TEORIA DEL TODO

Por Kurt Schleicher

  Comparto con vosotros este tocho que he ido preparando en estos días, movido quizás por la parafernalia que le han dado recientemente los medios a ciertas noticias científicas (por ejemplo, neutrino más rápido que la luz & la física que se hunde o  tras la confirmación de la localización de una nueva partícula que tiene todas las trazas de ser el bosón de Higgs, ansiada pieza del rompecabezas y que seguro que más de uno por ahí debe de confundir con el bolsón de Frodo del “señor de los anillos”). Las aguas parece que vuelven a su cauce, pero todavía colea lo de la “partícula de Dios” y algunos deben de pensar como Lord Kelvin a finales del siglo XIX, que “ya no queda mucho por descubrir en Física y que estamos llegando al final”, incluso a comprender cómo hizo Dios al mundo, vana presunción.

  La otra razón es que me gusta desmitificar y simplificar, probablemente para entenderlo mejor, y eso de las teorías de la relatividad, la mecánica cuántica o la teoría de cuerdas tan de moda me ha estado llamando la atención últimamente y me dije que, igual que preguntaba Woody Allen en su película “Todo lo que usted siempre quiso saber sobre el sexo (pero nunca se atrevió a preguntar)” se podría aplicar igualmente a la cosmología. Hay muchos libros por ahí sobre el tema, te pones a leer y tienes la impresión que estás mordiendo una sandía y pretendiendo comértela sin abrirla. Me dije que valía la pena arañar un poco en la superficie y esto es lo que me ha salido.

  Al final del artículo hay una serie de definiciones “a mi manera” que me parecieron pertinentes añadir, con el mismo ánimo de simplificación conceptual y sin meterme en honduras. También añado un par de reflexiones filosóficas que probablemente levanten alguna polémica…

 

 ¿Qué es la Tª del Todo?

Pues una teoría que debería poder unificar y explicar a través de un modelo simple de teorías todas las interacciones fundamentales de la naturaleza y capaz también de explicar todo nuestro entorno cercano y lejano, microcosmos y macrocosmos, a la vez que ser capaz de unificar en una sola todas las diferentes teorías que han ido surgiendo históricamente al respecto -unas comprobadas y otras todavía no- de forma que se encuentre un nexo común comprobado entre todas, incluyendo el origen y la evolución del Universo/s, cómo es, su pasado histórico y su futuro probable.  

    Es algo tan ambicioso que hasta se ha cuestionado la posibilidad de que algún lejano día esto pudiera ser realmente posible, pero en cualquier caso constituye un objetivo de la Ciencia. Suponiendo que llegásemos a conseguirlo, no sería el final de la misma, sino el comienzo de la historia de verdad; entretanto, nos estaremos moviendo realmente en la prehistoria de la Ciencia. Queda, pues, mucho camino por delante, sobre todo observando la cantidad de interrogantes y contradicciones todavía existentes.

  El camino habitual es dotar a la teoría de un modelo o modelos matemáticos que funcionarán más o menos bien y tratar de establecer comprobaciones empíricas que los validen. La mayoría de estos modelos están todavía muy cojos o les falta la comprobación empírica. Muchos de ellos, sin embargo, funcionan mejor de lo que se creía, pasando de ser meras teorías a algo verificado, como por ejemplo los agujeros negros, predichos matemáticamente y hoy verificados.  No seamos pesimistas, pues aunque es cierto que con el tiempo vamos sabiendo más, también nos surgen a la vez nuevas interrogantes, que hacen que esto proceso pudiera ser relativamente divergente; en tal caso, no se podría llegar a disponer nunca de una “Teoría del Todo” cerrada.

  Primero se llamó “Teoría del campo unificado” (por Einstein) o teoría superior que englobase a la teoría de la relatividad y la teoría cuántica sin requerir probabilidades, pero no lo logró.- Hoy la candidata mejor situada es la Teoría de Cuerdas o, mejor aún, la Teoría “M”, más específica.-  La primera se basa en que la materia se compone de pequeñísimas cuerdas, que al vibrar de una u otra forma dan lugar a las diversas partículas subatómicas. Se caracteriza por ser capaz de combinar la gravedad con la teoría cuántica, pero sólo es matemáticamente coherente con 10 dimensiones.-  Se llama así por varios posibles motivos: Teoría del Misterio, Teoría Madre (como la «Madre de todas las Teorías»), Teoría de la Membrana (ya que, sea lo que sea, las membranas parecen ser parte de la historia) o Teoría Matriz.

La Teoría “M” es una versión actualizada de ésta en un hiperespacio de 11 dimensiones, donde pueden existir hasta dos-branas y cinco-branas ( ver1). Las 2-branas pueden aparecer en forma de toroide o de lazo (que se puede a su vez extender formando un cilindro a modo de lazo bidimensional extendido a otra dimensión en el espacio para cada instante del tiempo), dando lugar a dos tipos distintos. La teoría M puede ser reducida de cinco maneras a diez dimensiones, dándonos así las cinco teorías de supercuerdas conocidas (cuerda abierta, lazo extendido, toroide, heterótica y heterótica-E) que ahora se ha revelado que son la misma teoría, pero manteniendo la teoría de la supergravedad (ver 6) para la undécima. Una dimensión es realmente algo más que la localización de un punto en un lugar del espacio-tiempo; para localizarlo completamente hacen falta estas dimensiones adicionales, que, como no las vemos, siempre se han supuesto que están enrolladas y/o son casi infinitamente pequeñas, cosa que para algunos no resulta muy satisfactorio y se abre ahora el melón de que puedan ser infinitamente grandes. Las ecuaciones completas de la teoría M son aún desconocidas, pero con lo que hay parece que podrá explicarse por qué la gravedad es una fuerza mucho menor que las demás del universo - (ver 2), acercándonos a una explicación global de todas ellas en conjunto, pues el famoso modelo estándar solamente explica estas tres fuerzas, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte, y deja fuera la de la gravedad.

