La Teoría De Cuerdas - Cristian G. Pérez V1.0

Instituto Superior Lenguas Vivas Cristian Gonzalo Pérez

Página |1

Contenido Capítulo 1..........................................................................................................................6 Entonces, ¿qué es la teoría de cuerdas?.............................................................................6 Teoría de cuerdas: lo que las cuerdas vibratorias pueden decirnos sobre el universo. .7 El uso del concepto de lo minúsculo hasta lo gigantesco para crear una teoría de todo.............................................................................................................................8 Un vistazo rápido sobre dónde ha estado la teoría de cuerdas..................................9 Presentación de los elementos claves de la teoría de cuerdas.....................................10 Cuerdas y branas......................................................................................................11 Gravedad cuántica....................................................................................................12 Unificación de fuerzas..............................................................................................13 Supersimetría...........................................................................................................13 Dimensiones adicionales..........................................................................................14 Comprender el objetivo de la teoría de cuerdas..........................................................15 Explicación de la materia y la masa.........................................................................15 Definición del espacio y el tiempo...........................................................................17 Gravedad cuántica....................................................................................................18 Unificación de las fuerzas........................................................................................18 Apreciación de las sorprendentes (y controvertidas) implicaciones de la teoría.........18 Escenario de posibles teorías...................................................................................18 Universos paralelos..................................................................................................19 Agujeros de gusano..................................................................................................20 El universo como un holograma..............................................................................20 Viaje en el tiempo....................................................................................................21

Página |2 El big bang...............................................................................................................21 El fin del universo....................................................................................................22 ¿Por qué es tan importante la teoría de cuerdas?........................................................22 Capítulo 2........................................................................................................................24 El callejón sin salida de la física termina en la gravedad cuántica..................................24 Dos escuelas de pensamiento sobre la gravedad.........................................................25 Ley de gravedad de Newton: la gravedad como fuerza...........................................25 Ley de la gravedad de Einstein: la gravedad como geometría.................................28 Descripción de la materia: física y llena de energía....................................................29 Visión clásica de la materia: trozos de material.......................................................30 Visión de la materia a escala cuántica: trozos de energía........................................30 Aferrarse a las fuerzas fundamentales de la física.......................................................31 Electromagnetismo: ondas de energía súper rápida.................................................32 Fuerzas nucleares: lo que la fuerza fuerte une, la fuerza débil separa.....................33 Infinitos: la razón por la que Einstein y la teoría cuántica no se llevan bien..............33 Singularidades: Curvatura de la gravedad hasta el punto de quiebre.......................34 Irregularidades cuánticas: espacio tiempo bajo un microscopio cuántico...............35 Unificación de las fuerzas............................................................................................37 La fallida búsqueda de Einstein para explicar todo.................................................37 Una partícula de gravedad: el gravitón....................................................................38 El papel de la supersimetría en la gravedad cuántica...............................................39 Capítulo 3........................................................................................................................40 Los logros y fracasos de la teoría de cuerdas.................................................................40 Festejo de los éxitos de la teoría de cuerdas...............................................................40

Página |3 Predecir la gravedad de las cuerdas.........................................................................41 Explicación de lo que le sucede a un agujero negro (o al menos se intenta)...........41 Explicación de la teoría cuántica de campos con el uso la teoría de cuerdas.........42 Al igual que John Travolta, la teoría de cuerdas siempre regresa...........................43 La teoría más popular...............................................................................................43 Contratiempos de la teoría de cuerdas........................................................................45 El universo no tiene suficientes partículas...............................................................45 Energía oscura: el descubrimiento que la teoría de cuerdas debería haber predicho ..................................................................................................................................46 ¿De dónde provienen todas estas teorías «fundamentales»?....................................47 Una mirada al futuro de la teoría de cuerdas..............................................................48 Complicaciones teóricas, ¿podemos entender la teoría de cuerdas?.......................48 Complicaciones experimentales, ¿podemos comprobar la teoría de cuerdas?........49 Capítulo 4..........................................................................................................................50 La teoría de cuerdas en contexto: comprensión del método científico...........................50 Análisis de la práctica de la ciencia.............................................................................50 El mito del método científico...................................................................................51 La necesidad de la falsabilidad experimental...........................................................53 La base de la teoría es la matemática.......................................................................55 La regla de la simplicidad........................................................................................56 El papel de la objetividad en la ciencia....................................................................57 Comprender cómo se ve el cambio científico..............................................................58 Lo viejo vuelve a ser nuevo: la ciencia como revolución........................................58 Combinación de fuerzas: la ciencia como unificación.............................................60 ¿Qué pasa cuando se rompe? La ciencia como simetría..........................................61

Página |4 Capítulo 5........................................................................................................................64 Lo que se debe saber sobre la física clásica....................................................................64 Esa pequeña cosa llamada física..................................................................................64 No es materia de risa. De lo que todos estamos hechos...........................................65 Agregue un poco de energía. La razón de por qué suceden las cosas......................67 Simetría: ¿Por qué algunas leyes fueron hechas para ser quebrantadas?.................69 Todo agitado: ondas y vibraciones..............................................................................71 Atrapar la ola............................................................................................................72 Conseguir buenas vibraciones..................................................................................74 La revolución de Newton: cómo nació la física..........................................................76 Fuerza, masa y aceleración: poner los objetos en movimiento................................77 Gravedad: un gran descubrimiento..........................................................................79 Óptica: arrojar luz sobre las propiedades de la luz..................................................79 Cálculo y matemática: mejora de la comprensión científica...................................80 Las fuerzas de la luz: la electricidad y el magnetismo................................................81 La luz como una onda: la teoría del éter..................................................................81 Líneas invisibles de fuerza: campos eléctricos y magnéticos..................................82 Las ecuaciones de Maxwell unifican todo: ondas electromagnéticas......................85 Dos nubarrones y el nacimiento de la física moderna..............................................86 Capítulo 6........................................................................................................................87 Nuestro universo: la teoría de cuerdas, la cosmología y la astrofísica...........................87 El comienzo del universo con la teoría de cuerdas.....................................................87 ¿Qué había antes de la explosión?...........................................................................88 ¿Qué explotó?..........................................................................................................90

Página |5 Explicación de los agujeros negros con la teoría de cuerdas......................................94 La teoría de cuerdas y la termodinámica de un agujero negro................................94 La teoría de cuerdas y la paradoja de la información del agujero negro.................97 La evolución del universo............................................................................................98 La hinchazón continúa: inflación eterna..................................................................99 La materia oculta y la energía................................................................................100 El país desconocido: el futuro del cosmos.................................................................103 Un universo de hielo: la gran helada......................................................................103 De punto a punto: la gran comprensión.................................................................104 Un nuevo comienzo: el gran rebote.......................................................................104 Exploración de un universo con ajuste fino...............................................................105

Página |6

Capítulo 1

Entonces, ¿qué es la teoría de cuerdas? En este capítulo La teoría de cuerdas se basa en cuerdas vibratorias de energía Los elementos claves de la teoría de cuerdas Con la esperanza de poder explicar todo el universo con la teoría de cuerdas El estudio de la teoría de cuerdas podría ser el principal logro científico del siglo XXI

La teoría de cuerdas es un trabajo en proceso, por lo que tratar de precisar de manera exacta qué es la teoría de cuerdas o cuáles son los elementos fundamentales, puede ser complicado. De todos modos, eso es justo lo que se intenta hacer en este capítulo. El lector obtendrá una comprensión básica de la teoría de cuerdas, dado que se describen los elementos principales de la teoría que proporcionan las bases para la mayor parte de este libro. También se discute la posibilidad de que la teoría de cuerdas pueda ser el punto de partida para una teoría del todo, que podría definir todas las leyes físicas de nuestro universo en una simple fórmula matemática (quizás no tan simple). Por último, se repasan las razones por las que se le debería prestar atención a la teoría de cuerdas.

Página |7

Teoría de cuerdas: lo que las cuerdas vibratorias pueden decirnos sobre el universo La teoría de cuerdas es una teoría de la física que indica que el universo se compone de filamentos vibratorios de energía, expresados en un lenguaje matemático preciso. Estas cuerdas de energía representan el aspecto más fundamental de la naturaleza. La teoría también predice otros objetos fundamentales, denominados branas. Toda la materia en nuestro universo consiste en las vibraciones de estas cuerdas (y branas). Una inferencia importante de la teoría de cuerdas es que la gravedad es una consecuencia natural de la teoría, razón por la cual los científicos creen que la teoría podría tener la respuesta que uniría la gravedad con las otras fuerzas que afectan la materia.

Se reitera algo importante: la teoría de cuerdas es una teoría matemática. Se basa en ecuaciones matemáticas que se pueden interpretar de ciertas maneras. Si alguien nunca antes estudió física, esto le puede parecer extraño, pero todas las teorías físicas se expresan en el lenguaje de la matemática. En este libro, se evita la matemática y se intenta llegar al corazón de lo que la teoría dice sobre el universo físico.

En la actualidad, nadie sabe con exactitud cómo será la versión final de la teoría de cuerdas. Los científicos tienen algunas vagas nociones sobre los elementos generales podrían existir en la teoría, pero a nadie se le ocurrió la ecuación final que represente toda la teoría de cuerdas en nuestro universo; además los experimentos aún no han podido confirmarla (aunque tampoco han podido refutarla). Los físicos han creado versiones simplificadas de la ecuación, pero no describen nuestro universo de manera íntegra… todavía.

Página |8

El uso del concepto de lo minúsculo hasta lo gigantesco para crear una teoría de todo La teoría de cuerdas es un tipo de física teórica de alta energía, que los físicos de partículas practican bastante. Es una teoría de campo cuántico (vea la sección «¿Qué es la teoría de campos cuánticos?») que describe las partículas y fuerzas en nuestro universo con base en la manera en que las dimensiones adicionales especiales de la teoría se envuelven en un tamaño muy pequeño (un proceso llamado compactación). Este es el poder de la teoría de cuerdas, que permite usar las cuerdas fundamentales y la forma en que se compactan las dimensiones adicionales, para proporcionar una descripción geométrica de todas las partículas y fuerzas que se conocen en la física moderna. Entre las fuerzas que se necesitan para describirla está la gravedad, por supuesto. Debido a que la teoría de cuerdas es una teoría de campo cuántico, esto significa que la teoría de cuerdas sería una teoría cuántica de la gravedad, que se conoce como gravedad cuántica. La establecida teoría de la gravedad, la relatividad general, tiene un espacio tiempo fluido y dinámico, y un aspecto de la teoría de cuerdas en el que todavía se está trabajando es lograr que este tipo de espacio tiempo emerja de la teoría. Los principales logros de la teoría de cuerdas son conceptos que no se pueden visualizar, a menos que sepa cómo interpretar las ecuaciones físicas. La teoría de cuerdas no utiliza experimentos que proporcionen nuevos enfoques, pero ha revelado profundas relaciones matemáticas dentro de las ecuaciones, lo que lleva a los físicos a creer que deben ser ciertas.

