¿Se descubrirá algún día una teoría del todo?

Por el momento, estamos dando solo los primeros pasos en la dirección que nos marcan las ecuaciones y los experimentos, pero apenas nos encontramos al principio del camino de la búsqueda de una teoría del todo que explique, sin necesidad de recurrir a principios aún más fundamentales, el funcionamiento del universo.

Parece inherente a la naturaleza del ser humano cuestionarse todo lo que le rodea. La historia nos sugiere que, desde el principio de los tiempos, hemos buscado en nuestro entorno patrones y modelos que expliquen los fenómenos que suceden a nuestro alrededor para, de alguna forma, encontrar un asidero al que aferrar nuestra propia existencia.

Empezamos mirando los cielos, midiendo las posiciones de los astros con el objetivo de buscar respuestas y, sin embargo, es esta, la astronomía —o, más bien, la cosmología—, tal vez la más antigua de las ciencias, la que a día de hoy nos plantea más interrogantes.

Fueron las leyes que gobiernan el propio firmamento las que consagraron a sir Isaac Newton (1643-1727) como una de las más importantes mentes de todos los tiempos y las que, a la vez, le señalaron el camino hacia un conocimiento aún más profundo de la realidad. En el prefacio a sus Principia, ya aparece la posibilidad de que, al igual que existían leyes y fuerzas que regían los movimientos celestes, debían existir otras similares que explicaran todo lo demás: « Ojalá que fuera posible deducir los fenómenos de la naturaleza a partir de principios mecánicos con el mismo género de argumentación, pues muchas cosas me mueven a sospechar que puedan depender todos ellos de ciertas fuerzas con las que las partículas de los cuerpos, por causas aún desconocidas, bien se atraen unas a otras uniéndose según figuras regulares, bien huyen y se separan unas de otras».

Universo
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No iba desencaminado, y hoy esas fuerzas tienen nombre: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Son cuatro tipos de interacciones que no se pueden descomponer ni explicar en términos de otras más sencillas y que, hasta la fecha, han sido capaces de describir la mayor parte de los fenómenos que observamos, por ello las llamamos «fundamentales». Hemos demostrado, además, que estas cuatro fuerzas fundamentales no son entidades desconectadas e independientes entre sí, sino que existen interrelaciones entre —casi— todas ellas. Esto nos lleva a pensar que, seguramente, no esté dicha la última palabra en cuanto a nuestra concepción y descripción del universo.

De Faraday a Maxwell

Hasta que, a principios del siglo XIX , Michael Faraday (1791-1867) descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética, la electricidad y el magnetismo se entendían como dos manifestaciones de diferente naturaleza. James Clerk Maxwell (1831-1879) fue un paso más allá y demostró poco después, con sus ecuaciones, que no solo eran las dos caras de una misma moneda, sino que guardaban una estrecha relación con otra disciplina: la óptica. Electricidad, magnetismo y luz se podían explicar a través de los mismos principios básicos: los del electromagnetismo.

En este momento, en el que la descripción del mundo se limitaba a las teorías de Newton y Maxwell, ya hubo un primer intento de englobar ambas bajo un mismo conjunto de leyes. En 1849, el propio Faraday escribió en su diario: « Gravedad: Con toda seguridad, esta fuerza debe mantener una relación experimental con la electricidad, el magnetismo y las otras fuerzas, de tal manera que se pueda relacionar con ellas en una acción recíproca » ,y, con el ánimo experimental que lo caracterizó siempre, trató de demostrar esta relación dejando caer bobinas desde lugares altos de tal forma que variara el flujo de líneas de campo gravitatorio a través de ellas con la esperanza de observar una corriente inducida. La observó, pero no por el motivo que esperaba, sino debido al campo magnético terrestre. Abandonó la idea en 1859 y habría que esperar algunas décadas más para que alguien se planteara de nuevo abordar la cuestión.