 Según la teoría de cuerdas, si tuviéramos un supermicroscopio que pudiera ver el corazón de un electrón, veríamos que no se trata en absoluto de una partícula puntual, sino de una pequeña cuerda vibrante. Sólo parece ser una partícula puntual porque nuestros instrumentos son demasiado rudimentarios. (La cuerda puede llegar a ser extremadamente pequeña y medir cerca de la longitud de Planck de 10 elevado a -33). Esta pequeña cuerda, a su vez, vibra a diferentes frecuencias y resonancias. Si punteáramos esta cuerda vibradora, cambiaría de forma y se convertiría en otra partícula subatómica, como un quark. Si la volvemos a puntear, se convierte en un neutrino. De este modo, podemos explicar la tormenta de partículas subatómicas como algo parecido a diferentes notas musicales en la cuerda. Ahora podríamos reemplazar los cientos de partículas subatómicas vistas en el laboratorio por un solo objeto, la cuerda vibrante. Más simple.

  Tal vez la mayor ventaja de la teoría M sobre la teoría de cuerdas es que estas dimensiones superiores, en lugar de ser bastante pequeñas, en realidad pueden ser bastante grandes e incluso observables en el laboratorio. En la teoría de cuerdas, seis de las dimensiones superiores debieran ser convertidas en una pequeña “bola” (una multiplicidad de Calabi-Yau), demasiado pequeña para ser observada con los instrumentos de hoy en día. La teoría M también presenta membranas; es posible ver todo nuestro universo como una membrana flotando en un universo mucho más grande. Como resultado, no todas estas dimensiones superiores tienen que ser convertidas en bolas. Algunas de ellas, en realidad, pueden ser inmensas, de extensión infinita. Una física que ha intentado explotar esta nueva imagen del universo es Lisa Randall, que estudia la idea de que, si el universo es realmente una “tresbrana” flotando en el espacio superdimensional, tal vez esto explique por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas, o vice-versa, que en otra dimensión la gravedad fuese más notoria.

 

   

Formación y futuro del Universo

 Vamos a partir de suponer que la Teoría del “Big-Bang” sea la más aproximada a la realidad, como parece admitirse por la comunidad científica. De las observaciones efectuadas, se produjo hace 13,7 billones de años de una singularidad “infinitamente” densa, seguido de una rapidísima inflación atenuada por la formación de las primeras galaxias, estrellas y constelaciones y continuando después por una expansión acelerada.

 Una derivación de esta teoría es la de universo inflacionario, que es la que más “puntos” tiene hoy en día basado en observaciones del satélite WMAP y las mediciones efectuadas en los confines del universo conocido; la diferencia con el big bang clásico es que éste se limita al universo visible. 

    En la primera billonésima de una billonésima de segundo, una misteriosa fuerza antigravitatoria hizo que el universo se expandiera con más rapidez de lo que se pensaba en un principio. El periodo inflacionario fue inimaginablemente explosivo y el universo se expandió con mucha más rapidez que la velocidad de la luz. (Eso no viola el principio de Einstein de que nada puede viajar más rápido que la luz, porque es el espacio vacío el que se expande). En una fracción de segundo, el universo se expandió por un factor inimaginable de 10 elevado a 10. Para visualizar la potencia de este periodo inflacionario, imaginemos un globo que se infla rápidamente, con las galaxias pintadas en la superficie. El universo que vemos poblado de estrellas y galaxias se encuentra en la superficie de este globo, más que en su interior. Ahora dibujemos un círculo microscópico en la superficie del globo. Este pequeño círculo representa el universo visible, todo lo que podemos ver con nuestros telescopios. (En comparación, si todo el universo visible fuera tan pequeño como una partícula subatómica, el universo real sería mucho más grande que el universo visible que vemos a nuestro alrededor.) Dicho de otro modo, la expansión inflacionaria fue tan intensa que hay regiones enteras del universo más allá de nuestro universo visible que siempre estarán fuera de nuestro alcance. En realidad, la inflación fue tan enorme que cerca de nosotros el globo parece plano, un hecho que ha sido verificado experimentalmente por el satélite WMAP (sonda de la NASA, con resultados desde 2006). Del mismo modo que la Tierra nos parece plana debido a nuestra pequeñez comparados con el radio de la Tierra, el universo parece plano sólo porque está curvado a una escala mucho más grande. Partiendo de la base de que el universo se vio sometido a este proceso de inflación, “casi” podemos explicar muchos de los enigmas del universo, como por qué parece ser plano y uniforme.

   El universo inflacionario, aunque coherente con los datos del satélite WMAP, no responde todavía a la pregunta de qué causó la inflación. ¿Qué puso en marcha esta fuerza antigravitatoria que infló el universo? Hay más de cincuenta propuestas para explicar qué puso en marcha la inflación y qué fue lo que le puso fin, creando el universo que vemos a nuestro alrededor, pero no hay un consenso universal. La mayoría de los físicos coinciden en la idea central de un rápido periodo inflacionario, pero no hay propuestas definitivas sobre cuál es el “motor”de la inflación. Como nadie sabe exactamente cómo empezó ésta, siempre existe la posibilidad de que pueda producirse otra vez el mismo mecanismo y que las explosiones inflacionarias puedan ocurrir repetidamente. Ésta es la idea que propone el físico ruso Andrei Linde: fuera cual fuese el mecanismo que hizo que parte del universo se inflara súbitamente, sigue en funcionamiento, causando quizás aleatoriamente que también se inflen otras regiones distantes del universo. Según esta teoría, un pequeño pedazo de universo puede inflarse súbitamente y «echar brotes», haciendo que surja un universo «hijo» o «bebé», que a su vez puede hacer que brote otro universo recién nacido, y así sucesivamente. Imaginemos que soplamos burbujas de jabón en el aire. Si soplamos con la fuerza suficiente, vemos que algunas de las burbujas se parten por la mitad y generan nuevas burbujas. Del mismo modo, los universos pueden estar dando a luz continuamente nuevos universos. En este panorama, pueden estar ocurriendo big bangs continuamente. Si es así, puede ser que vivamos en un mar de universos, en una especie de burbuja flotando en un océano de otras burbujas. En realidad, una palabra mejor que «universo» sería «multiverso» o «megaverso». Linde da a esta teoría el nombre de inflación eterna autorreproducida o «inflación caótica», porque prevé un proceso interminable de inflación continua de universos paralelos.

Cada vez hay más pruebas teóricas para sostener la existencia de un multiverso del que siguen brotando o saliendo otros universos como retoños. Si es así, se unificarían dos de las grandes mitologías religiosas, el Génesis y el Nirvana: el Génesis tendría lugar continuamente dentro de la estructura del Nirvana intemporal.