¿Qué es la teoría de campos cuánticos? Los físicos utilizan campos para describir las cosas que no tienen una posición particular, sino que existen en cada punto del espacio. Por ejemplo, puede pensar en la temperatura de una habitación como un campo, puede ser diferente cerca de una ventana abierta que cerca de una estufa ardiente, e imagínese medir la temperatura en cada punto

Página |9

de la habitación. Una teoría de campos, por lo tanto, es un conjunto de reglas que indican cómo se comportarán algunos campos, como por ejemplo cómo cambia la temperatura en la habitación con respecto al tiempo. Cuando se combinan los conceptos de teoría de campos y teoría cuántica, se obtiene la teoría cuántica de campos: una teoría de campos que obedece a los principios de la teoría cuántica. Toda la física de partículas moderna se describe mediante teorías cuántica de campos.

En los últimos años, ha habido mucha controversia pública sobre la teoría de cuerdas, en los medios e internet. Los teóricos de cuerdas creen que sus métodos son seguros, mientras que los críticos creen que, en el mejor de los casos, son cuestionables. El tiempo y la evidencia experimental dirán qué lado ha presentado el mejor argumento.

Un vistazo rápido sobre dónde ha estado la teoría de cuerdas La teoría se desarrolló en 1968 como una teoría que intentaba explicar el comportamiento de los hadrones (como los protones y los neutrones, son partículas que componen un núcleo atómico) dentro de los aceleradores de partículas. Más tarde, los físicos se dieron cuenta de que esta teoría también podría usarse para explicar algunos aspectos de la gravedad. Por más de una década, la mayoría de los físicos abandonaron la teoría de cuerdas, máxime porque requería una gran cantidad de dimensiones adicionales e invisibles. La teoría saltó a la fama otra vez a mediados de la década de 1980, cuando los físicos pudieron demostrar que era una teoría consistente en el aspecto matemático. A mediados de la década de 1990, la teoría de cuerdas se actualizó para convertirse en una teoría más compleja, llamada teoría M, que contiene más objetos que solo cuerdas. Estos nuevos objetos se llamaban branas, y podían tener desde cero hasta nueve dimensiones. Las teorías de cuerdas anteriores (que ahora también incluyen branas) fueron vistas como aproximaciones de la teoría M que es más completa.

P á g i n a | 10

Si hablamos en un modo técnico, la moderna teoría M es más que la tradicional teoría de cuerdas, pero el nombre teoría de cuerdas todavía se usa a menudo para la teoría M y sus diversas teorías hijas. Incluso se ha demostrado que la teoría original de supercuerdas también incluye branas. La convención en este libro al referirse a las teorías que contienen branas, que son variantes de la teoría M y las teorías originales de cuerdas, es utilizar el término teoría de cuerdas.

Presentación de los elementos claves de la teoría de cuerdas Existen cinco ideas principales que están en el corazón de la teoría de cuerdas y aparecen una y otra vez. Es mejor familiarizarse con estos conceptos lo antes posible: La teoría de cuerdas predice que todos los objetos en nuestro universo se componen de filamentos vibratorios (y membranas) de energía. La teoría de cuerdas intenta conciliar la relatividad general (gravedad) con la física cuántica. La teoría de cuerdas proporciona un mecanismo de unificación de todas las fuerzas fundamentales del universo. La teoría de cuerdas predice una nueva conexión (llamada supersimetría) entre dos tipos de partículas fundamentales diferentes, los bosones y los fermiones. La teoría de cuerdas predice una cantidad de dimensiones adicionales (con frecuencia no observables) en el universo. Se presentan los conceptos básicos de estas ideas en las siguientes secciones.

P á g i n a | 11

Cuerdas y branas Cuando la teoría se desarrolló en la década de 1970, los filamentos de energía en la teoría de cuerdas se consideraban objetos unidimensionales: cuerdas (unidimensional indica que la cuerda tiene solo una dimensión, longitud; en lugar de un cuadrado, que tiene dos dimensiones, longitud y altura). Estas cuerdas vienen en dos formas: cerradas y abiertas. Una cuerda abierta tiene extremos que no se tocan entre sí, mientras que una cuerda cerrada es un bucle sin final abierto. Luego se descubrió que estas primeras cuerdas, llamadas cuerdas de tipo I, podían pasar por cinco tipos básicos de interacciones, como se muestra en la figura 1-1.

Las interacciones se basan en la capacidad de una cuerda de tener extremos unidos y separados. Debido a que los extremos de las cuerdas abiertas se pueden unir para formar cuerdas cerradas, no se puede construir una teoría de cuerdas sin cuerdas cerradas.

P á g i n a | 12

Esto resultó ser importante porque las cuerdas cerradas tienen propiedades que hacen que los físicos crean que ¡podrían describir la gravedad! En otras palabras, en lugar de ser solo una teoría de partículas de materia, los físicos comenzaron a darse cuenta de que la teoría de cuerdas podría explicar la gravedad y el comportamiento de las partículas. Con los años, se descubrió que la teoría requería otros objetos además de las cuerdas. Estos objetos se pueden ver como hojas o branas. Las cuerdas se pueden unir en uno o ambos extremos a estas branas. Una brana de dos dimensiones (llamada 2-brana) se muestra en la figura 1-2.

Gravedad cuántica La física moderna tiene dos leyes científicas básicas: la física cuántica y la relatividad general. Estas dos leyes científicas representan campos de estudio con diferencias radicales. La física cuántica estudia los objetos más pequeños de la naturaleza, mientras que la relatividad tiende a estudiar la naturaleza en la escala de los planetas, las galaxias y el universo en su conjunto, aunque es obvio que la gravedad también afecta a las partículas pequeñas, y la relatividad también lo explica. Las teorías que intentan unificar las dos teorías son las teorías de la gravedad cuántica, y hoy la más prometedora de todas es la teoría de cuerdas. Las cuerdas cerradas de la teoría de cuerdas (ver la sección anterior) se corresponden con el comportamiento esperado para la gravedad. De manera específica, tienen

P á g i n a | 13 propiedades que coinciden con el tan buscado gravitón, una partícula que portaría la fuerza de la gravedad entre los objetos. La gravedad cuántica es el tema del capítulo 2, donde se cubre esta idea con mucha mayor profundidad.

Unificación de fuerzas De la mano del tema de la gravedad cuántica, la teoría de cuerdas intenta unificar las cuatro fuerzas en el universo en una sola teoría unificada: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la gravedad. En nuestro universo, estas fuerzas fundamentales aparecen como cuatro fenómenos diferentes, pero los teóricos de cuerdas creen que en el universo primitivo (cuando había niveles de energía demasiado altos) estas fuerzas se describían mediante cuerdas que interactuaban entre sí.

Supersimetría Todas las partículas en el universo se pueden dividir en dos tipos: bosones y fermiones. La teoría de cuerdas predice que existe un tipo de conexión, llamada supersimetría, entre estos dos tipos de partículas. Bajo el concepto de la supersimetría, debe existir un fermión por cada bosón y viceversa. Sin embargo, los experimentos aún no han detectado estas partículas adicionales. La supersimetría es una relación matemática específica entre ciertos elementos de las ecuaciones físicas. Se descubrió fuera de la teoría de cuerdas, aunque su incorporación a la misma la transformó en teoría de cuerdas supersimétricas (o teoría de supercuerdas) a mediados de la década de 1970. Un beneficio de la supersimetría es que simplifica, de gran manera, las ecuaciones de la teoría de cuerdas al permitir que ciertos términos se cancelen. Sin la supersimetría, las ecuaciones arrojan resultados con inconsistencias físicas, como valores infinitos y niveles de energía imaginarios. Dado que los científicos no han observado las partículas predichas por la supersimetría, esto sigue siendo una suposición teórica. Muchos físicos creen que la razón por la que

P á g i n a | 14 nadie ha observado las partículas es porque se necesita mucha energía para generarlas. La energía se relaciona con la masa según la famosa ecuación de Einstein E = mc2, por lo que se necesita energía para crear una partícula. Estas partículas pueden haber existido en el universo primitivo, pero a medida que el universo se enfrió y la energía se esparció luego del big bang, estas partículas habrían colapsado a los estados de baja energía que observamos hoy. Es posible que no pensemos en nuestro universo actual como un universo de baja energía, pero en comparación con el intenso calor de los primeros momentos después del big bang, sí lo es.

En otras palabras, las cuerdas vibratorias como partículas de alta energía perdieron energía y se transformaron desde un tipo de partícula (un tipo de vibración) en otro tipo de vibración de menor energía. Los científicos esperan que las observaciones astronómicas o los experimentos con aceleradores de partículas revelen algunas de estas partículas supersimétricas de mayor energía, y proporcionen sustento para esta predicción de la teoría de cuerdas.

Dimensiones adicionales Otra consecuencia matemática de la teoría de cuerdas es que la teoría ¡solo tiene sentido en un mundo con más de tres dimensiones espaciales! Nuestro universo tiene tres dimensiones espaciales: izquierda/derecha, arriba/abajo y adelante/atrás. En la actualidad existen dos posibles explicaciones para la ubicación de las dimensiones adicionales: Las dimensiones espaciales adicionales (en general seis de ellas) están curvadas (compactadas, en la terminología de la teoría de cuerdas) a tamaños increíblemente pequeños, por lo que nunca las percibimos. Estamos atrapados en una brana tridimensional, y las dimensiones adicionales se extienden fuera de ella y son inaccesibles para nosotros.

P á g i n a | 15 Un área importante de investigación entre los teóricos de cuerdas es sobre modelos matemáticos de cómo estas dimensiones adicionales podrían relacionarse con las nuestras. Algunos de estos resultados recientes han pronosticado que los científicos pronto podrán detectar estas dimensiones adicionales (en caso de que existan) en próximos experimentos, porque pueden ser más grandes de lo que se esperaba.

Comprender el objetivo de la teoría de cuerdas Para muchos, el objetivo de la teoría de cuerdas es ser una teoría del todo, es decir, ser la teoría física única que, en el nivel más fundamental, describa toda la realidad física. Si tiene éxito, la teoría de cuerdas podría explicar muchas de las cuestiones fundamentales sobre nuestro universo.

