El universo elegante (5 page)

La preocupación principal de este libro es explicar el funcionamiento de los distintos procesos del universo según la teoría de cuerdas, poniendo un énfasis especial en las implicaciones que esta teoría tiene para nuestra comprensión del espacio y el tiempo. A diferencia de otras muchas explicaciones sobre teorías científicas, la que se ofrece aquí no se refiere a una teoría que haya sido desarrollada de forma completa, confirmada por comprobaciones experimentales rigurosas y totalmente aceptada por la comunidad científica. La razón de esto es, como ya comentaremos en capítulos posteriores, que la teoría de cuerdas es una estructura teórica tan profunda y complicada que, incluso con los considerables progresos que ha realizado durante las últimas dos décadas, aún nos queda un largo camino antes de que podamos afirmar que hemos logrado dominarla completamente.

Por lo tanto, hay que considerar la teoría de cuerdas como un trabajo que se está realizando y cuyos logros parciales ya han revelado unas asombrosas ideas sobre la naturaleza del espacio, el tiempo y la materia. La armoniosa combinación de la relatividad general y la mecánica cuántica es un éxito importante. Además, a diferencia de lo que sucedía con cualquiera de las teorías anteriores, la teoría de cuerdas tiene la capacidad de responder a cuestiones primordiales que tienen relación con las fuerzas y los componentes más fundamentales de la naturaleza. Igualmente importante, aunque algo más difícil de expresar es la notable elegancia tanto de las respuestas que propone la teoría de cuerdas, como del marco en que se generan dichas respuestas. Por ejemplo, en la teoría de cuerdas muchos aspectos de la naturaleza que podrían parecer detalles técnicos arbitrarios —como el número de partículas fundamentales distintas y sus propiedades respectivas— surgen a partir de aspectos esenciales y tangibles de la geometría del universo. Si la teoría de cuerdas es correcta, la estructura microscópica de nuestro universo es un laberinto multidimensional ricamente entrelazado, dentro del cual las cuerdas del universo se retuercen y vibran en un movimiento infinito, marcando el ritmo de las leyes del cosmos. Lejos de ser unos detalles accidentales, las propiedades de los bloques básicos que construyen la naturaleza están profundamente entrelazadas con la estructura del espacio y el tiempo.

Sin embargo, en un análisis final, se puede decir que nada sustituye las predicciones definitivas y comprobables que podrán determinar si la teoría de cuerdas ha levantado realmente el velo de misterio que impedía ver las verdades más profundas del universo. Puede que tenga que pasar un tiempo hasta que nuestro nivel de comprensión haya Profundizado lo suficiente para alcanzar este objetivo, aunque, como veremos en el capítulo 9, durante los próximos diez años, más o menos, las pruebas experimentales podrían proporcionar un sólido fundamento circunstancial para la teoría de cuerdas. Además, en el capítulo 13 veremos que la teoría de cuerdas ha resuelto recientemente un problema primordial relativo a los agujeros negros, asociado con la llamada entropía de Bekenstein-Hawking, que se había resistido pertinazmente durante más de veinticinco años a ser solucionada con medios más convencionales. Este éxito ha convencido a muchos de que la teoría de cuerdas está en el camino correcto para proporcionamos la comprensión más profunda posible sobre el modo en que funciona el universo.

Edward Witten, uno de los pioneros y más relevantes expertos en teoría de cuerdas, resume la situación diciendo que
«la teoría de cuerdas es una parte de la física del siglo XXI que, por azar, cayó en el siglo XX»
, una valoración que fue realizada primero por el famoso físico italiano Danielle Amati.
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Así pues, en cierto modo, es como si a nuestros antepasados de finales del siglo XIX se les hubiera puesto delante un superordenador de última generación con el correspondiente manual de instrucciones. Mediante tanteos llenos de inventiva, habrían llegado a ser evidentes ciertos indicios del poder del superordenador, pero obtener una auténtica maestría les habría costado un esfuerzo vigoroso y prolongado. Esos indicios del potencial del ordenador, como lo que nosotros vislumbramos del poder explicativo de la teoría de cuerdas, habrían aportado una motivación extraordinariamente fuerte para lograr un completo manejo. Actualmente, una motivación similar está aportando energía a toda una generación de físicos teóricos para intentar conseguir una comprensión analítica completa y precisa de la teoría de cuerdas.