Para finales del siglo XIX, lo cierto es que se había instalado una especie de optimismo generalizado en la física que llevó a pensar a muchos científicos que esta era una disciplina prácticamente finiquitada. En 1875, Phillip von Jolly (1809-1884), profesor de la Universidad de Múnich, trató de disuadir a uno de sus estudiantes, Max Planck (1858-1947), de estudiar ciencias con el argumento de que apenas quedaba nada ya por descubrir. Y, aunque existían incongruencias entre las propuestas de Newton y Maxwell, en especial en lo referente al límite de la velocidad de la luz, parece que a quien más le quitaron el sueño fue a un joven y desconocido físico, de nombre Albert Einstein, que trabajaba con patentes de relojes para estaciones ferroviarias en Berna (1879-1955). Lo demás es historia: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad supusieron una revolución sin precedentes en la física, destruyendo el paradigma existente. Lejos de llegar a su fin, parecía que la física acababa de empezar.

La teoría de la relatividad general acabó con la supremacía newtoniana en los cielos. Ampliaba y generalizaba la teoría clásica y la reconciliaba, en algunos aspectos, con ciertas premisas de las teorías de Maxwell. Las fuerzas dieron paso a los campos y la velocidad de la luz acabó con la posibilidad de una acción instantánea a distancia. Parecía que ahora las piezas del rompecabezas podrían encajar mejor, sin embargo, cuando Einstein trató de emular los pasos de Faraday para unificar las dos teorías cometió el error de hacerlo con cierto desdén hacia los nuevos y antiintuitivos planteamientos de la mecánica cuántica. Curiosamente, ha sido esta última la que más alegrías nos ha dado en lo referente a la construcción de un marco teórico que englobe las cuatro fuerzas fundamentales.

La revelación de los secretos que gobernaban los átomos empezó con el descubrimiento de la radiactividad en 1896 por parte de Henri Becquerel (1852-1908). La explicación de este fenómeno culminó en 1933 con las investigaciones de Enrico Fermi sobre la desintegración beta, la emisión de un electrón o un positrón por parte de un núcleo atómico inestable, y la descripción de un tercer tipo de fuerza que se concretaría, en los años 50, en la denominada interacción nuclear débil.

Quarks, las partículas fundamentales

Para entonces, la mecánica cuántica ya había tomado carrerilla y Paul Dirac (1902-1984) había dado los primeros pasos en el intento de la cuantización del campo electromagnético con el objetivo de describir las interacciones entre la luz y la materia. En los años cuarenta, las contribuciones de Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger, Freeman Dyson y Richard Feynman (1918-1988) se concretaron en la electrodinámica cuántica, cuyo formalismo fue fundamental para desarrollar los descubrimientos posteriores.

En otro orden de cosas, el motivo por el que los neutrones y protones que constituían los núcleos atómicos se mantenían cohesionados y no cedían a las fuerzas de repulsión electromagnéticas fue, durante mucho tiempo, un misterio para los científicos. En 1964, Murray Gell-Mann (1929-2019) y George Zweig (1937-), y Yuval Ne'eman (1925-2006) de forma independiente, propusieron que existían partículas aún más fundamentales que los neutrones y los protones a las que se denominó quarks. El desarrollo posterior de la cromodinámica cuántica explicó las interacciones entre quarks y, con ello, se desveló el funcionamiento de la cuarta fuerza fundamental: la interacción nuclear fuerte.

En medio de esta ensalada de partículas, energía, radiación, campos e interacciones, no obstante, todo empezó a cobrar sentido y parecía que estas diferentes teorías que unificaban unos aspectos u otros de la realidad conducían irremediablemente a un mismo punto. En 1967, Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg demostraron que la interacción débil y el electromagnetismo se podían explicar en términos de un solo modelo: el de la fuerza electrodébil que, a su vez, se podía unificar con la cromodinámica cuántica que explicaba la interacción fuerte. Había nacido el actual modelo estándar de partículas.