Explicación de la materia y la masa Uno de los principales objetivos de la investigación actual de la teoría de cuerdas es construir una solución de esta teoría que contenga las partículas que en realidad existen en nuestro universo. La teoría de cuerdas comenzó como una teoría para dar una explicación de los hadrones, como los varios modos de alta vibración de una cuerda. En la mayoría de las definiciones actuales de la teoría de cuerdas, la materia que se observa en nuestro universo proviene de las vibraciones de cuerdas y branas de menor energía. Las vibraciones de mayor energía representan partículas más energéticas que en la actualidad no existen en nuestro universo. La masa de estas partículas fundamentales proviene de las formas en que estas cuerdas y branas se envuelven en las dimensiones adicionales que se compactan dentro de la teoría, en formas que son bastante desordenadas. Por ejemplo, considere un caso simplificado en el que las dimensiones adicionales se curvan en forma de una rosquilla (los matemáticos y los físicos la llaman toroide), como en la figura 1-3.

P á g i n a | 16

Una cuerda tiene dos maneras de envolverse alrededor de esta figura: Un pequeño bucle alrededor del tubo, a través del medio de la rosquilla. Un bucle largo que envuelve toda la longitud de la rosquilla (como un hilo envuelve un yoyo).

El bucle pequeño sería una partícula más liviana, mientras que el bucle largo es una partícula más pesada. A medida que se las cuerdas se envuelven alrededor de las dimensiones compactadas en forma de toroide, se obtienen nuevas partículas con masas diferentes.

Una de las razones principales por la que la teoría de cuerdas se ha vuelto popular es que esta idea, que la longitud se traduce en masa, es muy sencilla y elegante. Las dimensiones compactas en la teoría de cuerdas son mucho más elaboradas que un simple toroide, pero en principio funcionan de la misma manera. Incluso es posible (aunque más difícil de visualizar) que una cuerda se enrolle en ambas direcciones de manera simultánea, lo que, otra vez, daría otra partícula con otra masa. Las branas también pueden enrollarse en dimensiones adicionales, creando aún más posibilidades.

P á g i n a | 17

Definición del espacio y el tiempo En muchas versiones de la teoría de cuerdas, las dimensiones adicionales del espacio se compactan en un tamaño muy pequeño, por lo que no son observables para la tecnología actual. Los intentos de mirar un espacio más pequeño que este tamaño compacto proporcionarían resultados que no coinciden con nuestra comprensión del espacio tiempo (como se ve en el capítulo 2, el comportamiento del espacio tiempo en estas escalas tan pequeñas es una de las razones de la búsqueda de la gravedad cuántica). Uno de los principales obstáculos de la teoría de cuerdas es tratar de descubrir cómo el espacio tiempo puede emerger de la teoría. Sin embargo, como regla general, la teoría de cuerdas se basa en la noción de espacio tiempo de Einstein. La teoría de Einstein tiene tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. La teoría de cuerdas predice algunas dimensiones espaciales adicionales, pero no cambia tanto las reglas fundamentales del juego, al menos a bajas energías.

En la actualidad no está claro si la teoría de cuerdas puede explicar la naturaleza fundamental del espacio y el tiempo más de lo que lo hizo Einstein. En la teoría de cuerdas es casi como si las dimensiones de espacio y tiempo del universo fueran un telón de fondo para las interacciones de las cuerdas, sin un significado real por sí mismas. Se han desarrollado algunas propuestas sobre cómo podría abordarse este tema, centrándose máxime en el espacio tiempo como un fenómeno emergente, es decir, el espacio tiempo proviene de la sumatoria total de todas las interacciones de cuerdas, de una manera que aún no se pudo desarrollar por completo en de la teoría. De todos modos, estos enfoques no cumplen con la definición de algunos físicos, lo que conlleva críticas a la teoría. El principal rival de la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles, utiliza la cuantización del espacio y el tiempo como punto de

P á g i n a | 18 partida de su propia teoría. Algunos creen que esto será, en última instancia, otro enfoque de la misma teoría básica.

Gravedad cuántica El mayor logro de la teoría de cuerdas, si tiene éxito, será demostrar que es una teoría cuántica de la gravedad. La teoría actual de la gravedad, la relatividad general, no permite los resultados de la física cuántica. Debido a que la física cuántica establece limitaciones al comportamiento de los objetos pequeños, crea grandes inconsistencias cuando se trata de examinar el universo a escalas demasiado pequeñas.

Unificación de las fuerzas En la actualidad, la física conoce cuatro fuerzas fundamentales (que, con mayor precisión, los físicos denominan «interacciones»): gravedad, fuerza electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. La teoría de cuerdas crea un marco en el que las cuatro interacciones fueron alguna vez parte de la misma fuerza unificada del universo. Según esta teoría, cuando el universo primitivo se enfrió después del big bang, esta fuerza unificada comenzó a dividirse en las diferentes fuerzas que experimentamos hoy. Los experimentos a altas energías podrían, algún día, permitirnos detectar la unificación de estas fuerzas, aunque tales experimentos están muy fuera de nuestras posibilidades tecnológicas actuales.

Apreciación de las sorprendentes (y controvertidas) implicaciones de la teoría Aunque la teoría de cuerdas es fascinante por derecho propio, lo que puede resultar aún más intrigante son las posibilidades que derivan de ella.

P á g i n a | 19

Escenario de posibles teorías Uno de los descubrimientos más inesperados y perturbadores de la teoría de cuerdas es que, en lugar de una sola teoría, resulta que puede haber una gran cantidad de teorías posibles (o, de manera más precisa, posibles soluciones a la teoría) ¡tal vez hasta 10 500 soluciones diferentes! (Eso es un 1 seguido de 500 ceros). Si bien este gran número ha generado una crisis entre algunos teóricos de cuerdas, otros lo han aceptado como una virtud, alegando que esto significa que la teoría de cuerdas es muy rica. Con el fin de aceptar muchas teorías posibles, algunos teóricos de cuerdas se han volcado hacia el principio antrópico, que trata de explicar las propiedades de nuestro universo como resultado de nuestra presencia en él. Sin embargo, otros no tienen ningún problema con este gran número, en realidad lo esperaban y, en lugar de tratar de explicarlo, solo intentan determinar la solución que se aplica a nuestro universo. Con una gran cantidad de teorías disponibles, el principio antrópico le permite a los físicos usar el hecho de que estamos aquí para elegir solo entre aquellas teorías que tienen parámetros físicos que nos permiten estar aquí. En otras palabras, nuestra propia presencia dicta la elección de la ley física, ¿o solo será que nuestra presencia es un dato observable, como la velocidad de la luz?

El uso del principio antrópico es uno de los efectos más controvertidos de la moderna teoría cuerdas. Incluso algunos de los mayores defensores de la teoría de cuerdas han expresado su preocupación por su uso, debido a las aplicaciones sórdidas (y poco científicas) a las que se ha utilizado en el pasado, y el sentimiento de que todo lo que se necesita es observar nuestro universo, sin aplicar cualquier concepto antrópico en absoluto. Como los escépticos del principio antrópico se apuran en señalar, los físicos solo adoptan este principio cuando no tienen otras opciones, y lo abandonan si surge algo mejor. Queda por ver si los teóricos de cuerdas encontrarán otra forma de maniobrar a través de los escenarios de la teoría de cuerdas.

P á g i n a | 20

Universos paralelos Algunas interpretaciones de la teoría de cuerdas predicen que nuestro universo no es el único. De hecho, en las versiones más extremas de la teoría, existe un número infinito de otros universos, algunos de los cuales contienen duplicados exactos de nuestro propio universo. Tan extraña como es esta teoría, se predice por investigaciones actuales que estudian la naturaleza misma del cosmos. De hecho, la teoría de cuerdas no es la única que predice los universos paralelos, también una visión de la física cuántica ha sugerido la existencia teórica de un cierto tipo de universo paralelo durante más de medio siglo.

Agujeros de gusano La teoría de la relatividad de Einstein predice un espacio curvado llamado agujero de gusano (también llamado puente Einstein-Rosen). En este caso, dos regiones distantes del espacio se conectan por un agujero de gusano más corto, que proporciona un atajo entre esas dos regiones distantes, como se muestra en la figura 1-4.

La teoría de cuerdas permite la posibilidad de que los agujeros de gusano se extiendan no solo entre regiones distantes de nuestro propio universo, sino también entre regiones distantes de universos paralelos. Quizás, los agujeros de gusano podrían conectar universos que tienen diferentes leyes físicas.

P á g i n a | 21 De hecho, no está claro si los agujeros de gusano podrán existir dentro de la teoría de cuerdas. Como una teoría de la gravedad cuántica, es posible que las soluciones de relatividad general que dan lugar a posibles agujeros de gusano desaparezcan.

El universo como un holograma A mediados de la década de 1990, a dos físicos se les ocurrió una idea llamada principio holográfico. En esta teoría, si se tiene un volumen de espacio, se puede tomar toda la información contenida en ese espacio y mostrar que corresponde a la información «escrita» en la superficie del espacio. Por extraño que parezca, este principio holográfico puede ser clave para resolver un gran misterio de los agujeros negros, ¡que existe desde hace más de 20 años! Muchos físicos creen que el principio holográfico será uno de los principios físicos fundamentales que permitirán comprender mejor la teoría de cuerdas.

Viaje en el tiempo Algunos físicos creen que la teoría de cuerdas puede permitir múltiples dimensiones de tiempo (no es la visión dominante). A medida que nuestra comprensión del tiempo crece con la teoría de cuerdas, es posible que los científicos descubran nuevos medios para viajar a través de la dimensión del tiempo o demuestren que tales posibilidades teóricas son, de hecho, imposibles, como la mayoría de los físicos creen.

El big bang La teoría de cuerdas se aplica a la cosmología, lo que significa que puede darnos una idea de la formación del universo. Las implicaciones exactas todavía se encuentran en proceso de exploración, pero algunos creen que la teoría de cuerdas respalda el modelo cosmológico actual de inflación, mientras que otros creen que permite escenarios universales de creación. La teoría de la inflación predice que, muy poco después del big bang original, el universo comenzó a experimentar un período de inflación rápida y exponencial. Muchos

P á g i n a | 22 consideran que esta teoría, que aplica los principios de la física de partículas al universo primitivo en su conjunto, es la única forma de explicar algunas propiedades de ese universo. En la teoría de cuerdas, también existe un posible modelo alternativo para nuestro modelo actual de big bang, en el que dos branas chocaron entre sí y nuestro universo es el resultado. En este modelo, llamado universo ecpirótico, el universo atraviesa ciclos de creación y destrucción, una y otra vez.

El fin del universo El destino final del universo es un tema que la física ha explorado durante mucho tiempo, y una versión final de la teoría de cuerdas puede ayudarnos a determinar la densidad de la materia y la constante cosmológica del universo. Al determinar estos valores, los cosmólogos serán capaces de determinar si nuestro universo al final se contraerá sobre sí mismo, y terminará en una gran contracción, big crunch, y luego tal vez comience de nuevo.