La observación de Witten y las de otros expertos en el mismo campo indican que podrían transcurrir décadas e incluso siglos antes de que la teoría de cuerdas se desarrolle y se comprenda de una manera completa. Esto puede ser realmente cierto. De hecho, las matemáticas de la teoría de cuerdas son tan complicadas que, hasta ahora, nadie conoce ni siquiera las ecuaciones de las fórmulas exactas de esta teoría. Lo que sí es cierto es que los físicos conocen únicamente unas aproximaciones de dichas ecuaciones, e incluso estas ecuaciones aproximadas resultan ser tan complicadas que hasta la fecha sólo se han resuelto parcialmente. Sin embargo, un inspirador conjunto de avances realizados en la década de 1990 —avances que han dado respuesta a cuestiones teóricas de una dificultad hasta ahora inimaginable— puede muy probablemente indicar que la comprensión cuantitativa completa de la teoría de cuerdas está mucho más cerca de lo que se pensaba inicialmente. Repartidos por todo el mundo hay físicos que están desarrollando técnicas nuevas y poderosas encaminadas a trascender los numerosos métodos aproximados que se han utilizado hasta ahora, y lo hacen colectivamente a una velocidad estimulante, uniendo elementos dispares del rompecabezas que es la teoría de cuerdas.

Sorprendentemente, estos avances están aportando nuevas posiciones ventajosas para reinterpretar algunos de los aspectos básicos de esta teoría que han estado sin respuesta durante cierto tiempo. Por ejemplo, una pregunta inmediata que puede haberse planteado el lector al observar la Figura 1.1 es ¿por qué cuerdas? ¿Por qué no pequeños discos de
Frisbee
? (Juego en el que se utiliza un disco ligero de plástico en forma de plato que se lanzan unos jugadores a otros.
Frisbee
es una marca registrada) ¿O unas pepitas como gotas microscópicas? ¿O una combinación de todas esas posibilidades? Como veremos en el capítulo 12, las ideas más recientes muestran que estos u otros tipos de componentes
sí que tienen
un papel importante en la teoría de cuerdas, y han revelado que dicha teoría es en realidad parte de una síntesis aún mayor, llamada actualmente (y por alguna razón misteriosa) teoría-M. Estos últimos avances serán el tema de los últimos capítulos del libro.

Los adelantos científicos vienen por rachas. Algunos períodos están repletos de grandes avances, mientras que en otras épocas los investigadores sufren una especie de sequía. Los científicos plantean sus resultados, tanto teóricos como prácticos. A continuación, la comunidad científica debate sobre dichos resultados, que a veces son descartados, otras veces se modifican, y en ocasiones estos logros proporcionan un trampolín inspirador para llegar a un modo nuevo y más preciso de comprender el universo físico. En otras palabras, la ciencia camina por un sendero zigzagueante hacia lo que esperamos que será la verdad última, un camino que empezó con los primeros intentos de la humanidad por comprender el misterio del cosmos y cuyo final no podemos predecir. No sabemos si la teoría de cuerdas es una parada circunstancial en ese camino, un hito crucial o, de hecho, ese destino final que no conocemos. Sin embargo, las últimas dos décadas de investigación llevada a cabo por cientos de físicos y matemáticos de numerosos países nos han proporcionado una bien fundada esperanza de que estamos en un camino acertado y posiblemente final.

El hecho de que nuestro actual nivel de conocimientos nos haya permitido obtener nuevas perspectivas impactantes en relación con el funcionamiento del universo es un testamento revelador de la rica naturaleza de la teoría de cuerdas y de su largo alcance. En lo que aquí sigue, el hilo central estará constituido por aquellos logros que lleven hacia delante la revolución en nuestra comprensión del espacio y el tiempo, iniciada ya por las teorías especial y general de la relatividad de Einstein. Veremos que, si la teoría de cuerdas es correcta, la estructura de nuestro universo tiene propiedades que probablemente habrían deslumbrado incluso a Einstein.

E
n junio de 1905, Albert Einstein, a la edad de veintiséis años, presentó un artículo técnico a los
Annals of Physics
de Alemania en el que abordaba una paradoja relativa a la luz que ya le tenía preocupado diez años antes, cuando era sólo un adolescente. Después de leer la última página del manuscrito de Einstein, el editor de la revista, Max Planck, se dio cuenta de que el artículo subvertía el orden científico generalmente aceptado hasta entonces. Sin alardes ni fanfarrias, un empleado de patentes de Berna, Suiza, había dado un vuelco completo a las nociones tradicionales de espacio y tiempo, y las había sustituido por un nuevo concepto cuyas propiedades se oponen a todo aquello que nos resulta familiar a partir de la experiencia cotidiana.

