Física de lo imposible (46 page)

El BBO tiene un diseño algo parecido al de LISA. Consiste en tres satélites que se mueven juntos en una órbita alrededor del Sol, separados entre sí unos 50.000 kilómetros (estos satélites estarán más próximos uno de otro que los de LISA). Cada satélite podrá disparar un láser de 300 vatios de potencia. BBO podrá sondear ondas de gravedad con frecuencias entre las de LIGO y LISA, lo que llena una laguna importante. (LISA puede detectar ondas de gravedad de frecuencias entre 10 y 3.000 hercios, mientras que LIGO puede detectar ondas de gravedad de frecuencias entre 10 microhercios y 10 milihercios. BBO podrá detectar frecuencias que incluyen ambos intervalos).

«Para 2040 habremos utilizado dichas leyes [de gravedad cuántica] para dar respuestas con alto grado de confianza a muchas preguntas profundas e intrigantes» —escribe Thorne—, incluidas ¿qué hubo antes de la singularidad del big bang, o había siquiera un "antes"? ¿Hay otros universos? Y si los hay, ¿cómo están relacionados o conectados con nuestro propio universo? [...] ¿Permiten las leyes de la física que civilizaciones muy avanzadas creen y mantengan agujeros de gusano para viajes interestelares, y creen máquinas del tiempo para viajar hacia atrás en el tiempo?»
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Lo importante es que en las próximas décadas debería haber datos suficientes procedentes de los detectores de ondas de gravedad en el espacio para distinguir entre las diferentes teorías pre-big bang.

El poeta T. S. Eliot preguntaba: «¿Morirá el universo con un estallido o con un susurro?». Robert Frost planteaba: «¿Pereceremos todos en fuego o en hielo?». La evidencia más reciente apunta a un universo que muere en un big freeze, en que las temperaturas llegarán casi al cero absoluto y toda la vida inteligente se extinguirá. Pero ¿podemos estar seguros?

Algunos han planteado otra pregunta «imposible». ¿Cómo sabremos alguna vez el destino final del universo, preguntan, si este suceso está a billones y billones de años en el futuro? Los científicos creen que la energía oscura o energía del vacío parece estar separando las galaxias a un ritmo cada vez mayor, lo que indica que el universo parece estar desbocado. Tal expansión enfriaría la temperatura del universo y llevaría finalmente al big freeze. Pero ¿es esta expansión temporal? ¿Podría invertirse en el futuro?

Por ejemplo, en el escenario big splat, en el que dos membranas colisionan y crean el universo, parece como si las membranas pudieran colisionar periódicamente. Si es así, entonces la expansión que podría llevar a un big freeze es solo un estado temporal que se invertirá.

Lo que está impulsando la actual aceleración del universo es la energía oscura, que a su vez está causada probablemente por la «constante cosmológica». Por consiguiente, la clave está en entender esta misteriosa constante, o la energía del vacío. ¿Varía la constante con el tiempo, o es realmente constante? Actualmente nadie lo sabe con certeza. Sabemos por el satélite WMAP que esta constante cosmológica parece estar impulsando la aceleración actual del universo, pero desconocemos si es permanente o no.

Este es en realidad un viejo problema, que se remonta a 1916, cuando Einstein introdujo por primera vez la constante cosmológica. Inmediatamente después de proponer la relatividad general el año anterior, desarrolló las implicaciones cosmológicas de su propia teoría. Para su sorpresa, encontró que el universo era dinámico, que se expandía o se contraía. Pero esta idea parecía contradecir los datos.

Einstein se estaba enfrentando a la paradoja de Bentley, que había desconcertado incluso a Newton. En 1692 el reverendo Richard Bentley escribió a Newton una carta inocente con una pregunta devastadora. Si la gravedad de Newton era siempre atractiva, preguntaba Bentley, entonces ¿por qué no colapsaba el universo? Si el universo consiste en un conjunto finito de estrellas que se atraen mutuamente, entonces las estrellas deberían juntarse y el universo debería colapsar en una bola de fuego. Newton quedó profundamente turbado por esta carta, puesto que señalaba un defecto clave de su teoría de la gravedad:
cualquier teoría de la gravedad que sea atractiva es intrínsecamente inestable
. Cualquier colección finita de estrellas colapsará inevitablemente bajo la acción de la gravedad.

Newton respondió que la única manera de crear un universo estable era tener un conjunto uniforme e infinita de estrellas, en donde cada estrella fuera atraída desde todas las direcciones de modo que todas las fuerzas se cancelaran. Era una solución ingeniosa, pero Newton era lo bastante inteligente para darse cuenta de que tal estabilidad sería engañosa. Como un castillo de naipes, la más minúscula vibración haría que todo colapsará. Era «metastable»; es decir, era temporalmente estable hasta que la más ligera perturbación lo aplastaría. Newton concluyó que Dios era necesario para dar pequeños empujones a las estrellas de vez en cuando, de modo que el universo no colapsará.