¿Por qué es tan importante la teoría de cuerdas? La teoría de cuerdas ofrece muchos temas fascinantes para analizar, pero es lógica la pregunta sobre la importancia práctica de la misma. Por un lado, la teoría de cuerdas es el próximo paso en la creciente comprensión del universo. Si eso no representa un aspecto práctico, entonces considere este punto: el dinero de los impuestos se destina a financiar investigaciones científicas, y las personas que intentan obtener ese dinero quieren usarlo para estudiar la teoría de cuerdas (o sus alternativas). Un teórico de cuerdas del todo honesto se vería obligado a decir que, con probabilidad no hay aplicaciones prácticas para la teoría de cuerdas, al menos en el futuro previsible. Esto no se ve bien ni en la portada de un libro ni en la columna de una revista, por lo que se condimenta con charlas sobre universos paralelos, dimensiones de tiempo adicionales y el descubrimiento de nuevas simetrías fundamentales de la naturaleza. Las aplicaciones prácticas podrían existir, pero las predicciones de la teoría hacen que sea poco probable que sean útiles, hasta donde sabemos.

P á g i n a | 23 Comprender mejor la naturaleza del universo es un buen objetivo en sí mismo, tan antiguo como la humanidad, algunos podrían decir. Pero cuando se trata de financiar aceleradores de partículas de miles de millones de dólares o programas de investigación por satélite, es posible que se desee algo tangible por el dinero y, por el momento, no hay razón para pensar que la teoría de cuerdas ofrecerá algo práctico.

Nadie sabe a dónde conducirá una teoría científica hasta que la teoría se desarrolle y se pruebe. En 1905, cuando Albert Einstein presentó por primera vez su famosa ecuación E=mc2, pensó que era una relación intrigante, pero no tenía idea de que conduciría a algo tan potente como la bomba atómica. No tenía manera de conocer las correcciones a los cálculos de tiempo exigidos por la relatividad especial y la relatividad general que algún día serían necesarias para que el sistema de posicionamiento global (GPS) funcione de manera precisa. La física cuántica, que en la superficie es en esencia teórica, es la base del láser y el transistor, dos piezas de tecnología que están en el corazón de las computadoras modernas y los sistemas de comunicación. Aunque no sabemos a qué puede conducir un concepto teórico en total pureza, como la teoría de cuerdas, la historia ha demostrado que casi con seguridad conducirá a destinos más complejos. Como ejemplo de la naturaleza inesperada del progreso científico, el descubrimiento y el estudio de la electricidad al principio fue visto como un simple truco de magia. Por supuesto que se podrían predecir algunas tecnologías a partir del descubrimiento de la electricidad, como la bombilla. Pero algunos de los descubrimientos más profundos son cosas que tal vez nunca se hayan predicho, como la radio y televisión, la computadora, internet, el teléfono celular, etc.

P á g i n a | 24 El impacto de la ciencia se extiende también a la cultura. Otro subproducto de la electricidad es la música rocanrol, creada con la llegada de las guitarras y otros instrumentos musicales, ambos eléctricos. Si la electricidad nos pudo conducir al rocanrol e internet, ¡imagínese a qué tipo de avances culturales y tecnológicos impredecibles podría conducir la teoría de cuerdas!

P á g i n a | 25

Capítulo 2

El callejón sin salida de la física termina en la gravedad cuántica En este capítulo No encajan: la gravedad y la física cuántica no se llevan bien en lo absoluto Un vistazo a los cuatro tipos de interacciones de partículas Con la esperanza de poder vincular toda la física en una sola ecuación, con la gravedad cuántica

A los físicos les gusta agrupar conceptos en pequeñas cajas ordenadas y etiquetadas, pero a veces las teorías que intentan juntar no quieren llevarse bien. En este momento, las leyes físicas fundamentales de la naturaleza pueden caber en una de dos cajas: la relatividad general o la física cuántica. Pero los conceptos de una caja no funcionan bien con los conceptos de la otra. Cualquier teoría que pueda lograr que estos dos conceptos de física trabajen juntos se llamaría teoría de la gravedad cuántica. La teoría de cuerdas es en la actualidad la candidata más probable para una teoría exitosa de la gravedad cuántica. En este capítulo, se explica por qué los científicos quieren (y necesitan) una teoría de la gravedad cuántica. Se comienza con una visión general de la comprensión científica de la gravedad, que se define por la teoría de la relatividad general de Einstein, y la comprensión de la materia y las otras fuerzas de la naturaleza, en términos de mecánica cuántica. Con estas herramientas fundamentales en su lugar, luego se explican las formas en que estas dos teorías chocan con las que proporcionan la base para la gravedad cuántica. Al final se describen varios intentos de unificar estas teorías y las

P á g i n a | 26 fuerzas de la física en un sistema coherente, y los fracasos con los que se han encontrado.

Dos escuelas de pensamiento sobre la gravedad Los físicos buscan una teoría de la gravedad cuántica porque las leyes actuales que rigen la gravedad no funcionan en todas las situaciones. En especial, la teoría de la gravedad parece «descomponerse» (es decir, las ecuaciones se vuelven sin sentido físico) en ciertas circunstancias que se describen más adelante en el capítulo. Para comprender lo que esto significa, primero se debe entender un poco sobre lo que los físicos saben sobre la gravedad. La gravedad es una fuerza de atracción que une los objetos, en principio a través de cualquier distancia. La formulación de la teoría clásica de la gravedad de Sir Isaac Newton fue uno de los mayores logros de la física. Dos siglos después, la reinvención de la gravedad por Albert Einstein lo ubicó en el panteón de los indiscutidos grandes pensadores científicos de todos los tiempos. A menos que una persona sea un físico, con gran probabilidad dará por sentado la gravedad. Es una fuerza increíble, capaz de mantener unido el cielo, pero que un niño de 3 años la puede superar en un columpio (pero no por mucho tiempo). A la escala de un átomo, la gravedad es irrelevante en comparación con la fuerza electromagnética. De hecho, un simple imán puede superar toda la fuerza del planeta Tierra para recoger objetos metálicos, desde clips de papel hasta automóviles.

Ley de gravedad de Newton: la gravedad como fuerza Sir Isaac Newton desarrolló su teoría de la gravedad a fines del siglo XVII. Esta sorprendente teoría implicaba reunir una comprensión de la astronomía y los principios del movimiento (conocidos como mecánica o cinemática) en un marco integral que también requería la invención de una nueva forma de matemática: el cálculo. En la teoría de la gravedad de Newton, los objetos se atraen por una fuerza física que se extiende por grandes distancias en el espacio.

P á g i n a | 27 La clave es que la gravedad une todos los objetos (al igual que la Fuerza en Star Wars). La manzana que cae de un árbol y el movimiento de la luna alrededor de la Tierra son dos manifestaciones de la misma fuerza fundamental. La relación que Newton descubrió era una relación matemática (después de todo, tuvo que inventar el cálculo para que todo funcione), al igual que la relatividad, la mecánica cuántica y la teoría de cuerdas. En la teoría de la gravedad de Newton, la fuerza entre dos objetos se basa en el producto de sus masas, dividido por el cuadrado de la distancia entre ellos. En otras palabras, cuanto más pesados son los dos objetos, más fuerza hay entre ellos, suponiendo que la distancia entre ellos permanezca igual (consulte la sección «Una cuestión de masa» para aclarar esta relación).

P á g i n a | 28

Una cuestión de masa Cuando se dice que la fuerza entre dos objetos es proporcional a la masa de los dos objetos, se puede pensar que esto significa que las cosas más pesadas caen más rápido que las más livianas. Por ejemplo, ¿no caería una bola de boliche más rápido que una pelota de fútbol? De hecho, como demostró Galileo (aunque no con los bolos modernos y las pelotas de fútbol) años antes de que Newton naciera, este no es el caso. Durante siglos, la mayoría de la gente había asumido que los objetos más pesados caían más rápido que los objetos ligeros. Newton estaba al tanto de los resultados de Galileo, por lo que fue capaz de descubrir cómo definir la fuerza de la manera que lo hizo. Según la explicación de Newton, se necesita más fuerza para mover un objeto más pesado. Si se deja caer una bola de boliche y una pelota de fútbol de un edificio (lo cual no se recomienda), ambos acelerarían al mismo ritmo de (si ignoramos la resistencia del aire), alrededor de 9,8 metros por segundo. La fuerza que actúa entre la bola de boliche y la Tierra sería mayor que la fuerza que actúa sobre la pelota de fútbol, pero debido a que se necesita más fuerza para mover la bola de boliche, la velocidad real de aceleración entre los dos es idéntica. Para ser realistas, si se realizara el experimento habría una ligera diferencia. Debido a la resistencia del aire, la pelota de fútbol, que es más ligera, con probabilidad se ralentizaría si se dejara caer desde un punto lo suficiente alto, mientras que la bola de boliche no lo haría. Pero un experimento construido de manera adecuada, en el que la resistencia del aire está del todo neutralizada (como en el vacío) mostraría que los objetos caen a la misma velocidad, sin relación con la masa.

El hecho de que la fuerza se divida por la distancia al cuadrado significa que si dos objetos están más cerca uno del otro, el poder de la gravedad aumenta. Si la

P á g i n a | 29 distancia aumenta, la fuerza cae. La relación de la inversa del cuadrado significa que si la distancia se duplica, la fuerza cae a un cuarto de su intensidad original. Si la distancia se reduce a la mitad, la fuerza aumenta cuatro veces. Si los objetos están muy lejos, el efecto de la gravedad se vuelve muy pequeño. La razón por la que la gravedad tiene algún impacto en el universo es porque abunda. La gravedad en sí misma es muy débil, en términos de las otras fuerzas.

Lo contrario también es cierto. Si dos objetos se acercan mucho entre sí, y debe ser muy cerca, entonces la gravedad podría volverse poderosa a niveles casi increíbles, incluso entre objetos que no tienen mucha masa, como las partículas fundamentales de la física Esta no es la única razón por la que se observa tanto la gravedad. La fuerza de la gravedad en el universo también proviene del hecho de que siempre está atrayendo objetos. La fuerza electromagnética a veces atrae objetos y a veces los repele, por lo que en la escala del universo en general, tiende a contrarrestarse. Por último, la gravedad interactúa a distancias muy grandes, a diferencia de otras fuerzas (las fuerzas nucleares) que solo funcionan a distancias más pequeñas que un átomo. Se profundiza un poco más en el trabajo de Newton, tanto con respecto a la gravedad como en otras áreas relacionadas, en el capítulo 5. A pesar del éxito de su teoría, Newton tenía algunos problemas que le daban vueltas en la cabeza. El primero y más importante de ellos fue el hecho de que, aunque tenía un modelo para la gravedad, no sabía por qué funcionaba. La gravedad que describió era una fuerza casi mística (¡como la Fuerza de Star Wars!), que actúa a través de grandes distancias sin necesidad de una conexión física real. Se necesitaron dos siglos y a Albert Einstein para resolver este problema.