Esta teoría también implica que, en algún momento, nuestro universo puede generar su propio universo. Quizá nuestro propio universo tuvo su principio al surgir de un universo anterior más antiguo.

 

La Teoría “M” es candidata a poder explicar incluso qué paso “antes” del Big Bang.

Asimismo es coherente con la teoría del universo membrana, como elemento singular plano, por encima y por debajo del cual “caben” otros muchos universos.

 La estrecha relación con la vibración de cuerdas como generadoras de partículas nos lleva a hacer la siguiente analogía musical respecto a la entidad del Universo:                 

  

  ANALOGÍA MUSICAL    CONTRAPARTIDA DE CUERDAS

     Notación musical         ………………….      Matemáticas

     Cuerdas de violín         ………………….      Supercuerdas

     Notas       ……………………………………..      Partículas subatómicas

     Leyes de la armonía    ………………….       Física

     Melodías     ………………………………….       Química

     -----------------------------------------------------------------

                       Sinfonía / s de cuerdas  …………>  Universo / s

    

   El universo es, pues, una sinfonía de cuerdas; si esta analogía es válida, uno debe formularse la siguiente pregunta: ¿hay un compositor? ¿Diseñó alguien la teoría para permitir la riqueza de universos posibles que vemos en la teoría de cuerdas? Si el universo es como un reloj finamente ajustado, ¿hay un relojero? En este sentido, la teoría de cuerdas arroja cierta luz sobre la cuestión: ¿tuvo Dios elección? Siempre que Einstein creaba sus teorías cósmicas, se formulaba la pregunta: ¿cómo habría diseñado yo el universo? Tenía inclinación a pensar que quizá Dios no tuvo elección en el asunto. La teoría de cuerdas parece reivindicar esta aproximación. Cuando combinamos la relatividad con la teoría cuántica, encontramos teorías que están repletas de defectos ocultos pero fatales: divergencias que estallan y anomalías que malogran las simetrías de la teoría; sólo incorporando simetrías potentes pueden eliminarse estas divergencias y anomalías, y la teoría M posee la más poderosa de estas simetrías.  Por eso es hoy por hoy la mejor candidata para la “Teoría del Todo”

   Al verlo ahora, es curioso constatar que si Einstein no hubiera descubierto la relatividad, su teoría podría haber sido descubierta como producto secundario de la teoría de cuerdas. La relatividad general, en cierto sentido, sale “gratis”. La belleza de la teoría de cuerdas es que puede equipararse a la música, como hemos visto. La música proporciona la metáfora mediante la que podemos entender la naturaleza del universo, tanto a nivel subatómico como a nivel cósmico, de forma que el “Todo” se asemeja a una maravillosa sinfonía. ¡Pues qué bonito!

 

Hay una teoría o un principio menos conocidos en que me parece interesante apoyarme para predecir la evolución futura del universo: es el Principio cosmológico de Friedmann, que postula que el universo es isotrópico (se ve igual desde cualquier punto de observación) y que es homogéneo (es uniforme sin importar dónde esté uno situado en él), principio compatible con las soluciones de Einstein (entre otras).

Es curioso que sus soluciones dependen de tan solo 3 parámetros:

1. H, que determina la tasa de expansión del universo. (Hoy en día se le llama «constante de Hubble», por el astrónomo que realmente midió la expansión del universo).

2. Omega, que mide la densidad media de la materia en el universo. Puede ser >1, =1 o <1 (como ejemplo ilustrativo, se podría comparar su efecto a la velocidad de escape de la Tierra, según fuera mayor o menor que ella).

3. Lambda, la energía asociada con el espacio vacío, o energía oscura.

La sutil interacción entre estas tres constantes, en especial la segunda,  determina la futura evolución de todo el universo. Por ejemplo, dado que la gravedad atrae (o el universo empuja), la densidad Omega del universo actúa como una especie de freno para aminorar la expansión del universo, invirtiendo algunos de los efectos de la tasa de expansión del Big bang.

  Suponiendo (de momento) que Lambda=0, veamos qué significa Omega:

è Si Omega <1, los científicos concluyen que no hay bastante materia en el universo para invertir la expansión original del big bang. Como resultado, el universo se expandirá siempre, sumergiéndose finalmente en una gran congelación en la que las temperaturas se acercarán al cero absoluto -> “Big Freeze” o “gran congelación”

è Si Omega > 1, entonces hay suficiente materia y gravedad en el universo para invertir definitivamente la expansión cósmica. Como resultado, la expansión del universo se detendrá y el universo empezará a contraerse. Las temperaturas empezarán a elevarse cuando las estrellas y galaxias se precipiten unas hacia otras -> “Big Crunch”   o “gran contracción”       Además, en este caso podría volver a formarse “después” un nuevo Big bang à “Universo oscilante”.

è Si Omega = 1:  la densidad del universo iguala la densidad crítica, en cuyo caso el universo se sostiene entre los dos extremos pero seguirá expandiéndose siempre, lo que es consistente con la Tª del Universo inflacionario .

En resumen: La evolución del universo tiene tres historias posibles. Si Omega es menor que 1 (y Lambda es 0), el universo se expandirá siempre hasta llegar a la gran congelación. Si Omega es mayor que 1, el universo volverá a colapsarse en una gran implosión. Si Omega es igual a 1, el universo es plano y se expandirá para siempre. (Los datos del satélite WMAP muestran que Omega más Lambda es igual a 1, lo que significa que el universo es plano. Esto concuerda con la teoría inflacionaria.)

Friedmann demostró que cada una de estas perspectivas, a su vez, determina la curvatura del espacio-tiempo.

è Si Omega < 1 y el universo se expande siempre, Friedmann demostró que no sólo el tiempo es infinito, sino también el espacio. Se dice entonces que el universo es «abierto», es decir, infinito tanto en espacio como en tiempo. Cuando Friedmann calculó la curvatura de este universo, encontró que era negativa. (Esto es como la superficie de una “silla de montar”. Si un bicho viviera en la superficie de esta superficie, vería que las líneas paralelas nunca se encuentran y que los ángulos interiores de un triángulo suman menos de 180°.)