Desarrollado principalmente a partir de datos empíricos, el modelo estándar es, hasta la fecha, la mejor teoría con la que contamos para describir y explicar el mundo de las partículas subatómicas. Ha predicho con éxito la existencia de los bosones W y Z, portadores de la interacción débil; los gluones, portadores de la interacción fuerte; los quarks top y charm, así como algunas de sus propiedades, y el celebrado bosón de Higgs, fundamental para explicar cómo algunas partículas adquieren su masa. Aun así, no está exento de ciertos inconvenientes, entre ellos, el hecho de tener casi una veintena de parámetros que se deben ajustar en función de los datos experimentales y, el mayor de todos, que, pese a no mostrar ningún problema en lo que concierne a la relatividad especial, hasta el momento ha sido incapaz de incorporar la relatividad general, o, lo que es lo mismo, la cuarta fuerza fundamental. Y no porque no quiera, sino por la dificultad de expresarla en el mismo lenguaje que las otras tres: la teoría cuántica de campos.

Una teoría del todo

Cuando hablamos de teorías cuánticas de campos ya no hablamos de partículas e interacciones en el sentido newtoniano, sino de campos de fuerzas en los que las partículas aparecen como una manifestación de estos. El campo correspondiente a cada fuerza tiene, además, asociada su propia partícula mensajera: fotones (electromagnetismo), bosones Z y W (interacción débil) y gluones (interacción fuerte). Si la gravedad tuviera un campo cuántico asociado a su partícula portadora sería el gravitón.

El principio que subyace a las teorías cuánticas de campos y, por tanto, al modelo estándar, es el de la simetría: transformaciones matemáticas que dejan invariantes determinadas cantidades —decimos que «se conservan»—. Chen Ning Yang (1922-) y Robert Mills (1928-1999), en 1954, generalizaron las reglas de simetría propias de la electrodinámica cuántica, la teoría electrodébil y la cromodinámica cuántica a una de orden superior que las englobaba a todas: el modelo estándar. El reto en esta aproximación reside en encontrar una teoría, o grupo de simetrías que, además de incluir todo lo que incluye el modelo estándar, incluya la gravedad. Una teoría del todo. La clave de por qué no se ha conseguido todavía la conciliación entre cuántica y relatividad está relacionada, principalmente, con cómo se definen el espacio y el tiempo en cada una de ellas. Por un lado, las ecuaciones de la primera están determinadas para un espacio plano y estático que no se ve afectado por las partículas que se encuentran en él, mientras que la segunda nos habla de un espacio curvo y dinámico modelado por los cuerpos que lo habitan. Dicho de otra manera, cuando hemos cuantizado los campos asociados a las interacciones electromagnética, débil y fuerte, lo hemos hecho sobre un espacio absoluto, newtoniano, y ha funcionado muy bien. Pero para hacer lo mismo con la gravedad tendríamos que cuantizar el propio espacio-tiempo, pues el campo gravitatorio, tal y como lo concibió Einstein, no es algo ajeno a aquel. Por otro lado, la mecánica cuántica trata al tiempo como una variable separada del resto y absoluta, además de simétrica —las ecuaciones funcionan hacia el pasado y hacia el futuro—. Sin embargo, en la relatividad general el tiempo es una de las dimensiones principales y además, se trata una cantidad maleable y, en ocasiones, no reversible, como sucede en la presencia de un agujero negro —la materia puede entrar en él, pero no podemos rebobinar y hacerla salir—. Ante este panorama, ¿por dónde podríamos empezar a buscar puntos de encuentro entre ambas visiones?

Teoría de cuerdas

Si asumimos que la mecánica cuántica que conocemos no es una teoría definitiva y que la gravedad podría ser tan solo una consecuencia de sus efectos, llegaremos a la teoría de cuerdas. Una de las aspirantes más conocidas a teoría del todo. Su idea principal apareció por primera vez en los trabajos que Gabriele Veneziano (1942) estaba desarrollando sobre la interacción fuerte en el CERN en 1968. Aunque prometedora en un principio, en la actualidad sufre un estancamiento que parece haberla abocado a un callejón sin salida. En ella, las partículas toman la forma de cuerdas vibrantes unidimensionales en lugar de ser elementos puntuales y es en sus diferentes modos de vibración donde residirían las características de cada una. La gravedad, en este contexto, no sería más que una propiedad emergente.