P á g i n a | 30

Ley de la gravedad de Einstein: la gravedad como geometría Albert Einstein revolucionó la forma en que los físicos veían la gravedad. En lugar de la gravedad como una fuerza que actúa entre los objetos, Einstein imaginó un universo en el que la masa de cada objeto causaba una ligera curvatura en el espacio (en realidad espacio tiempo) a su alrededor. El movimiento de un objeto a lo largo de la distancia más corta en este espacio tiempo era la gravedad. En lugar de ser una fuerza, la gravedad era en realidad un efecto de la geometría del espacio tiempo. Einstein propuso que el movimiento en el universo podría explicarse en términos de un sistema de coordenadas con tres dimensiones espaciales: arriba/abajo, izquierda/derecha y hacia atrás/adelante, por ejemplo, y una dimensión de tiempo. Este sistema de coordenadas de 4 dimensiones, que desarrolló el antiguo profesor de Einstein, Hermann Minkowski, se llamó espacio tiempo y surgió de la teoría de la relatividad especial de 1905 de Einstein. Cuando Einstein generalizó esta teoría, al crear la teoría de la relatividad general en 1916, pudo incluir la gravedad en sus explicaciones del movimiento. De hecho, el concepto de espacio tiempo fue crucial. El sistema de coordenadas espacio tiempo se curva cuando se le introduce la materia, es decir a medida que los objetos se mueven dentro del espacio y el tiempo, de manera natural intentan tomar el camino más corto a través del espacio tiempo curvado.

Seguimos la órbita alrededor del sol porque es el camino más corto (llamado geodésico en matemática) a través del espacio tiempo curvo alrededor del mismo.

Descripción de la materia: es física y llena de energía Einstein ayudó a revolucionar el entendimiento de la composición de la materia, tanto como lo hizo con el espacio, el tiempo y la gravedad. Gracias a Einstein, los científicos se dan cuenta de que la masa, y por lo tanto la materia, es una forma de energía. Esta comprensión está en el corazón de la física moderna, y debido a que la gravedad es una

P á g i n a | 31 interacción entre objetos compuestos de materia, comprender la materia es crucial para entender por qué los físicos necesitan una teoría de la gravedad cuántica.

Visión clásica de la materia: trozos de material El estudio de la materia es una de las disciplinas físicas más antiguas, porque los filósofos intentaron comprender qué formaban los objetos. Incluso hace poco, la comprensión física de la materia era difícil de lograr, ya que los físicos debatían sobre la existencia de los átomos, pequeños trozos de materia indivisibles que ya no podían dividirse.

Un principio clave de la física era que la materia no podía crearse ni destruirse, sino que solo podía cambiar de una forma a otra. Este principio se conoce como la conservación de la masa. Aunque no puede crearse ni destruirse, la materia puede dividirse, lo que condujo a la pregunta de si había un trozo más pequeño de materia, el átomo, como habían propuesto los antiguos griegos, una pregunta que, a lo largo del siglo XIX, pareció señalar una respuesta afirmativa. A medida que aumentaba la comprensión de la termodinámica, el estudio del calor y la energía, que hizo posible la máquina de vapor (y la Revolución industrial), los físicos comenzaron a darse cuenta de que el calor podía explicarse como el movimiento de pequeñas partículas. El átomo había regresado, aunque los hallazgos de la física cuántica del siglo XX revelaron que el átomo no era indivisible como todos pensaban.

Visión de la materia a escala cuántica: trozos de energía Con el auge de la física moderna en el siglo XX, se aclararon dos hechos clave sobre la materia:

P á g i n a | 32 Como Einstein había propuesto con su famosa ecuación E=MC2, la materia y la energía son, en cierto sentido, intercambiables. La materia es compleja en exceso, compuesta por una serie de tipos de partículas extrañas e inesperadas que se unen para formar otros tipos de partículas.

Resultó que el átomo estaba compuesto por un núcleo rodeado de electrones. ¡El núcleo estaba formado por protones y neutrones, que a su vez estaban formados por nuevas partículas extrañas llamadas cuarks! Tan pronto como los físicos pensaron que habían alcanzado una unidad fundamental de la materia, parecieron descubrir que se podía romper y aún se podían extraer unidades más pequeñas. No solo eso, sino que incluso había más de estas partículas fundamentales. Resultó que había tres familias de partículas, algunas de las cuales solo aparecían con energías mucho más altas que las que los científicos habían explorado con anterioridad. Hoy, el modelo estándar de física de partículas contiene 18 partículas fundamentales distintas, 17 de las cuales se han observado de manera experimental (los físicos todavía están esperando el bosón de Higgs1).

Aferrarse a las fuerzas fundamentales de la física Aun cuando el número de partículas se volvió más extraño y complejo, las formas en que interactuaron esos objetos resultaron ser tan sencillas que sorprendieron. En el siglo XX, los científicos descubrieron que los objetos en el universo experimentaban solo cuatro tipos fundamentales de interacciones: Electromagnetismo Fuerza nuclear fuerte Fuerza nuclear débil 1

La existencia del bosón de Higgs se confirmó en 2013 en el acelerador de partículas del CERN (N. del T.)

P á g i n a | 33 Gravedad Los físicos han descubierto profundas conexiones entre estas fuerzas, a excepción de la gravedad, que parece diferenciarse de las demás por razones que los físicos aún no están del todo seguros. Intentar incorporar la gravedad con todas las demás fuerzas, descubrir cómo se relacionan las fuerzas fundamentales entre sí, es una idea fundamental que muchos físicos esperan que ofrezca una teoría de la gravedad cuántica.

Electromagnetismo: ondas de energía súper rápida Descubierta en el siglo XIX, la fuerza electromagnética (o electromagnetismo) es una unificación de la fuerza electrostática y la fuerza magnética. A mediados del siglo XX, esta fuerza se explicó en un marco de mecánica cuántica llamada electrodinámica cuántica, o EDC. En este marco, la fuerza electromagnética se transfiere por partículas de luz, llamadas fotones. La relación entre la electricidad y el magnetismo se trata en el capítulo 5, pero la relación básica se reduce a la carga eléctrica y su movimiento. La fuerza electrostática hace que las cargas ejerzan fuerzas entre sí en una relación que es similar (pero más poderosa) a la gravedad, una ley de la inversa del cuadrado. Esta vez, sin embargo, la intensidad no se basa en la masa de los objetos, sino en la carga. El electrón es una partícula que contiene una carga eléctrica negativa, mientras que el protón en el núcleo atómico tiene una carga eléctrica positiva. Por tradición, la electricidad se ve como el flujo de electrones (carga negativa) a través de un cable. Este flujo de electrones se denomina corriente eléctrica. Un cable con una corriente eléctrica que lo atraviesa crea un campo magnético. También, cuando un imán se mueve cerca de un cable, hace que fluya una corriente, y esta es la base de la mayoría de los generadores de energía eléctrica. Esta es la forma en que la electricidad y el magnetismo se relacionan. En el siglo XIX, el físico James Clerk Maxwell unificó los dos conceptos en una sola teoría, llamada electromagnetismo, que describía esta fuerza como ondas de energía que se mueven a través del espacio.

P á g i n a | 34 Un componente clave de la unificación de Maxwell fue el descubrimiento de que la fuerza electromagnética se movía a la velocidad de la luz. En otras palabras, las ondas electromagnéticas que Maxwell predijo en su teoría eran una forma de ondas de luz. La electrodinámica cuántica conserva esta relación entre el electromagnetismo y la luz, porque en EDC la información sobre la fuerza se transfiere entre dos partículas cargadas (o partículas magnéticas) por otra partícula, un fotón o partícula de luz (los físicos indican que la fuerza electromagnética está mediada por un fotón).

Fuerzas nucleares: lo que la fuerza fuerte une, la fuerza débil separa Además de la gravedad y el electromagnetismo, la física del siglo XX descubrió dos fuerzas nucleares llamadas fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil. Estas fuerzas también están mediadas por partículas. La fuerza fuerte se genera por un tipo de partícula llamada gluon. La fuerza débil está mediada por tres partículas: los bosones Z, W+ y W-. La fuerza nuclear fuerte mantiene unidos a los cuarks para formar protones y neutrones, pero también mantiene unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo del átomo. La fuerza nuclear débil, por otro lado, es responsable de la desintegración radiactiva, como el caso de los neutrones que se desintegran en protones. Los procesos manejados por la fuerza nuclear débil son responsables de la combustión de las estrellas y la formación de elementos pesados dentro de las mismas.

Infinitos: la razón por la que Einstein y la teoría cuántica no se llevan bien La teoría de la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad, hace un excelente trabajo cuando explica el universo en la escala del cosmos. La física cuántica hace un excelente trabajo cuando explica el universo en la escala atómica o incluso menor. Entre esas escalas, la buena física clásica a la antigua suele ser la que manda.

P á g i n a | 35 Por desgracia, algunos problemas ponen en conflicto la relatividad general y la física cuántica, lo que las ecuaciones resultan en infinitos matemáticos. El infinito es en esencia un número abstracto que es más grande que cualquier otro número. Aunque a algunos personajes de los dibujos animados les guste ir «al infinito y más allá», a los científicos no les gusta ver infinitos en las ecuaciones matemáticas. Los infinitos surgen en la física cuántica, pero los físicos han desarrollado técnicas matemáticas para poder manejarlos en muchos de esos casos, para que los resultados coincidan con los experimentos. En algunos casos, sin embargo, estas técnicas no son aplicables. Como los físicos nunca presencian infinitos reales en la naturaleza, estas situaciones problemáticas motivan la búsqueda de la gravedad cuántica. Cada una de las teorías funciona bien por sí sola, pero cuando se avanza en áreas donde ambas tienen algo específico que decir sobre lo mismo, como lo que sucede en el borde de un agujero negro, las cosas se ponen muy complicadas. Las fluctuaciones cuánticas hacen que la distinción entre el interior y el exterior del agujero negro sea algo confusa, y la relatividad general necesita esa distinción para funcionar de manera correcta. Ninguna teoría por sí sola puede explicar, de manera integral, lo que sucede en estos casos específicos

Esta es la razón fundamental por qué los físicos necesitan una teoría de la gravedad cuántica. Con las teorías actuales, se obtienen situaciones que no parecen tener sentido. Los físicos no ven infinitos, pero como se verá más adelante, tanto la relatividad como la física cuántica indican que sí deberían existir. El objetivo de la gravedad cuántica es conciliar esta extraña región en el medio, donde ninguna teoría puede describir por completo lo que sucede.