è Si Omega > 1, el universo acabará contrayéndose en una gran implosión. El tiempo y el espacio son finitos. Friedmann encontró que la curvatura de este universo es positiva (como una esfera).

è Si Omega = 1, el espacio es plano y tanto el tiempo como el espacio son ilimitados.

    Parece ser que las observaciones llevan a esta última alternativa; ¿por qué Omega está hoy tan cerca de 1 si lo normal sería que fuera astronómicamente diferente? Pues porque el universo simplemente se infló de tal modo que se volvió plano, como hemos visto antes. Al igual que una persona que llega a la conclusión de que la Tierra es plana porque no puede ver el horizonte, los astrónomos llegaron a la conclusión de que Omega tiene un valor alrededor de 1 porque la inflación aplanó el universo. Los datos astronómicos han demostrado que la curvatura del universo es notablemente cercana a cero, en realidad mucho más cercana a cero de lo que habían creído anteriormente la mayoría de los astrónomos.  ¡Esto es compatible a su vez con la teoría del “Universo membrana”!

     Friedmann no sólo proporcionó la primera aproximación comprensiva a las ecuaciones cosmológicas de Einstein, sino que también hizo la conjetura más realista sobre el “día del juicio final”, el destino final del universo: si perecerá en una gran congelación, se freirá en una gran implosión u oscilará o se expandirá para siempre. La respuesta depende de los parámetros cruciales: la densidad del universo y la energía del vacío. Sin embargo, quedaba algo sin aclarar: la propia singularidad del “momento cero” del Big bang.

    Imaginemos que hay un mundo paralelo suspendido justo por encima de nuestro universo. Cualquier galaxia de este universo paralelo sería invisible para nosotros. Pero como la curvatura del hiperespacio es lo que causa la gravedad, ésta podría saltar a través de los universos. Cualquier galaxia grande en este otro universo se vería atraída a través del hiperespacio hacia una galaxia de nuestro universo. Así, al medir las propiedades de nuestras galaxias, encontraríamos –de hecho, hay observaciones en tal sentido- que su tirón gravitatorio es mucho más fuerte que el previsto por las leyes de Newton, puesto que hay otra galaxia escondida justo detrás flotando en una brana cercana. Esta galaxia oculta suspendida detrás de nuestra galaxia sería totalmente invisible, flotando en otra dimensión, pero tendría el aspecto de un halo alrededor de nuestra galaxia que contendría el 90% de la masa. Así pues, la materia oscura puede ser causada por la presencia de un universo paralelo.

      Continuando de la mano de la Teoría “M”, los universos de dimensiones superiores son posibles, pero es menos probable verlos porque todavía están estrechamente envueltos por cuerdas y anticuerdas. Y no sólo eso; si los universos pueden “pellizcarse” o surgir uno de otro, produciendo nuevos universos, quizá pueda pasar lo contrario: los universos pueden colisionar creando chispas en el proceso, que a su vez producirán nuevos universos. En un guión así, quizás el big bang ocurrió por una colisión de dos universos-brana paralelos, más que porque “brotara” un universo (y evitamos así de paso la puñetera singularidad). Esta segunda teoría fue propuesta por los físicos Paul Steinhardt, de Princeton, Burt Ovrut, de la Universidad de Pennsylvania, y Neil Turok, de la Universidad de Cambridge, que crearon el universo «ekpirótico» (que significa «conflagración» en griego) para incorporar las nuevas características de la visión M-brana, en la que algunas de las dimensiones extra podrían ser grandes e incluso infinitas (coincidiendo así con Lisa Randall). Empiezan con dos tres-brana planas, homogéneas y paralelas que representan el estado de menor energía; en un principio empiezan como universos vacíos y fríos, pero la gravedad los va atrayendo lentamente. Finalmente colisionan y la vasta energía cinética de la colisión se convierte en la materia y radiación que forma nuestro universo. Algunos llaman a esta teoría «big splat» («gran plaf») en lugar de Big bang, porque el guión implica la colisión de dos branas. La fuerza de la colisión separa a los dos universos. Cuando estas dos membranas se separan una de otra, se enfrían rápidamente, dándonos el universo que vemos hoy.

     El otro problema de la teoría “M” es que requiere las 11 dimensiones adicionales mencionadas. El concepto de Universo Holográfico puede explicar intuitivamente también la existencia de más dimensiones : hay una dualidad entre un universo de cinco dimensiones y su «límite», que es un universo de cuatro dimensiones. Extrañamente, cualquier ser vivo en este espacio de cinco dimensiones sería matemáticamente equivalente a los seres vivos en este espacio de cuatro dimensiones y no hay manera de distinguirlos.

   Haciendo una analogía rudimentaria, pensemos en los peces que nadan dentro de una pecera. Estos peces piensan que su pecera corresponde a la realidad. Ahora imaginemos una imagen holográfica bidimensional de estos peces proyectada sobre la superficie de la pecera, también vivos. Esta imagen contiene una réplica exacta de los peces originales, sólo que están aplanados. Cualquier movimiento que haga el pez en la pecera se refleja en la imagen plana sobre la superficie de la pecera. Tanto los peces que nadan en la pecera como los peces planos que viven en la superficie piensan que ellos son los peces reales, que los otros son una ilusión. Todos los peces están vivos y actúan como si fueran los verdaderos. ¿Qué descripción es correcta? En realidad, ambos son verdaderos, porque son matemáticamente equivalentes e indistinguibles, pero de hecho la “más real” es la superior.- Generalizando esto, no es tan difícil de intuír que vivimos en un espacio-tiempo multidimensional.

 

  Como contribución personal sin ninguna base científica, podríamos imaginar también al multiverso como un conjunto infinito de universos-membrana en un espacio-tiempo curvado en mayor o menor medida (según fuera omega > ó= 1, o sea, “sillas de montar” o planos que se extienden en todas las dimensiones requeridas), que es la imagen que he llamado “Universo Hojaldre” (¡la debería de acuñar!). Esto da idea de que cada una de las capas del hojaldre fuese un universo en sí y que lo que hay fuera de él no lo podemos ver, pero al que podríamos acceder transversalmente “con relativa facilidad” por un apropiado agujero de gusano. Si será por imaginación…

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  Evolución histórica de las teorías para llegar a la Tª del Todo. Reflexiones  filosóficas.