En otras palabras, Newton veía el universo como un gigantesco reloj, al que Dios había dado cuerda en el principio del tiempo y que obedecía las leyes de Newton. Desde entonces había marchado automáticamente, sin intervención divina. Sin embargo, según Newton, Dios era necesario para ajustar las estrellas de vez en cuando para que el universo no colapsará en una bola de fuego.

Cuando Einstein tropezó con la paradoja de Bentley en 1916, sus ecuaciones le decían correctamente que el universo era dinámico —estaba expandiéndose o contrayéndose— y que un universo estático era inestable y colapsaría debido a la gravedad. Pero los astrónomos insistían en esa época en que el universo era estático e invariable. Por eso Einstein, cediendo a las observaciones de los astrónomos, añadió la constante cosmológica, una fuerza antigravitatoria que separaba las estrellas para equilibrar la atracción gravitatoria que hacía que el universo colapsará. (Esta fuerza antigravitatoria corresponde a la energía contenida en el vacío. En esta imagen, incluso la enorme vaciedad del espacio contiene grandes cantidades de energía invisible). Esa constante tendría que estar escogida de forma muy precisa para cancelar la fuerza atractiva de la gravedad.

Tiempo después, cuando Edwin Hubble demostró en 1929 que el universo se estaba expandiendo realmente, Einstein diría que la constante cosmológica fue su «mayor patinazo». Pero ahora, setenta años más tarde, parece como si el patinazo de Einstein, la constante cosmológica, pudiera ser la mayor fuente de energía del universo, pues constituye el 75 por ciento del contenido de materia-energía del universo. (Por el contrario, los elementos más pesados que forman nuestros cuerpos constituyen solo el 0,03 por ciento del universo). El patinazo de Einstein determinará probablemente el destino final del universo.

Pero ¿de dónde procede esta constante cosmológica? Actualmente, nadie lo sabe. En el principio del tiempo, la fuerza antigravitatoria era quizá lo bastante grande para hacer que el universo se inflara, y creó el big bang. Luego desapareció repentinamente, por razones desconocidas. (El universo siguió expandiéndose durante ese período, pero a un ritmo más lento). Y luego, unos 8.000 millones de años después del big bang, la fuerza antigravitatoria salió de nuevo a la superficie, para separar las galaxias y hacer que el universo se acelerara de nuevo.

Entonces, ¿es imposible determinar el destino final del universo? Quizá no. La mayoría de los físicos creen que los efectos cuánticos determinan en última instancia el tamaño de la constante cosmológica. Un cálculo sencillo, utilizando una versión primitiva de la teoría cuántica, muestra que la constante cosmológica está sobrestimada en un factor 10
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. Este es el mayor desajuste en la historia de la ciencia.

Pero también hay consenso entre los físicos en que esta anomalía significa sencillamente que necesitamos una teoría de la gravedad cuántica. Puesto que la constante cosmológica aparece a través de correcciones cuánticas, es necesario tener una teoría del todo, una teoría que nos permitirá no solo completar el modelo estándar, sino también calcular el valor de la constante cosmológica, que determinará el destino final del universo.

Por eso, una teoría del todo es necesaria para determinar el destino final del universo. La ironía es que algunos físicos creen que es imposible alcanzar una teoría del todo.

Como ya he mencionado, la teoría de cuerdas es el principal candidato para una teoría del todo, pero hay opiniones contrapuestas acerca de si la teoría de cuerdas hace honor a esta afirmación. Por una parte, personas como el profesor Max Tegmark del MIT escriben: «Creo que en 2056 se podrán comprar camisetas en las que estén impresas ecuaciones que describan las leyes físicas unificadas de nuestro universo».
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Por otra parte, está surgiendo un grupo de críticos decididos que afirman que la moda de las cuerdas aún tiene que justificarse. Por muy numerosos que sean los artículos o documentales de televisión impactantes que se hacen sobre la teoría de cuerdas, esta aún tiene que producir un solo hecho que pueda ponerse a prueba, dicen algunos. Es una teoría de nada, antes que una teoría del todo, afirman los críticos. El debate se calentó considerablemente en 2002 cuando Stephen Hawking cambió de bando, citando el teorema de incompletitud, y dijo que una teoría del todo podría ser incluso matemáticamente imposible.

No es sorprendente que el debate haya enfrentado a físicos con físicos, pues el objetivo es imponente, aunque escurridizo. La búsqueda por unificar todas las leyes de la naturaleza ha tentado a físicos y filósofos por igual durante milenios. El propio Sócrates dijo en cierta ocasión: «Me parecía algo superlativo saber la explicación de todas las cosas: por qué nacen, por qué mueren, por qué son».