Singularidades: Curvatura de la gravedad hasta el punto de quiebre Debido a que la materia causa una curvatura del espacio tiempo, al agrupar mucha materia en un espacio muy pequeño se produce una gran curvatura. De hecho, algunas soluciones a las ecuaciones de relatividad general de Einstein muestran situaciones en

P á g i n a | 36 las que el espacio tiempo se curva al infinito, denominadas singularidades. En específico, una singularidad espacio tiempo aparece en las ecuaciones matemáticas de la relatividad general en dos situaciones: Durante el primer período del big bang de la historia del universo Dentro de los agujeros negros Ambas situaciones involucran una densidad de materia (mucha materia en un espacio pequeño) que es suficiente para causar problemas con la uniforme geometría de espacio tiempo de la que depende la relatividad.

Estas singularidades representan puntos donde la teoría de la relatividad general se desmorona por completo. Incluso hablar sobre lo que sucede en este punto no tiene sentido, por lo que los físicos deben refinar la teoría de la gravedad para incluir reglas sobre cómo manejarse sobre estas situaciones de una manera lógica. Algunos creen que este problema puede resolverse con modificaciones a la teoría de la gravedad de Einstein. Los teóricos de cuerdas por lo general no quieren modificar la gravedad (al menos en los niveles de energía que los científicos suelen analizar); solo quieren crear un marco que permita que la gravedad funcione sin toparse con estos infinitos matemáticos (y también físicos).

Irregularidades cuánticas: espacio tiempo bajo un microscopio cuántico Un segundo tipo de infinito, que propuso John Wheeler en 1955, es la espuma cuántica o, como lo llama el teórico de cuerdas y best seller Brian Greene, las irregularidades cuánticas. Los efectos cuánticos logran que el espacio tiempo a escalas de distancia muy pequeñas (llamada longitud de Planck) es un mar caótico de partículas virtuales que se crean y destruyen. En estos niveles, el espacio tiempo no es uniforme como sugiere la relatividad, sino que es una red enmarañada de fluctuaciones de energía extremas y aleatorias, como se muestra en la figura 2-1.

P á g i n a | 37

La base de las irregularidades cuánticas es el principio de incertidumbre, una de las características clave (y más inusuales) de la física cuántica. El componente principal del principio de incertidumbre es que ciertos pares de valores, por ejemplo, posición y velocidad, o tiempo y energía, están unidos entre sí, de modo que cuanto más precisa es la medición de uno, más incierta es el otro. Sin embargo, esto no es solo una afirmación sobre la medición, ¡sino una incertidumbre fundamental en la naturaleza!

En otras palabras, la naturaleza es un poco «difusa» según la física cuántica. Esta falta de definición solo aparece a distancias muy pequeñas, pero este problema crea la espuma cuántica. Un ejemplo de la falta de definición viene en forma de partículas virtuales. Según la teoría del campo cuántico (una teoría de campo es aquella en la que cada punto en el espacio tiene un cierto valor, similar a un campo gravitacional o campo electromagnético), incluso el vacío del espacio tiene una ligera energía asociada. Esta energía se puede utilizar para, de manera concisa, crear un par de partículas (una partícula y su antipartícula, para ser precisos). Las partículas existen solo por un momento y luego se destruyen entre sí. Es como si pidieran prestada suficiente energía del universo para existir solo por unas pocas fracciones de segundo.

P á g i n a | 38 El problema es que cuando se observa el espacio tiempo a escalas muy pequeñas, los efectos de estas partículas virtuales se tornan muy importantes, ya que las fluctuaciones de energía predichas por el principio de incertidumbre adquieren proporciones masivas. Sin una teoría cuántica de la gravedad, no hay manera de averiguar en realidad qué sucede en tamaños tan pequeños.

Unificación de las fuerzas El intento de unificar la gravedad con las otras tres fuerzas, así como con la física cuántica, fue uno de los motores de la física durante todo el siglo XX (y todavía lo sigue siendo). En cierto modo, este tipo de unificaciones de diferentes ideas son los principales descubrimientos en la ciencia a lo largo de los siglos. La electrodinámica cuántica creó con éxito una teoría cuántica del electromagnetismo. Más tarde, la teoría electrodébil unificó esta teoría junto con la fuerza nuclear débil. La fuerza nuclear fuerte se explica por la cromodinámica cuántica. El modelo actual de física que explica estas tres fuerzas se llama modelo estándar de física de partículas. Unificar la gravedad con las otras fuerzas crearía una nueva versión del modelo estándar y explicaría cómo funciona la gravedad en el nivel cuántico. Muchos físicos esperan que la teoría de cuerdas al fin resulte ser esa teoría.

La fallida búsqueda de Einstein para explicar todo Después de que Einstein resolviera con éxito los principales problemas de la teoría de la relatividad general, enfocó la atención en el intento de unificar la teoría de la gravedad con el electromagnetismo, así como con la física cuántica. De hecho, Einstein pasaría la mayor parte del resto de su vida tratando de desarrollar esta teoría unificada, pero moriría sin éxito. A lo largo de la búsqueda, Einstein examinó casi cualquier teoría que se le ocurriera. Una de estas ideas era agregar una dimensión de espacio adicional y enrollarla en un tamaño muy pequeño. Este enfoque, llamado teoría de Kaluza-Klein es en honor a los hombres que la crearon. Este mismo enfoque al final sería utilizado por los teóricos de

P á g i n a | 39 cuerdas para tratar las molestas dimensiones adicionales que surgieron de sus propias teorías. Al fin y al cabo, ninguno de los intentos de Einstein dio frutos. Hasta el día de su muerte, trabajó de manera ferviente para poder completar sin éxito su teoría de campo unificado, lo que muchos físicos consideran un triste final para una carrera tan grandiosa. Hoy, sin embargo, algunos de los trabajos de física teórica más intensos están en la búsqueda de una teoría para unificar la gravedad y el resto de la física, sobre todo en forma de teoría de cuerdas.

Una partícula de gravedad: el gravitón El modelo estándar de la física de partículas explica el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil como campos que siguen las reglas de la teoría de calibres. La teoría de calibre se basa en gran medida en simetrías matemáticas. Dado que estas fuerzas son teorías cuánticas, los campos de calibre vienen en unidades discretas (de ahí proviene la palabra cuántica), y estas unidades en realidad resultan ser partículas en sí mismas, llamadas bosones de calibre. Las fuerzas descritas por una teoría de calibre son transportadas, o mediadas, por estos bosones de calibre. Por ejemplo, la fuerza electromagnética es mediada por el protón. Cuando la gravedad se escribe en forma de una teoría de calibre, el bosón de calibre de la gravedad se llama gravitón (si está confundido por las teorías de calibre, no se preocupe demasiado; solo recuerde que el gravitón es lo que hace que la gravedad funcione y sabrá todo lo que necesita saber para comprender su aplicación a la teoría de cuerdas). Los físicos han identificado algunas características del gravitón teórico para que, si existe, se pueda reconocer. Por un lado, la partícula no tiene masa, lo que significa que no tiene masa en reposo, la partícula siempre está en movimiento, y eso con probabilidad signifique que viaja a la velocidad de la luz. Otra característica del gravitón es que tiene un giro de 2. El giro es un número cuántico que indica una propiedad inherente de una partícula que actúa como un momento

P á g i n a | 40 angular similar. Las partículas fundamentales tienen un giro inherente, lo que significa que interactúan con otras partículas cuando giran, como cuando no lo hacen. Un gravitón tampoco tiene carga eléctrica. Es una partícula estable, lo que significa que no se descompondrá.

Por lo tanto, los físicos buscan una partícula sin masa que se mueva a una velocidad tan rápida como increíble, sin carga eléctrica y un giro cuántico de 2. Aunque el gravitón nunca ha sido descubierto en experimentos, es el bosón de calibre el que media la fuerza gravitacional. Dada la increíble debilidad de la fuerza de gravedad en relación con otras fuerzas, tratar de identificar los gravitones es una tarea en extremo difícil. La posible existencia del gravitón en la teoría de cuerdas es una de las principales motivaciones para mirar la teoría como una solución probable al tema de la gravedad cuántica.

El papel de la supersimetría en la gravedad cuántica La supersimetría es un principio que dice que los dos tipos de partículas fundamentales, los bosones y los fermiones, se conectan entre sí. El beneficio de este tipo de simetría es que las relaciones matemáticas en la teoría de calibre se reducen de tal manera que unificar todas las fuerzas se vuelve más factible. Sin embargo, cuando se introduce la supersimetría en la ecuación (de manera literal, no solo metafórica), las tres fuerzas se encuentran en un solo punto. Si la supersimetría demuestra ser cierta, es una fuerte evidencia de que las tres fuerzas del modelo estándar se unifican a una energía muy alta. Muchos físicos creen que las cuatro fuerzas alguna vez estuvieron unificadas a altos niveles de energía, pero a medida que el universo se redujo a un estado de menor energía, la simetría inherente entre las fuerzas comenzó a disminuir. Esta simetría disminuida causó la creación de cuatro fuerzas distintas de la naturaleza.

P á g i n a | 41 El objetivo de una teoría de la gravedad cuántica es, en cierto sentido, un intento de mirar en retrospectiva, cuando estas cuatro fuerzas formaban una sola. Si tiene éxito, afectaría en profundidad la comprensión de los primeros momentos del universo, es decir, la última vez que las fuerzas se unieron de esta manera.

P á g i n a | 42

Capítulo 3

Los logros y fracasos de la teoría de cuerdas En este capítulo Los logros de la teoría de cuerdas Los agujeros en la teoría de cuerdas ¿Qué le deparará el futuro a la teoría de cuerdas?

La teoría de cuerdas es un trabajo en progreso, que capturó los corazones y las mentes de gran parte de la comunidad de la física teórica mientras, en apariencia, se encuentra desconectada de cualquier posibilidad realista de una prueba experimental definitiva. A pesar de esto, ha tenido algunos éxitos, como predicciones y logros inesperados que pueden indicar que los teóricos de cuerdas están en el camino correcto. Los detractores de la teoría de cuerdas también señalarían (y muchos teóricos de cuerdas con seguridad estarían de acuerdo) que la última década no ha sido amable con la teoría de cuerdas porque el impulso hacia una teoría unificada del todo se ha ralentizado, debido a la división entre muchas versiones diferentes de la teoría, en lugar de una sola versión de la misma. En este capítulo, se verán algunos de los principales éxitos y fracasos de la teoría de cuerdas, así como también las posibilidades hacia dónde puede dirigirse. La controversia sobre la teoría de cuerdas se basa por completo en la importancia que los físicos otorgan a estos diferentes resultados.

