El Universo Elegante Parte I

El Universo Elegante Parte I

Algunos físicos creen que la teoría de cuerdas puede unificar las fuerzas de la naturaleza. Las partículas fundamentales del universo identificadas por los físicos –electrones, neutrinos, quarks, y demás - son las “letras” de toda la materia. Al igual La teoría de cuerdas proclama otra cosa. De acuerdo con ella, si pudiéramos examinar estas partículas con aún mayor precisión – una precisión muchos órdenes de magnitud mayor de la presente capacidad tecnológica - podríamos encontrar que cada una no es puntual, sino que consiste en un pequeño bucle unidimensional. Como una bada de goma infinitamente fina, cada partícula contiene un filamento vibrante, oscilante, danzante que los físicos han llamado cuerda.
En la imagen, ilustramos esta idea básica de la teoría de cuerdas comenzando con un trozo ordinario de materia, una manzana, y magnificando sucesivamente su estructura para revelar sus ingredientes a las más pequeñas escalas. La teoría de cuerdas suma la nueva capa microscópica de un bucle vibrante a la anteriormente conocida progresión de átomos, pasando por protones, neutrones, electrones, y quarks.

Aunque de ninguna manera es obvio, esta sencilla sustitución de los constituyentes de la materia como partícula puntual por cuerdas, resuelve la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general que, tal y como están formuladas en la actualidad, no pueden ser correctas simultaneamente. De este modo, la teoría de cuerdas desenreda el nudo Gordiano central de la física contemporánea. Es un tremendo logro, pero esto es sólo parte de la razón por la que la teoría de cuerdas ha generado tanta expectación.

Campo de sueños

En los días de Einstein, aún no se habían descubierto las fuerzas débiles y fuertes, pero él encontró la existencia de dos fuerzas distintas – la gravedad y el electromagnetismo - profundamente preocupantes. Einstein no aceptaba que la naturaleza se fundamentase en un diseño extravagante. Esto impulsó su viaje de 30 años en busca de la llamada teoría del campo unificado, que él esperaba que demostraría que estas dos fuerzas son realmente manifestaciones de un gran principio subyacente. Esta búsqueda quijotesca aisló a Einstein de la corriente principal de física, que, como es comprensible, estaba mucho más interesada en investigar el recién estrenado marco de la física cuántica. A comienzos de la década de los 40, Einstein escribió a un amigo: “Me he convertido en un viejo al que se conoce principalmente por no usar calcetines y a quien se exhibe como una curiosidad en las ocasiones especiales”.



Para hacerse una idea de lo verdaderamente pequeñas que son las cuerdas, vea Sentido de Escala.

Einstein estaba simplemente adelantado a su tiempo. Más de medio siglo después, su sueño de una teoría unificada se ha convertido en el Santo Grial de los físicos modernos. Y una parte importante de la comunidad física y matemática está cada vez más convencida de que la teoría de cuerdas puede proporcionar la respuesta. Desde un simple principio – que todo, a su nivel más microscópico consiste en combinaciones de hilos vibrantes - la teoría de cuerdas proporciona un marco explicativo simple, capaz de abarcar todas las fuerzas y toda la materia.

La teoría de cuerdas proclama, por ejemplo, que las propiedades de la partícula observada – esto es, las diferentes masas y otras propiedades tanto de las partículas fundamentales como de las partículas de fuerza asociadas a las cuatro fuerzas de la naturaleza (las fuerzas nucleares fuerte y débil, el electromagnetismo y la gravedad) - son un reflejo de las diversas formas en las que una cuerda puede vibrar. Al igual que las cuerdas en un violín o en un piano tienen frecuencias de resonancia en las que prefieren vibrar –patrones que nuestro oído siente como las distintas notas musicales y sus más altas armonías - lo mismo sucede para los bucles de la teoría de cuerdas. Pero más que producir notas musicales, cada una de las masas preferidas y de las cargas de fuerza están determinadas por el patrón oscilatorio de la cuerda. El electrón es una cuerda vibrando de una forma, el quark “arriba” (up) es una cuerda vibrando de otra forma, y así sucesivamente.

Lejos de ser una colección de hechos experimentales caóticos, las propiedades de la partícula en la teoría de cuerdas son la manifestación de una misma propiedad física: los patrones de resonancia de la vibración – la música, digamos - de los bucles fundamentales de la cuerda. La misma idea se aplica igualmente a las fuerzas de la naturaleza. Las partículas de fuerza están también asociadas a patrones particulares de vibración de la cuerda y por tanto todas, toda la materia y todas las fuerzas, está unificadas bajo la misma rúbrica de las oscilaciones microscópicas de la cuerda – las “notas” que las cuerdas pueden tocar.