El éxito de la gravedad cuántica

Para que todo tenga sentido, no obstante, hace falta suponer hasta once dimensiones de las que solo seríamos capaces de percibir cuatro —las tres espaciales y la temporal—, mientras que el resto se encontrarían arrolladas a escalas del orden de la longitud de Planck (1.616199 × 10-35 m) y serían innacesibles para nosotros. La teoría de cuerdas elimina muchos de los molestos infinitos que aparecen en las matemáticas cuando tratamos de unir cuántica y relatividad, además, incluye la fuerza de la gravedad y hasta aparece la que sería su partícula portadora, el gravitón. Sin embargo, es extremadamente complicado acotar el extenso abanico de soluciones posibles a aquellas que nos puedan ser útiles para describir la realidad y, hasta la fecha, tampoco se ha podido utilizar para hacer ninguna predicción ni calcular ninguna propiedad física fundamental como, por ejemplo, la masa del electrón.

La otra opción sería asumir que la relatividad general describe con exactitud la naturaleza del espacio-tiempo, y cuantizarlo directamente, y además, hacerlo de tal forma que se puedan evitar los infinitos e incongruencias que aparecen en las ecuaciones. Lo intentaron, en 1967, John Wheeler (1911-2008) y Bryce De Witt (1923-2004), quienes plantearon una suerte de ecuación de Schrödinger independiente del tiempo que no describía la evolución de ninguna partícula, sino la de la propia métrica que define el espacio-tiempo. La ecuación Wheeler-De Witt se consideró irresoluble hasta los años ochenta. La primera solución sería fruto de los trabajos de Amitabha Sen, en 1982; Abhay Ashtekar (1949), en 1986, y Ted Jacobson, Carlo Rovelli (1956-) y Lee Smolin (1955-), en 1988, quienes introdujeron, así, la gravedad cuántica de bucles. En este enfoque, los estados cuánticos no se encontrarían en el espacio-tiempo, sino que serían el propio espacio-tiempo expresado a través de una serie de conexiones matemáticas —los bucles— que formarían una red de interacciones. El éxito de la gravedad cuántica de bucles reside en que no necesita modificar ninguno de los principios fundamentales ni de la mecánica cuántica ni de la relatividad general, además de que predeciría fenómenos como la radiación de Hawking o la entropía de los agujeros negros. También podría llegar a demostrarse de forma experimental, ya que establece que el valor de la velocidad de la luz dependería, muy levemente, eso sí, de la energía de los fotones, de tal manera que los más energéticos se desplazarían más despacio —y viceversa— debido a su propagación a través de la estructura granulada del espacio-tiempo.

«Todo lo que es o lo que fue o lo que será alguna vez»: el universo

Trataremos de realizar esa medición, por ejemplo, en estallidos de rayos gamma que lleguen desde el universo. Sin embargo, por el momento es una teoría en tres dimensiones que no sabemos si se podrá extender a las cuatro que utiliza la relatividad general y tampoco resuelve el problema de la naturaleza del tiempo en el que también se contradicen la visión cuántica y la relativista.

Toda la física a lo largo de la historia se ha vertebrado en torno al tiempo o, más bien, a los cambios que observamos respecto a este. Por eso resulta llamativo que la gravedad cuántica de bucles no lo necesite, y si el tiempo resulta no ser necesario en una teoría final que describa el universo, ¿cuál es su papel? ¿Qué es realmente? ¿Por qué lo vemos fluir siempre en la misma dirección? ¿Qué relación existe entre el tiempo y nosotros mismos? Diría John Wheeler en 1986, en un artículo para American Scientist en el que se planteaba preguntas similares, que «desvelar la profunda y oculta conexión entre el tiempo y la existencia [...] es una tarea para el futuro». Tal vez en él esté la clave para desenredar este entuerto.

Por el momento, estamos dando solo los primeros pasos en la dirección que nos marcan las ecuaciones y los experimentos, pero apenas nos encontramos al principio del camino de la búsqueda de una teoría del todo que explique, sin necesidad de recurrir a principios aún más fundamentales, el funcionamiento de, como diría Carl Sagan, «todo lo que es o lo que fue o lo que será alguna vez»: el universo.

 

Gisela Baños es física teórica por la Universidad de Leipzig. Profesora del Departamento de Human Sciences en IMMUNE Technology Institute. Divulgadora de Scenio y streamer de ciencia, tecnología y ciencia ficción en Twitch.

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