   Antes de Newton, el mundo que conocemos era el núcleo central y todo giraba alrededor; éramos el centro del Universo.

   Newton nos dio unas leyes precisas y mecánicas que guiaban todos los cuerpos celestes, incluido el nuestro, formando un escenario de nuestro entorno aparentemente claro y simple. Newton consideraba el espacio y el tiempo como un ámbito vasto y vacío en el que podían ocurrir acontecimientos, según sus leyes del movimiento. El escenario estaba lleno de maravillas y misterio, pero era esencialmente inerte e inmóvil, un testigo pasivo de la danza de la naturaleza.

 Sin embargo, Einstein dio un vuelco a esta idea; para él, el propio escenario se convertiría en una parte importante de la vida. En el universo de Einstein, el espacio y el tiempo no eran un ámbito estático como había asumido Newton, sino que eran dinámicos, se torcían y curvaban de maneras extrañas. Con la Tª de la Relatividad, Einstein revolucionó nuestra manera de ver el escenario de la vida; no sólo era imposible definir una medida uniforme del tiempo y del espacio, sino que el propio escenario era curvado. No sólo se sustituyó el “escenario universal” por uno elástico, sino que además se expandió, pero siempre se podía determinar. No es que Newton estuviese equivocado, lo que pasa es que desarrolló una teoría limitada a una primera aproximación que funcionaba bien “a nuestra escala”.

    La revolución cuántica nos dio una imagen aún más extraña del mundo. Por un lado, el desmoronamiento del determinismo significaba que “las marionetas podían cortar sus cuerdas y leer sus propias frases”. Se restauró el “libre albedrío”, pero al precio de obtener resultados múltiples e inciertos; esto significaba que los actores podían estar en dos lugares al mismo tiempo y que podían desaparecer y reaparecer. Se hizo imposible decir con seguridad dónde estaba un actor en el escenario o en qué momento. Y encima estaba en conflicto con la anterior, estando ambas verificadas; lo que pasa es que la primera es válida en general para el macrocosmos y la segunda resuelve el microcosmos y sus singularidades, donde “no funcionan debidamente”  las ecuaciones de Einstein .

  La Tª de Cuerdas y su asociada la teoría “M” es otro paso que permite aunar las dos anteriores, pero no está verificada todavía y encima nos lleva a la aceptación de un universo multidimensional, en el que la 5ª dimensión, por ejemplo, ya tiene su asociada matemática por mediación de la “5-brana”.- En esta dimensión, según Lisa Randall, la gravedad ya no sería tan pequeña y las dimensiones no tendrían que estar enrolladas, sino tener una dimensión casi infinita… ¡todo tiene su explicación!

 En cuanto a la constitución del Universo, el reciente descubrimiento de la materia oscura y la energía oscura subraya el hecho de que los elementos químicos superiores que constituyen nuestros cuerpos comprenden sólo el 0,03% del contenido total de materia/energía del universo, o sea, el 4% si contamos con el He y el H, los elementos más abundantes.- El resto es, o bien materia oscura o energía oscura, de las que sabemos poco menos que nada actualmente, por lo que la denominación “oscura” es bastante afortunada. La verdad es que parece algo frustrante darse cuenta que solamente sabemos como mucho del 5% de “nuestro universo conocido”

 

    Y ahora surge otra revolución: ¡nuestro Universo se ha quedado pequeño! Ya es menos trascendente debatir sobre su origen y su final y las relaciones con la creación divina. Nos hemos encontrado que éste nuestro Universo es uno más de los casi infinitos (matemáticamente, 10 elevado a 500) que deben existir y a lo que nos ha llevado la Teoría cuántica: el concepto de multiverso. Con el multiverso, hay escenarios paralelos, uno encima del otro, con agujeros de gusano a modo de trampillas que los conectan. Los escenarios, en realidad, dan lugar a otros escenarios, en un proceso interminable de génesis. En cada estadio, surgen nuevas leyes de la física. Con la Teoría de la Inflación de Andrei Linde,  debemos contemplar el hecho de que el universo visible es como un grano de arena incrustado entre otros mundos, pudiendo surgir constantemente nuevos universos. Y si, finalmente, la teoría M resulta victoriosa, debemos enfrentarnos a la posibilidad de que incluso la dimensionalidad familiar de 3+1 dimensiones del espacio y tiempo tenga que expandirse a once dimensiones.

No sólo nos han “desterrado” del centro del universo, sino que incluso podemos encontrarnos con que el universo visible no es más que una pequeña fracción de un multiverso muchísimo más grande, en continua evolución dinámica, y que encima no podemos ver. ¡Sería hasta posible que tengamos otro Universo aquí mismo, a unos centímetros de nuestras narices y no verlo!

 

Teniendo todo esto en cuenta,  ¿estamos  realmente acercándonos a la Tª del Todo o estamos divergiendo, alejándonos cada vez más?  ¿Llegaremos a disponer alguna vez de una “Tª del Todo”?

  La verdad es que mirando hacia atrás, los últimos años han sido la mar de movidos, sobre todo por los medios disponibles, tanto en observaciones y mediciones astronómicas en el macrocosmos como en descubrimientos más recientes del microcosmos, especialmente desde la disponibilidad del LHC (Large Hadron Collider). Sin embargo, lo que está pasando también me recuerda la frase de Sócrates “Sólo sé que no sé nada”, o dicho de otra forma, cuanto más pretendemos saber del cosmos, parece que más nos queda por saber.- Creo que Sócrates lo que pretendía era incentivar a su oponente en el diálogo para que fuera él el que hiciese un esfuerzo personal para saber más y le estamos haciendo caso.- En cuanto a lo que nos ocupa, para cada nuevo descubrimiento que se hace, se abre otro melón.- No hay más que mirar lo que se decía del universo hace unos cuantos años y ahora; solamente “el nuestro” ha ido aumentando en antigüedad de forma exponencial.  Debe ser por eso que ahora están tan de moda los físicos teóricos (¡ancha es Castilla!) y los buscadores de modelos matemáticos que respondan a cada vez más preguntas y en detrimento quizás de otras ramas del conocimiento, pero hay que reconocer que buscar en nuestro entorno más cercano y lejano es algo FASCINANTE, especialmente en cuanto algún modelo sale comprobado fehacientemente, rara avis, pero sucede a veces y se avanza.

