso, para ver si esta idea tiene sentido hay que probarla. Las matemáticas de esta teoría de supercuerdas no funcionan en un universo con tres dimensiones. Tampoco con cuatro (como el que planteaba Kaluza). Ni con cinco, ni seis, ni siete… Hay que subir hasta las diez dimensiones físicas (y una temporal). Es el único universo en el que funciona. Si ya es difícil imaginar cuatro dimensiones físicas, os invito a no intentar imaginar diez. Da un dolor de cabeza terrible.
¿Qué propósito podrían tener esas dimensiones extra? Científicos como Greene creen que esas dimensiones extra podrían ser una respuesta. Hay una gran pregunta en la física que todavía no tiene respuesta. Podemos decir que nuestro universo se rige por varios números. Cosas como la masa de una partícula, la fuerza de la gravedad, la velocidad de la luz… Hemos medido todos esos números con gran precisión.
Pero… ¿por qué tienen esos valores exactamente? ¿Por qué la luz viaja a casi 300.000 km/s? ¿y por qué la gravedad tiene esa intensidad? Esas dimensiones extra, y la forma que tuviesen, si es que existen (que no es algo que esté ni mucho menos comprobado) podrían determinar cómo vibran las cuerdas de esta teoría. Si fuese así, la forma del universo, sumando todas esas dimensiones, es la que nos diría por qué es como es.
Es una pregunta muy importante. Imagina que tuviésemos una máquina en la que ajustar todos esos parámetros. Cambiar cualquiera de esos valores por poco que sea, nos lleva a un universo en el que, probablemente, no existiría la vida. Es sorprendentemente fácil, con tocar un poco esos valores, producir un universo absolutamente incompatible con la vida. Quizá, incluso incompatible con su propio funcionamiento (un universo que nunca llegase a tener un Big Bang, por ejemplo).
No menciono el universo por casualidad. La teoría de cuerdas nos dejaría explicar cosas como qué pasa en la singularidad de un agujero negro. Pero si de verdad queréis sufrir un poco, la imagen que acompaña este párrafo podría ser una representación de esas dimensiones extra, pequeñas y apelotonadas entre sí. También nos dejaría explicar qué sucedió antes del Big Bang (la teoría de cuerdas plantea que pudo ser el resultado de una colisión o fusión de universos). Eso abre la puerta a la existencia del multiverso.
La teoría de cuerdas podría permitirnos cosas como usar un agujero de gusano para viajar a otros universos (eso sí, es un gran “quizá”). El caso es que, de ser así, en un futuro lejanísimo, nos podría permitir escapar del destino último del universo. La teoría de cuerdas podría darnos una forma de viajar a otro universo. Uno que, en ese futuro tan lejano, cuando el cosmos muera, podría permitir que la vida siga avanzando.
En un cosmos nuevo, diferente al que conocemos. Pero, volvamos al presente, ¿cómo sabemos si la teoría funciona? El Gran Colisionador de Hadrones (en Suiza) podría darnos la respuesta. La esperanza de los físicos es que, allí, donde se hace colisionar dos haces de protones con una energía altísima, se pueda observar qué sucede cuando se libera. Si hacemos chocar dos haces con gran energía (moviéndose casi a la velocidad de la luz) y la medimos, podemos comparar la energía antes y después de la colisión.
Si después de la colisión resulta que tenemos menos energía de la que había antes de la colisión la conclusión es que parte de esa energía habría escapado a esas dimensiones extra. De momento, no se ha observado ese resultado. No quiere decir que la teoría de cuerdas esté descartada, ni mucho menos. Quizá no hayamos usado toda la energía necesaria para provocar ese fenómeno. Quizá suceda solo en colisiones con más energía.
La respuesta, en cualquier caso, es posible que la tengamos en el curso de nuestras vidas. Algo que no es demasiado común. Si no es así, si no tenemos una teoría unificada, tampoco será un drama. Quizá tardemos décadas en descubrir una teoría del todo. O siglos. Pero la aventura que nos llevará hasta ella nos dará muchas respuestas, y muchas otras preguntas a las que responder. Es decir, más ciencia.