P á g i n a | 43

Festejo de los éxitos de la teoría de cuerdas La teoría de cuerdas ha pasado por muchas transformaciones desde sus orígenes en 1968, cuando se esperaba que fuera un modelo de ciertos tipos de colisiones de partículas. Al inicio fracasó en ese objetivo, pero en los 40 años posteriores, la teoría de cuerdas se ha convertido en el candidato principal para una teoría de la gravedad cuántica. Ha impulsado importantes desarrollos en matemática, y los teóricos han utilizado ideas de la teoría de cuerdas para abordar otros problemas inesperados de la física. De hecho, ¡la presencia misma de la gravedad dentro de la teoría de cuerdas es un resultado inesperado!

Predecir la gravedad de las cuerdas El primer y más importante éxito de la teoría de cuerdas es el descubrimiento inesperado de objetos dentro de la teoría que coinciden con las propiedades del gravitón. Estos objetos son un tipo específico de cuerdas cerradas que también son partículas sin masa que tienen un giro de 2, al igual que los gravitones. Para decirlo de otra manera, los gravitones son una partícula sin masa de giro 2 que, según la teoría de cuerdas, puede estar formada por un cierto tipo de cuerda cerrada vibratoria. La teoría de cuerdas no fue creada para tener gravitones, son una consecuencia natural y necesaria de la teoría. Uno de los mayores problemas en la física teórica moderna es que la gravedad parece estar desconectada de todas las demás fuerzas de la física explicadas por el modelo estándar de física de partículas. La teoría de cuerdas resuelve este problema porque no solo incluye la gravedad, sino que hace de la gravedad un subproducto necesario de la teoría.

Explicación de lo que le sucede a un agujero negro (o al menos se intenta) Un importante factor motivador para la búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica es explicar el comportamiento de los agujeros negros, y la teoría de cuerdas parece ser

P á g i n a | 44 uno de los mejores métodos para lograr ese objetivo. Los teóricos de cuerdas han creado modelos matemáticos de agujeros negros que parecen similares a las predicciones hechas por Stephen Hawking hace más de 30 años y pueden ser la clave para resolver un rompecabezas de larga data dentro de la física teórica, ¿qué sucede con la materia que cae en un agujero negro? La comprensión de los científicos sobre los agujeros negros siempre ha tenido problemas, porque para estudiar el comportamiento cuántico de un agujero negro es necesario que se describa de alguna manera todos los estados cuánticos (configuraciones posibles, según lo definido por la física cuántica) del agujero negro. Por desgracia, los agujeros negros son objetos en la relatividad general, por lo que no está claro cómo definir estos estados cuánticos (consulte el capítulo 2 para obtener una explicación de los conflictos entre la relatividad general y la física cuántica).

Los teóricos de cuerdas han creado modelos que parecen ser idénticos a los agujeros negros en ciertas condiciones simplificadas, y usan esa información para calcular los estados cuánticos de estos. Se ha demostrado que los resultados coinciden con las predicciones de Hawking, que realizó, sin ningún método preciso, cuando calculó los estados cuánticos de los agujeros negros. Esto es lo más cerca que la teoría de cuerdas ha llegado a una predicción experimental. Por desgracia, no hay nada experimental al respecto porque los científicos no pueden observar los agujeros negros de manera directa (todavía). Es una predicción teórica que coincide de manera inesperada con otra predicción teórica (muy aceptada) sobre los agujeros negros. Y, más allá de eso, la predicción solo se cumple para ciertos tipos de agujeros negros y aún no se ha extendido con éxito a todos los demás.

P á g i n a | 45

Explicación de la teoría cuántica de campos con el uso la teoría de cuerdas Uno de los principales éxitos de la teoría de cuerdas es algo que se denomina la conjetura de Maldacena2 o la correspondencia AdS / CFT. Esta correspondencia, que se desarrolló en 1997 y pronto se amplió, parece dar una idea de las teorías de calibre, como las que están en el corazón de la teoría cuántica de campos (consulte el capítulo 2 para obtener una explicación de las teorías de calibre). La correspondencia original de AdS / CFT, escrita por Juan Maldacena, propone que cierta teoría de calibre tridimensional (tres dimensiones espaciales, como nuestro universo), con la mayor supersimetría permitida, describe la misma física que una teoría de cuerdas en un mundo de cuatro dimensiones (cuatro dimensiones espaciales). Esto significa que las preguntas sobre la teoría de cuerdas se pueden hacer en el lenguaje de la teoría de calibre, que es una teoría cuántica con la que los físicos saben trabajar.

La teoría de cuerdas siempre regresa Es probable que la teoría de cuerdas haya sufrido más reveses que cualquier otra teoría científica en la historia, pero esos problemas no parecen prolongarse demasiado. Cada vez que parece que hay algún defecto en la teoría, la resistencia matemática de la teoría de cuerdas parece no solo salvarla, sino que la hace más fuerte que nunca. Cuando las dimensiones adicionales ingresaron a la teoría en la década de 1970, muchos abandonaron la teoría, pero regresó en la primera revolución de las supercuerdas. Luego resultó que había cinco versiones distintas de la misma teoría, pero se produjo una segunda revolución de supercuerdas al unificarse. Cuando los teóricos de cuerdas se dieron cuenta que una gran cantidad de soluciones de las teorías de cuerdas eran posibles (cada solución a la teoría de cuerdas se denomina vacuum, mientras que muchas soluciones se llaman vacua), convirtieron esta situación en una virtud en lugar

2

Juan Maldacena es un físico teórico argentino. Desde 2001 es profesor en Institute for Advanced Study en Princeton, Nueva Jersey (N. del T.)

P á g i n a | 46 de un inconveniente. Por desgracia, incluso hoy, algunos científicos creen que la teoría de cuerdas falla en sus objetivos (consultar la sección «Contratiempos de la teoría de cuerdas» en este capítulo).

La teoría más popular Muchos físicos jóvenes sienten que la teoría de cuerdas, como la teoría primaria de la gravedad cuántica, es la mejor (o la única) vía para hacer una contribución significativa a la comprensión de este tema. En las últimas dos décadas, la física teórica de alta energía (en especial en los Estados Unidos) ha sido dominada por los teóricos de cuerdas. En el mundo de alto riesgo de la academia «publicar o perecer», este es un gran éxito. ¿Por qué tantos físicos se vuelcan hacia este campo cuando no ofrece evidencia experimental? Algunos de los físicos teóricos más brillantes de los siglos XX o XXI, como Edward Witten, John Henry Schwarz, Leonard Susskind y otros que se conocen a lo largo de este libro, vuelven una y otra vez a las mismas razones comunes en apoyo del tema. Si la teoría de cuerdas estuviera equivocada, no proporcionaría la estructura rica que tiene, como con el desarrollo de la cuerda heterótica que permite una aproximación del modelo estándar de física dentro de la teoría de cuerdas. Si la teoría de cuerdas estuviera equivocada, no conduciría a una mejor comprensión de la teoría cuántica de campos, la cromodinámica cuántica o los estados cuánticos de los agujeros negros, como se presentó en el trabajo de Leonard Susskind, Andrew Strominger, Cumrun Vafa y Juan Maldacena. Si la teoría de cuerdas estuviera equivocada, se habría derrumbado sobre sí misma hace mucho, en lugar de pasar tanas comprobaciones de consistencia matemática y proporcionar formas cada vez más elaboradas de ser interpretadas, como las dualidades y simetrías que permitieron la presentación de la teoría M. Así es como piensan los físicos teóricos, y es por eso que muchos de ellos continúan creyendo que la teoría de cuerdas es la opción correcta. La belleza matemática de la

P á g i n a | 47 teoría, el hecho de que sea tan adaptable, es vista como una de sus virtudes. La teoría se sigue refinando, y aún no se ha demostrado que sea incompatible con nuestro universo. No ha habido ningún impedimento en el que la teoría no haya podido proporcionar algo nuevo y significativo (al menos para algunos), por lo que aquellos que estudian la teoría de cuerdas no han tenido ninguna razón para rendirse y buscar en otro lado. Queda por ver si esta resistencia de la teoría de cuerdas se traducirá algún día en una prueba de que la teoría es, en esencia, correcta, pero para la mayoría de los que trabajan en el problema, la confianza es alta. Algunos críticos también ven esta popularidad como un defecto. La física prospera en el debate riguroso de las ideas en conflicto, y algunos físicos están preocupados de que el apoyo de la teoría de cuerdas, con exclusión de todas las demás ideas, no sea saludable para el tema. Para algunos de estos críticos, las matemáticas de la teoría de cuerdas, de hecho, ya han demostrado que la teoría no está funcionando como se esperaba (o, en su opinión, como se necesitaba para ser una teoría fundamental) y los teóricos de cuerdas lo niegan.

Contratiempos de la teoría de cuerdas Debido a que la teoría de cuerdas ha hecho tan pocas predicciones específicas, es difícil refutarla, pero la teoría no ha logrado cumplir con las publicidades de ser una teoría fundamental para explicar toda la física de nuestro universo, es decir una teoría del todo. Este incumplimiento de ese elevado objetivo parece ser la base de muchos (si no la mayoría) de los ataques. Algunos de estos ataques analizan si la teoría de cuerdas es incluso científica o si se está analizando de la manera correcta. Por ahora, se dejan estas preguntas más abstractas y nos concentramos en tres temas que incluso la mayoría de los teóricos de cuerdas no se sienten cómodos: Debido a la supersimetría, la teoría de cuerdas requiere una gran cantidad de partículas, además de las que los científicos ya han observado.

P á g i n a | 48 Esta nueva teoría de la gravedad no pudo predecir la expansión acelerada del universo que los astrónomos detectaron. Hoy en día existe una gran cantidad de vacua (soluciones) de teoría de cuerdas que son factibles desde el punto de vista matemático, por lo que parece imposible en la práctica descubrir cuál podría describir nuestro universo. Las siguientes secciones cubren estos dilemas con más detalle.

El universo no tiene suficientes partículas Para que las matemáticas de la teoría de cuerdas funcionen, los físicos deben asumir una simetría en la naturaleza llamada supersimetría, que crea una correspondencia entre los diferentes tipos de partículas. Un problema con esto es que en lugar de las 18 partículas fundamentales en el modelo estándar, la supersimetría requiere al menos 36 partículas fundamentales (lo que significa que la naturaleza permite 18 partículas que los científicos nunca han visto). De alguna manera, la teoría de cuerdas simplifica las cosas, los objetos fundamentales son cuerdas y branas o, como lo predice la teoría de matrices, las branas de dimensión cero se denominan partones. Estas cuerdas, branas o quizás partones forman las partículas que los físicos han observado (o las que esperan observar). Pero eso está en un nivel muy fundamental. Desde un punto de vista práctico, la teoría de cuerdas duplica el número de partículas permitidas por la naturaleza de 18 a 36. Uno de los mayores éxitos posibles para la teoría de cuerdas sería detectar de manera experimental estas partículas compañeras supersimétricas faltantes. La esperanza de muchos físicos teóricos es que cuando el acelerador de partículas del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN en Suiza se conecte por completo, detectará partículas supersimétricas. Incluso si tiene éxito, la prueba de la supersimetría no prueba del todo la teoría de cuerdas, por lo que el debate continuará, pero se eliminará al menos una objeción importante. La supersimetría podría terminar siendo cierta, más allá de que la teoría de cuerdas en su conjunto describa con precisión la naturaleza.