 

 

  Demos ahora momentáneamente marcha atrás. Otra forma “más cercana” de concebir todo esto es aplicando la teoría del “Principio Antrópico”, que nos hace ver que una serie de «accidentes» milagrosos posibiliza la conciencia en nuestro universo tridimensional; hay una franja ridículamente estrecha de parámetros que hace posible la vida inteligente, y resulta que nosotros nos hallamos en ella. La propia estabilidad del protón, las dimensiones de las estrellas, la existencia de elementos superiores, etcétera, todo parece estar finamente ajustado para permitir la existencia de complejas formas de vida y de conciencia. Puede debatirse si esta circunstancia fortuita es debida a un diseño predeterminado o a un accidente casual, pero no puede discutirse la complejidad del ajuste necesario para hacerlo posible. Stephen Hawking afirma: «Si la tasa de expansión un segundo después del big bang hubiera sido menor aunque fuera en una parte entre cien mil millones, [el universo] se habría vuelto a colapsar antes de alcanzar las dimensiones presentes. [...] Las probabilidades contrarias a la emergencia de un universo como el nuestro a partir de algo como el big bang son enormes y las implicaciones son hasta religiosas”. A menudo no llegamos a valorar hasta qué punto son preciosas la vida y la conciencia y que nuestro universo como lo conocemos “es realmente una maravillosa casualidad”.  Habrá quizá otro universo  parecido, pero sería extremadamente “raro”. Olvidamos que algo tan sencillo como el agua líquida es una de las sustancias más valiosas del universo, que en el sistema solar, quizás incluso en este sector de la galaxia, sólo la Tierra (y quizás Europa, una luna de Júpiter) tiene agua líquida en gran cantidad, aparte de las exiguas cantidades que van apareciendo en Marte, por ejemplo. También es probable que el cerebro humano sea el objeto más complejo que ha creado la naturaleza en el sistema solar, quizás hasta la estrella más cercana. El mundo de la ciencia cuántica arroja mucha luz sobre la cuestión de nuestro papel en el universo, pero desde un punto de vista diferente.  La “cadena infinita de observadores”, cada uno de los cuales ve a su vez al anterior, lleva en última instancia a un observador cósmico, quizás el propio Dios. En este enfoque, el universo existe porque hay una deidad que lo observa;

en esta línea de argumentación, el universo tiene un objetivo: “producir criaturas sensibles como nosotros que puedan observarlo para que exista”. Según esta perspectiva, la mera esencia del universo depende de su capacidad de crear criaturas inteligentes que puedan observarlo. No me cabe duda que esta visión antrópica sería bien vista por la Iglesia, pues lleva fácilmente a la necesidad de un Dios creador.

 

   La otra interpretación, la de muchos mundos, nos da una concepción totalmente diferente del papel de la humanidad en el universo, constreñida a un papel realmente minúsculo o a la existencia eventual  de otras “humanidades” en los infinitos mundos posibles.    Esto no elimina a Dios, sino que podría incluso potenciar su imagen, pero también lo aleja de “nosotros”. En las interpretaciones de muchos mundos, el gato de Schrödinger puede estar vivo y muerto al mismo tiempo, simplemente porque el universo en sí se ha dividido en dos universos separados o porque sencillamente está en otro paralelo de los muchísimos que hay, unos que llegarán o ya han llegado a algo y otros muchos que nunca llegarán a nada…

 

 ¿De qué hablamos pues? ¿Del maravilloso diseño de éste nuestro Universo, tan ajustado que es difícil que se deba a una casualidad? ¿De este Universo, o de todos los demás también? ¿Qué porcentaje de los demás son similares al nuestro? ¿Está interesado Dios en todos o sólo en uno? ¿Qué hace cuando no se ocupa de éste? ¿Se ocupa de otros?  ¿Hace realmente falta que se ocupe?  En caso afirmativo, ¿se ocuparía también de eventuales inteligencias extraterrestres? ¿Por qué no?

 

  Parece que hay dos tipos de Universos: los antrópicos (¿incluyendo a un Dios solamente para nosotros?) y los demás, que, o bien requieren a un Dios mucho más infinito y multidimensional que el de las imágenes barbadas de Miguel Angel – y también bastante más ocupado, explicándose así por qué a veces parece que nos abandona- o sencillamente nos encontramos en un devenir sin principio ni fin que no lo requiere. Pero siempre quedará flotando eso de ¿y quién dio al botón de arranque? Y otra pregunta hecha con respetuosa simpatía para todos los cristianos: ¿Debe Jesús también multiplicarse y salvar a las otras potenciales inteligencias? A lo mejor hay más formas de resolver el problema de la Salvación; quién sabe si “por allá” es también necesario proceder de la misma o similar forma o es que han sido o serán más listos que nosotros y “no la necesitan”.

 

   No sé si estas reflexiones dejarán satisfechos a la vez a los creyentes y a los no creyentes o a ninguno de ellos; la puerta parece que sigue abierta para ambos y desde luego todavía no se ha cerrado ni se va a cerrar en mucho tiempo...

 

   El día que dispongamos de la Teoría del Todo –si es que ese día llega alguna vez-  sí que habremos dado un paso importante como Humanidad, lo que, repito, no supone un final, sino un verdadero comienzo.

 

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ANEXO:

TEORÍAS, MODELOS Y CONCEPTOS UTILIZADOS:

(2)  Las fuerzas básicas que interaccionan en el Universo son 4:

-         La fuerza electromagnética  -> ej. fotones

-         La fuerza nuclear débil  (responsable de la desintegración radioactiva) -> ej. bosones

-         La fuerza nuclear fuerte, responsable de que los quarks se mantengan pegados en los protones y neutrones y que éstos estén apiñados en el núcleo del átomo   -> gluones, hadrones…

-        La fuerza de la gravedad      -> ¿gravitones?

 

(3) Modelo estándar de partículas:

Todas las partículas subatómicas son, o bien fermiones (forman la materia, todas con spin ½; pueden ser quarks o leptones, según sea su masa) o bien bosones (interaccionan con las fuerzas, con spin 1).

 Fermiones:

       Quarks:   up, down, charm, starnge, top y bottom.