La paradoja que había preocupado a Einstein durante una década era la siguiente. A mediados del siglo XIX, después de un estudio minucioso de la obra experimental del físico inglés Michael Faraday, el físico escocés James Clerk Maxwell logró unir la electricidad y el magnetismo en el marco del
campo electromagnético
. Si ha estado usted alguna vez en la cima de una montaña justo antes de desencadenarse una fuerte tormenta o se ha colocado cerca de un generador de Van de Graaf, tendrá una idea corporal de lo que es un campo electromagnético, porque lo habrá sentido. En el caso de que no tenga esta experiencia, sepa que es algo parecido a una marea de líneas de fuerza eléctricas y magnéticas que impregnan la región del espacio por la que atraviesan. Por ejemplo, cuando se diseminan limaduras de hierro en las proximidades de un imán, la pauta ordenada que forman sigue la traza de las líneas invisibles de la fuerza magnética. Cuando nos quitamos un jersey de lana en un día especialmente seco y oímos una crepitación, además de sentir quizá un golpe momentáneo, o dos, estamos siendo testigos de la evidencia de líneas eléctricas de fuerza generadas por cargas eléctricas que han sido recogidas por las fibras de nuestro jersey. Además de reunir estos y todos los demás fenómenos eléctricos y magnéticos en un marco matemático, la teoría de Maxwell muestra —y eso resultaba entonces bastante inesperado— que las perturbaciones electromagnéticas viajan a una velocidad fija e invariable, una velocidad que resulta ser igual que la velocidad de la luz. A partir de esto, Maxwell constató que la luz visible en sí misma no es sino un tipo particular de onda electromagnética, de la que actualmente se sabe que interacciona con sustancias químicas en la retina, dando lugar así a la sensación de ver. Además (y esto es crucial), la teoría de Maxwell también demostraba que todas las ondas electromagnéticas —entre ellas la luz visible— son la personificación del viajero peripatético. Nunca se detienen. Nunca reducen su velocidad. La luz
siempre
viaja a la velocidad de la luz.

Todo va bien hasta que nos preguntamos, como lo hizo Einstein cuando tenía dieciséis años, ¿qué sucede si vamos tras un rayo de luz moviéndonos a la velocidad de la luz? El razonamiento intuitivo, basado en las leyes del movimiento de Newton, nos dice que estaremos a la par de las ondas luminosas y entonces nos parecerán estacionarias; la luz se quedará quieta. Sin embargo, según la teoría de Maxwell, y todas las observaciones fiables, sencillamente no existe la luz quieta: nadie ha podido nunca sostener en la palma de su mano un trozo de luz. Aquí está el problema. Afortunadamente, Einstein no sabía que gran parte de los físicos más destacados del mundo estaban enfrentándose con esta cuestión (y estaban avanzando por un camino que en gran medida era equivocado) y reflexionaban largamente sobre la paradoja de Maxwell y Newton en la prístina intimidad de sus propios pensamientos.

En este capítulo comentaremos cómo resolvió Einstein el conflicto mediante su teoría especial de la relatividad y así cambió para siempre nuestra manera de concebir el espacio y el tiempo. Quizá resulte sorprendente que el objetivo esencial de la teoría especial de la relatividad es comprender de un modo preciso cómo se presenta el mundo ante los individuos, llamados a menudo «observadores», que se mueven desplazándose los unos respectivamente a los otros. Al principio puede parecer que esto es un ejercicio intelectual de mínima importancia. Es más bien lo contrario: en las manos de Einstein, con sus juegos de imaginar observadores que van detrás de rayos de luz, existen profundas implicaciones con el hecho de comprender de un modo total cómo se presentan las situaciones más cotidianas ante la percepción de individuos que realizan movimientos relativos.

La experiencia cotidiana ofrece ejemplos de casos en los que las observaciones de los individuos difieren. Los árboles situados a lo largo de una carretera, por ejemplo, parecen estar en movimiento desde el punto de vista de un conductor, pero parecen estar quietos para un autoestopista que está sentado en una barandilla. De un modo similar, el salpicadero del automóvil da la impresión de no moverse desde el punto de vista del conductor (¡al menos, no debiera darle esa impresión!), pero al igual que el resto del coche, se está moviendo desde el punto de vista del autoestopista. Éstos son ejemplos de propiedades tan básicas e intuitivas relativas al modo en que el mundo funciona, que a menudo nos pasan desapercibidas.