Partículas elementales e Imágenes de impactosUna teoría para terminar con las teorías Por primera vez en la historia de la física tenemos un marco con la capacidad de explicar cada característica fundamental sobre las que está construido el universo. Por este motivo a veces se decribe a la teoría de cuerdas como la posible “teoría del todo” (theory of everything”, T.O.E.) o bien la teoría “última” o “final”. Estos términos tan grandiosos se proponen para significar la teoría de la física más profunda posible – una teoría que es la base de todas las otras, una que no requiere y ni siquiera permite una base explicativa más profunda.

En la práctica, muchos teóricos de las cuerdas toman un acercamiento más práctico y piensan en una teoría del todo en el sentido más limitado de una teoría que puede explicar las propiedades de las partículas fundamentales y las propiedades de las fuerzas por las que interactúan e influyen unas en otras. Un reduccionista leal alegaría que no hay ninguna limitación, y que en principio, absolutamente todo, desde el big bang hasta las ilusiones, pueden describirse en términos de procesos físicos microscópicos esenciales que implican a los constituyentes fundamentales de la materia. Si entiendes todo lo relativo a los ingredientes, argumenta el reduccionista, lo entiendes todo.

La filosofía reduccionista enciende fácilmente acalorados debates. Muchos encuentran fatuo y francamente repugnante proclamar que las maravillas de la vida y del universo son simples reflejos de partículas microscópicas enredadas en un baile insustancial y coreografiado por completo por las leyes de la física. ¿Será realmente que los sentimientos de alegría, dolor o aburrimiento no son más que reacciones químicas en el cerebro – reacciones entre moléculas y átomos que, aun más microscópicamente, son reacciones entre alguna de las partículas fundamentales, que son realmente solo cuerdas vibrantes?

En respuesta a esta línea crítica, el premio Nobel Steven Weinberg advierte en Sueños de una Teoría Final (Dreams of a Final Theory):
En el otro extremo del espectro están los oponentes al reduccionismo que están horrorizados por lo que ellos sienten que es la desolación de la ciencia moderna. En la medida en que ellos y su mundo pueden ser reducidos a materia de partículas o campos y sus interacciones, se sienten disminuidos por ese conocimiento... Yo no intentaría responder a estas críticas con una animada charla sobre las bellezas de la ciencia moderna. La visión del mundo del reduccionista es glacial e impersonal. Tiene que ser aceptada como es, no porque nos guste, sino porque ese es el modo en el que el mundo funciona.

Algunos están de acuerdo con esta dura opinión, algunos no.

Otros han intentado argumentar que productos como la teoría del caos nos dice qué nuevos tipos de leyes entran en juego cuando el nivel de complejidad de un sistema crece. Comprender el comportamiento de un electrón o quark es una cosa; usar este conocimiento para comprender el comportamiento de un tornado es otra muy distinta. En este punto, la mayoría está de acuerdo. Pero las opiniones divergen sobre si los distintos y a veces inesperados fenómenos que pueden ocurrir en sistemas mas complejos que las partículas individuales, realmente representan nuevos principios físicos en funcionamiento, o si los principios implicados son derivados, dependientes, aunque de una forma terriblemente complicada, de los principios físicos que gobiernan el inmenso número de constituyentes elementales.

Mi propio sentimiento es que éstos no representan nuevas e independientes leyes físicas. Aunque sería difícil explicar las propiedades de un tornado en términos de la física de electrones y quarks, lo veo como un asunto de punto muerto en el cálculo, no como un indicador de la necesidad de nuevas leyes físicas. Pero de nuevo, hay algunos que no están de acuerdo con esta visión.

Un nuevo comienzo para la ciencia

Lo que es en gran parte incontestable, y es de importancia primaria para el viaje descrito en mi libro El Universo Elegante (The Elegant Universe), es que incluso si uno acepta el razonamiento discutible del crudo reduccionista, la teoría es una cosa y la práctica otra muy distinta. Casi todo el mundo está de acuerdo en que encontrar la Teoría del Todo no significaría en modo alguno que la sicología, biología, geología, química o incluso la física habrían sido resueltas o superadas en algún modo. El universo es un lugar tan maravillosamente rico y complejo que el descubrimiento de la teoría final, en el sentido que estamos describiendo aquí, no significaría el fin de la ciencia.

Muy al contrario: el descubrimiento de la Teoría del Todo –la última explicación del universo a su nivel más microscópico, una teoría que no depende de otra explicación más profunda — proporcionaría el fundamento más firme sobre el que construir nuestra comprensión del mundo. Su descubrimiento marcaría un principio, no un fin. La última teoría aportaría un pilar inamovible de coherencia para siempre, asegurándonos que el universo es un lugar comprensible.



Brian Greene es profesor de física y matemáticas en la Universidad de Columbia y un teórico reconocido de las cuerdas. Es autor de El Universo Elegante: Supercuerdas, Dimensiones ocultas, y La Búsqueda de la Teoría Última (Norton, 1999), del que este artículo fue adaptado con el amable permiso del editor.