       Leptones:   electron, muón, tau y neutrinos asociados a los anteriores

 Bosones: fotón, gluón, y bosones W y Z (fuerza débil).- Falta el de Higgs, ya descubierto, y el gravitón, desconocido (ver 8)

   El corazón de una partícula está formado por cuerdas minúsculas que, según sea su vibración, hará que se “convierta” en una u otras, es decir, las diferentes partículas subatómicas pueden ser en realidad diferentes aspectos de la vibración de las cuerdas que las componen. La cuerda o el tipo de cuerda es pues –de momento- la parte más pequeña de la materia o de las fuerzas.

Los hadrones son partículas compuestas por quarks y/o antiquarks. Hay de dos tipos (sin contar los casos "exóticos"): bariones y mesones. Los primeros están compuestos por tres tipos de quarks y los segundos por un quark y un antiquark. Los neutrones, protones y piones son ejemplos de hadrones.

 Dos bosones idénticos pueden ocupar cuánticamente la misma posición en el espacio, pero dos fermiones no (Pº Exclusión de Pauli).  Ejemplo: en el átomo, los electrones no pueden ocupar la misma “órbita” o estado de energía menos mal, porque si no, los átomos podrían llegar a colapsarse.

      A remarcar ahora la incorporación del bosón de Higgs que en cierta forma está entre ambas, pues es una particula de spin 1  (ver 4) que se dedica a crear masa y se encuentra dentro del campo de Higgs, intrínseco a nuestro Universo (parecido al antiguo “éter”).  Asimismo, explica el “misterio” de la formación primigenia de la masa y las grandes discrepancias en su tamaño relativo o falta de simetría entre los diferentes fermiones.-  Lo de la “partícula generadora de masa” parece ser que es la razón por la que se le ha dado la provocativa y rimbombante denominación de “partícula de Dios”, presuponiendo que éste fuese el “diseñador”, el campo de Higgs la fábrica y el bosón de Higgs las piezas fabricadas, cuando en realidad no es más que una pieza más del rompecabezas que, eso sí, encaja la mar de bien en el modelo.

               Partes de esta teoría estándar han sido comprobadas hasta un margen de error de 1 entre 10 mil millones. Si se incluye la masa del neutrino, el modelo estándar concuerda con todos los experimentos sobre partículas subatómicas sin excepción, sin contar siquiera con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, cuya importancia reside precisamente en esto, en validar la teoría.- Pero falta el gravitón, hoy por hoy fuera (ver 8).

(4) Spin: propiedad (cuántica) de las partículas subatómicas relacionadas con el aspecto que presentan desde diversas direcciones; puede ser entero (0,1,2…à bosones) o medio entero (1/2à fermiones), o positivo o negativo (se modeliza por diferente “momento angular”). Todas las partículas subatómicas “parecen” estar girando como una peonza en miniatura, no es que giren realmente.

(7)  Estructura cuántica del átomo:

 à Núcleo: compuesto por protones y neutrones, que a su vez están formados por quarks up o down de la siguiente forma: 

           protón: 2 up + 1 down

           neutrón: 2 down + 1 up

àElectrón: alrededor del núcleo en diversos estados cuánticos.    El estado cuántico de un electrón está determinado por sus números cuánticos: n, l, ml y ms (spin).

 

 Materia oscura: es la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya existencia se puede deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas  o las galaxias.- Se estima que comprende el 24% del Universo  que “vemos”.- (Se piensa que debe estar constituida por un tipo de materia totalmente nueva llamada «materia oscura fría» y WIMPS (partículas masivas de interacción débil), que son las candidatas principales a explicar la mayor parte de la materia oscura.)

Energía oscura: es una forma de energía (desconocida) que estaría presente en todo el espacio, produciendo un “empuje” que tiende a acelerar la expansión del Universo. Se estima que es el 71% del Universo visible.

Queda, pues, solamente un 5% de la entidad del Universo que podamos decir que “se conoce” y de la que se ocupa el modelo estándar mencionado. Nada más…

 

Tª de la Relatividad Especial (Einstein, 1905): la velocidad de la luz es constante y no se puede exceder; en consecuencia, el espacio y el tiempo son flexibles y maleables y dependen del estado de movimiento del observador (ejemplo, si algo se mueve cerca de la velocidad de la luz, su masa aumenta y su tiempo no es el mismo; si seguimos aumentando la velocidad, llega un momento que la masa es tan grande que no se puede exceder).  También relaciona la masa y la energía con su famosa ecuación a través del cuadrado de la constante velocidad de la luz.  Comprobada experimentalmente.

Problema: que era inconsistente con la Tª de la gravedad de Newton, lo que obligó a Einstein a elaborar una nueva teoría sobre la gravedad:

Tª de la Relatividad General (Einstein, 1915): Se basa en que la gravedad no es una fuerza independiente que llena el universo y ni siquiera una fuerza que actúa sobre los objetos, sino la fuerza que resulta de la geometría curva del espacio-tiempo; Einstein se dió cuenta de ello al observar que la aceleración inducida por la gravedad era localmente la misma para todas las masas, por lo que sólo podría ser una propiedad del espacio-tiempo.  La cantidad de curvatura de espacio y tiempo está determinada por la cantidad de materia y energía que contiene. (Ejemplo: cuando tiramos una piedra a un lago, se crean una serie de ondas que emanan del impacto; cuanto más grande es la piedra, más se alabea la superficie del lago. De manera similar, cuanto mayor es la estrella, mayor es el alabeo del espacio-tiempo que rodea a la estrella).

En 1919, dos grupos de investigación confirmaron la predicción de Einstein de que la luz de una estrella distante se curvaría al pasar junto al Sol. Así, la posición de la estrella parecía moverse de su posición normal en presencia del Sol. Eso ocurre porque el Sol ha curvado el espacio-tiempo que lo rodea. Así, la gravedad no «tira», sino que el espacio «empuja»

Problema : con la aparición de la mecánica cuántica, en los últimos 80 años no se ha podido armonizar todavía a ambas, pues la gravedad ha quedado fuera, ¡aunque las dos – Cuántica y Relatividad- se consideran comprobadas!  Otra razón para la falta de armonización es porque la curvatura del espacio-tiempo de la relatividad general es incompatible con el comportamiento incierto y errático a nivel microscópico del universo cuántico.