La primera propuesta seria para una teoría del todo data de aproximadamente el 500 a.C., fecha en que se atribuye a los pitagóricos griegos el haber descifrado las leyes matemáticas de la música. Entonces especularon que toda la naturaleza podía explicarse por las armonías de las cuerdas de una lira. (En cierto sentido, la teoría de cuerdas recupera el sueño de los pitagóricos).

En tiempos modernos, casi todos los gigantes de la física del siglo XX probaron suerte con una teoría del campo unificado. Pero como advierte Freeman Dyson: «El suelo de la física está lleno de cadáveres de teorías unificadas».

En 1928
The NewYork Times
publicó el sensacional titular «Einstein en el umbral de un gran descubrimiento; la intrusión se resiente». La noticia desencadenó un frenesí en los medios de comunicación acerca de una teoría del todo que alcanzó un tono febril. Los titulares decían: «Einstein sorprendido por el revuelo sobre la teoría. Mantiene a cien periodistas en vilo durante una semana». Montones de periodistas se congregaron alrededor de su casa en Berlín, en una vigilia continua, esperando captar un atisbo del genio y conseguir un titular. Einstein se vio obligado a entrar a escondidas.

El astrónomo Arthur Eddington escribió a Einstein: «Quizá le divierta oír que uno de nuestros grandes almacenes en Londres (Selfridges) ha desplegado su artículo en sus escaparates (las seis páginas pegadas una al lado de otra) para que los transeúntes puedan leerlo. Grandes multitudes se juntan para leerlo». (En 1923 Eddington propuso su propia teoría del campo unificado, en la cual trabajó incansablemente durante el resto de su vida, hasta su muerte en 1944).

En 1946 Erwin Schródinger, uno de los fundadores de la mecánica cuántica, convocó una conferencia de prensa para proponer su teoría del campo unificado. Incluso el primer ministro de Irlanda, Eamon de Valera, asistió a la misma. Cuando un periodista le preguntó qué haría si su teoría fuera errónea, Schródinger respondió: «Creo que estoy en lo cierto. Quedaré como un terrible estúpido si estoy equivocado». (Schródinger quedó humillado cuando Einstein señaló diplomáticamente los errores en su teoría).

El más severo de todos los críticos de la unificación fue el físico Wolfgang Pauli. Reprobaba a Einstein diciendo que «Lo que Dios ha separado, que no lo una el hombre». Se burlaba despiadadamente de toda teoría a medio hacer con el sarcasmo «Ni siquiera es falsa». Por eso resulta irónico que el propio Pauli, el cínico supremo, cayera en ello. En los años cincuenta propuso su propia teoría del campo unificado con Werner Heisenberg.

En 1958 Pauli presentó la teoría unificada de Heisenberg-Pauli en la Universidad de Columbia. Niels Bohr estaba entre el público y no quedó impresionado. Bohr se levantó y dijo: «Aquí estamos convencidos de que su teoría es descabellada. Pero en lo que no estamos de acuerdo es en si es suficientemente descabellada». La crítica era demoledora. Puesto que todas las teorías obvias habían sido consideradas y rechazadas, la verdadera teoría del campo unificado debía apartarse abiertamente del pasado. La teoría de Heisenberg-Pauli era demasiado convencional, demasiado ordinaria, demasiado cuerda para ser la teoría verdadera. (Ese año Pauli se molestó cuando Heisenberg comentó en una emisión radiofónica que solo quedaban unos pocos detalles técnicos en su teoría. Pauli envió a sus amigos una carta con un rectángulo en blanco, con el pie: «Esto es para mostrar al mundo que puedo pintar como Tiziano. Solo faltan detalles técnicos).

Hoy, el principal (y único) candidato para una teoría del todo es la teoría de cuerdas. Pero, una vez más, ha surgido un rechazo. Los adversarios señalan que para conseguir un puesto permanente en una universidad importante hay que trabajar en teoría de cuerdas. Si no, uno se queda sin empleo. Es la moda del momento, y eso no es bueno para la física.
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Yo sonrío cuando oigo esta crítica, porque la física, como todas las empresas humanas, está sujeta a modas y manías. La suerte de las grandes teorías, especialmente las que trabajan en la frontera del conocimiento humano, puede subir y bajar como las faldas. De hecho, hace años cambiaron las tornas; la teoría de cuerdas era históricamente una paria, una teoría renegada, la víctima de la moda.

La teoría de cuerdas nació en 1968, cuando dos jóvenes posdoctorados, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, tropezaron con una fórmula que parecía describir la colisión de partículas subatómicas. Enseguida se descubrió que esta maravillosa fórmula podía derivarse de la colisión de cuerdas vibrantes. Pero en 1974 la teoría estaba muerta. Una nueva teoría, la cromodinámica cuántica (QCD), o la teoría de los quarks y las interacciones fuertes, era una apisonadora que aplastaba a las demás teorías. Los físicos abandonaron en masa la teoría de cuerdas para ponerse a trabajar en QCD. Todos los fondos, empleos y reconocimientos iban a los físicos que trabajaban en el modelo de quarks.