 

La Mecánica Cuántica, inicialmente limitada al descubrimiento de los fotones como partículas –quantos- de luz asociados a una onda (no de forma puntual, sino global),  describe cómo en cualquier sistema físico –y por tanto, en todo el Universo - existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos.- De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos (ver 7), fenómenos que no puede explicar debidamente la física clásica.- La parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas es la teoría cuántica de campos en espacios- tiempo curvos. La única interacción que no se ha podido cuantificar ha sido la interacción gravitatoria.

 Se diferencia de la física clásica por aportar el indeterminismo, asociando por ejemplo la posición de una partícula a su probabilidad de estar realmente ahí, comprobado experimentalmente con un haz de fotones sobre dos rejillas; esto da lugar a muchas paradojas –la más famosa, la del gato de Schrödinger, vivo y muerto a la vez- cuya explicación nos mete de lleno en otros mundos que no podemos ver desde nuestras limitaciones. (ver 9)

  Se podría decir que la Tª Relatividad funciona para el Macrocosmos y la Física Cuántica para el Microcosmos, resolviendo ésta el problema de las singularidades, donde la primera falla.

(9) Paradoja del gato de Schrödinger: Pongamos una fuente de fotones y un espejo semitransparente que desdobla el estado cuántico de los fotones incidentes en una superposición de dos estados diferentes, uno reflejado y otro que atraviesa el espejo. Existe un detector de fotones en el camino del fotón transmitido que registra la llegada de un fotón y hace que se dispare una pistola que mata al gato. Pasamos del nivel cuántico al mundo de los objetos ponderables cuando encontramos que el gato está muerto o vivo. Pero el problema es que si se toma el nivel cuántico como algo que es verdadero en todo el camino hasta el nivel de los gatos y así sucesivamente, entonces hay que creer que el estado real del gato es una superposición de estar muerto y vivo a la vez.    ¿Cómo lo podemos explicar? Pues hay dos formas:

-        Una, considerando que la evolución unitaria es toda la historia, lo que nos lleva a la existencia de otros (muchos) universos; el gato está de verdad vivo y muerto a la vez, pero en universos distintos

-        La otra es dejar a la naturaleza que elija, abriendo una brecha en el plano del espacio-tiempo, cosa que ha llegado a calcularse matemáticamente, obteniendo una brecha de 10 elevado a -23 cms., bastante pequeña, por cierto.

-         

 (1)La Teoría de Cuerdas es capaz de armonizar ambas teorías, las de la Relatividad y la Física Cuántica. Introduce las p-branas o membranas de x dimensiones; una membrana es una superficie extendida, en cualquier dimensión. Una 0-brana es una partícula en un punto. Una 1- brana es una cuerda. Una 2-brana es una membrana. Una de las características novedosas de la teoría M es que no sólo introduce cuerdas, sino una colección completa de membranas de diferentes dimensiones y son una característica esencial de la teoría M; las cuerdas pueden verse como membranas con una dimensión compactada y oculta.

Teoría de la cuerda heterótica: La teoría de la cuerda más realista físicamente. Incorpora  la simetría del modelo estándar de partículas. Mediante la teoría M, puede demostrarse que la cuerda heterótica es equivalente a las otras cuatro teorías de cuerdas.

 

Gravedad cuántica: Una forma de gravedad que obedece al principio cuántico. Cuando la gravedad se cuantiza, aparece un paquete de gravedad que se llama «gravitón». Normalmente, cuando se cuantiza la gravedad, encontramos que sus fluctuaciones cuánticas son infinitas, lo que hace inútil la teoría. En el presente, la teoría de cuerdas es la única candidata que puede eliminar estas “infinidades”.  Y seguimos sin saber por qué la fuerza de la gravedad es considerablemente menor que las otras tres ni hemos localizado aún ningún gravitón en el LHC (Large Hadron Collider).

(1)  Gravitón: La partícula que no aparece en la Tª estándar de partículas es el gravitón; es decir, la gravedad sigue sin ser explicada en cuanto a su entidad.

(8)Historia: El modelo de cuerdas predecía una partícula que no aparecía en las interacciones fuertes, una curiosa partícula de masa cero que poseía un spin igual a 2; todos los intentos de liberarse de esta molesta partícula habían fracasado. Cada vez que se intentaba eliminar esta partícula de spin-2, el modelo colapsaba y perdía sus propiedades mágicas. De algún modo, esta partícula spin-2 indeseada parecía contener el secreto de todo el modelo. Entonces Scherk y Schwarz hicieron una osada conjetura:  quizás el defecto era en realidad una bendición; si reinterpretaban esta molesta partícula spin-2 como el gravitón, ¡la teoría realmente incorporaba la teoría de la gravedad de Einstein!  Irónicamente, mientras en las otras teorías cuánticas los físicos intentaban evitar denodadamente la inclusión de cualquier mención a la gravedad, la teoría de cuerdas la exige.

 

Simetría: Una remodelación o redisposición de un objeto que lo deja sin variación o idéntico. La simetría es crucial en la física porque ayuda a eliminar muchas de las divergencias encontradas en la teoría cuántica. El spin común de los fermiones por un lado y de los bosones por otro es un ejemplo de simetría.

 Supersimetría: es la simetría que intercambian fermiones y bosones entre sí (cambiando el spin). Esta simetría resuelve el problema de jerarquía y también ayuda a eliminar las divergencias que quedan dentro de la teoría de las supercuerdas. Significa que todas las partículas del modelo estándar tienen que tener sus partículas correspondientes, llamadas «s-partículas», que hasta el momento no han sido observadas en el laboratorio. La supersimetría en principio debería poder unificar todas las partículas del universo en un solo objeto.  Es la única simetría que intercambia todas las partículas subatómicas conocidas en la física. Sin verificar.

 

(6) Supergravedad: (teoría de supergravedad) es una teoría de campos que combina  la supersimetría y la relatividad general (gravedad s/ Einstein) , promoviendo el gravitón (bosón de spin 2) junto con el gravitino (fermión de spin 2/3). Sin verificar.

 

Supercuerdas (Tª de Supercuerdas): es la Tª de Cuerdas con supersimetría y supergravedad. Sin verificar.