P á g i n a | 49

Energía oscura: el descubrimiento que la teoría de cuerdas debería haber predicho Los astrónomos encontraron evidencia en 1998 de que la expansión del universo en realidad se estaba acelerando. Esta expansión acelerada es causada por la energía oscura que aparece muy a menudo en las noticias. La teoría de cuerdas no solo no predijo la existencia de energía oscura, sino que los intentos de utilizar las mejores teorías de la ciencia para calcular la cantidad de energía oscura arrojan un número que es mucho mayor que el observado por los astrónomos. La teoría no logró darle sentido a la energía oscura. Afirmar que esto es un defecto de la teoría de cuerdas es un poco más controversial que los otros dos, pero hay algo de lógica (aunque cuestionable) detrás de esto. El objetivo de la teoría de cuerdas es nada menos que la reescritura completa de la ley gravitacional, por lo que no es irracional pensar que la teoría de cuerdas debería haber anticipado la energía oscura de alguna manera. Cuando Einstein construyó su teoría de la relatividad general, las matemáticas indicaron que el espacio podría estar expandiéndose (luego resultó ser cierto). Cuando Paul Dirac formuló una teoría cuántica del electrón, las matemáticas indicaron que existía una antipartícula (más tarde se demostró que sí existía). Se puede esperar que una teoría profunda como la teoría de cuerdas ilumine nuevos hechos sobre nuestro universo, no que se sorprenda por descubrimientos imprevistos. Por supuesto, ninguna otra teoría anticipó una expansión acelerada del universo tampoco. Antes de la evidencia observacional, los cosmólogos (y los teóricos de cuerdas) no tenían razón para suponer que el ritmo de expansión del espacio estaba aumentando. Años después de que se descubrió la energía oscura, se demostró que la teoría de cuerdas podía modificarse para incluirla, lo que los teóricos de cuerdas cuentan como un éxito (aunque los críticos continúan insatisfechos).

P á g i n a | 50

¿De dónde provienen todas estas teorías «fundamentales»? Por desgracia, a medida que los teóricos de cuerdas realizaron más investigaciones, tuvieron un problema creciente. En lugar de limitarse a un solo vacuum (solución) que pudiera usarse para explicar el universo, comenzó a parecer que había una cantidad tan grande de vacua que parecía absurdo. La esperanza de algunos físicos es que una versión única y fundamental de la teoría de cuerdas caiga ya armada desde la matemática. En verdad, tal exageración rara vez se justificaba en primer lugar. En la relatividad general, por ejemplo, existe un número infinito de formas de resolver las ecuaciones, y el objetivo es encontrar soluciones que coincidan con nuestro universo. Los teóricos de cuerdas demasiado ambiciosos (los que esperaban que una solución única cayera del cielo) pronto se dieron cuenta de que ellos también terminarían con un amplio escenario de teoría de cuerdas, como Leonard Susskind llama al rango de posibles vacua. El objetivo de la teoría de cuerdas se ha convertido en descubrir qué conjunto de vacua se aplica a nuestro universo.

Una mirada al futuro de la teoría de cuerdas En la actualidad, la teoría de cuerdas enfrenta dos obstáculos. El primero es el obstáculo teórico, que es si se puede formular un modelo que describa nuestro propio universo. El segundo obstáculo es el experimental, porque incluso si los teóricos de cuerdas tienen éxito en el modelado de nuestro universo, tendrán que descubrir cómo hacer una predicción distinta de las teorías que de alguna manera se pueden comprobar. En este momento, la teoría de cuerdas se queda corta en ambos aspectos, y no está claro si alguna vez se podrá formular de una manera que sea comprobable. Los críticos afirman que la creciente desilusión con la teoría de cuerdas está en aumento entre los físicos teóricos, mientras que los partidarios hablan sobre cómo la teoría de cuerdas se está utilizando para resolver las principales preguntas del universo. Solo el tiempo dirá si la teoría de cuerdas es correcta o incorrecta, pero más allá de la respuesta, la teoría de cuerdas ha llevado a los científicos durante años a hacerse

P á g i n a | 51 preguntas fundamentales sobre nuestro universo y explorar las respuestas de nuevas maneras. Incluso una teoría alternativa debería en parte su éxito al arduo trabajo realizado por los teóricos de cuerdas.

Complicaciones teóricas, ¿podemos entender la teoría de cuerdas? La versión actual de la teoría de cuerdas se llama teoría M, introducida en 1995, que es una teoría integral que incluye las cinco teorías de cuerdas supersimétricas. La teoría M existe en 11 dimensiones. Solo hay un problema, nadie sabe qué es la teoría M.

Los científicos buscan una teoría de cuerdas completa, pero aún no la tienen. Y, hasta que lo hagan, no hay forma de saber si tendrán éxito. Hasta que los teóricos de cuerdas tengan una teoría completa que describa nuestro propio universo, la teoría podría ser solo una cortina de humo. Aunque se puede demostrar que algunos aspectos de la teoría de cuerdas son verdaderos, puede ser que estos sean solo aproximaciones de alguna teoría más fundamental o puede ser que la teoría de cuerdas sea en realidad esa teoría fundamental en sí misma. La teoría de cuerdas, la fuerza impulsora de la física teórica del siglo XXI, podría no ser más que una ilusión matemática que proporciona algunas ideas aproximadas sobre la ciencia, pero en realidad no es la teoría que impulsa las fuerzas de la naturaleza. No está claro cuánto tiempo puede durar la búsqueda de una teoría sin algún avance específico. Existe la sensación (entre algunos) de que los físicos más brillantes del planeta han estado dando vueltas durante décadas, con solo un puñado de ideas, e incluso esos descubrimientos no parecen conducir a ningún lugar específico.

P á g i n a | 52

Complicaciones experimentales, ¿podemos comprobar la teoría de cuerdas? Incluso si se formula una versión precisa de la teoría de cuerdas (o teoría M), la pregunta pasa del ámbito teórico al experimental. En este momento, los niveles de energía que los científicos pueden alcanzar en los experimentos son demasiado pequeños para probar de manera realista la teoría de cuerdas, aunque algunos aspectos sí se podrían probar hoy mismo. La teoría avanza con las indicaciones de los experimentos, pero la última entrada de información que tuvo la teoría de cuerdas de los experimentos fue darse cuenta de que falló como una teoría que describe la dispersión de partículas dentro de los aceleradores de partículas. El ámbito que la teoría de cuerdas pretende explicar implica distancias tan pequeñas que es cuestionable si los científicos alguna vez lograrán una tecnología capaz de sondear a esa longitud, por lo que es posible que la teoría de cuerdas sea una teoría incomprobable en la naturaleza. Sin embargo, algunas versiones de la teoría de cuerdas hacen predicciones en rangos comprobables, y los teóricos de cuerdas esperan que estas versiones de la teoría de cuerdas puedan aplicarse a nuestro universo. Existen algunas formas de probar la teoría de cuerdas, aunque estas son solo especulativas porque en este momento la ciencia no tiene una teoría que haga predicciones únicas. Lo mejor que lo físicos pueden esperar son algunas pistas, como el descubrimiento de ciertos tipos de dimensiones adicionales, nuevas predicciones cosmológicas sobre la formación de nuestro universo o las partículas supersimétricas faltantes, que darían alguna indicación a la búsqueda teórica.

P á g i n a | 53

Capítulo 4

La teoría de cuerdas en contexto: comprensión del método científico En este capítulo Repaso de las teorías científicas más conocidas y amadas Dicen que se necesita una revolución científica Lo que los científicos han unido, que nadie lo separe Romper las mismas viejas reglas para mantener el orden

La teoría de cuerdas está a la vanguardia de la ciencia. Es una teoría matemática de la naturaleza que, en la actualidad, hace pocas predicciones que sean comprobables. Esto plantea la pregunta de qué se necesita para que una teoría sea científica. En este capítulo, se mira un poco más de cerca los métodos que los científicos usan para investigar la estructura de la naturaleza. Se explora cómo los científicos realizan ciencia y algunas de las formas en que se ve el trabajo que realizan. Por cierto, no se resuelven ninguno de estos grandes problemas filosóficos en este capítulo, pero el objetivo es dejar en claro que los científicos tienen puntos de vista diferentes sobre cómo se supone que funciona la naturaleza de la ciencia. Aunque se podrían escribir páginas y páginas sobre la evolución del pensamiento científico a lo largo de los siglos, se tocan estos temas con suficiente detalle para ayudar a comprender algunos de los argumentos a favor y en contra de la teoría de cuerdas.

Análisis de la práctica de la ciencia Antes de que se pueda averiguar si la teoría de cuerdas es científica, se debe preguntar «¿qué es la ciencia?»

P á g i n a | 54 La ciencia es la práctica metódica para intentar comprender y predecir las consecuencias de los fenómenos naturales. Esto se hace a través de dos medios distintos, pero con una estrecha relación que son la teoría y el experimento. No toda la ciencia es creada igual. Parte de la ciencia se realiza con diagramas y ecuaciones matemáticas; otra parte de la ciencia se realiza con costosos aparatos experimentales. Incluso otras formas de ciencia, aunque también son costosas, implican observar galaxias distantes en busca de pistas sobre el misterio del universo. La teoría de cuerdas ha pasado más de 30 años enfocándose en el lado teórico de la ecuación científica y, por desgracia, carece del lado experimental, como los críticos nunca dudan en señalar. De manera ideal, las teorías desarrolladas serían al final validadas por evidencia experimental (consulte las secciones posteriores «La necesidad de falsabilidad experimental» y «El fundamento de la teoría es la matemática» para obtener más información sobre la necesidad de la experimentación).

El mito del método científico En la escuela se enseñaba que la ciencia seguía reglas simples y claras llamadas método científico. Estas reglas son un modelo clásico de investigación científica que se basa en principios de reduccionismo y lógica inductiva. En otras palabras, se toman observaciones, se desglosan (la parte del reduccionismo) y se usan para crear leyes generalizadas (la parte de la lógica inductiva). La historia de la teoría de cuerdas por cierto no sigue este bonito modelo clásico. En la escuela, los pasos del método científico en realidad cambiaban un poco dependiendo del libro de texto que tenía en un determinado año, aunque en general tenían elementos en común. Con frecuencia, se definían como un conjunto de puntos: Observar un fenómeno: mirar la naturaleza Formular una hipótesis: hacer una pregunta (o proponer una respuesta) Probar la hipótesis: realizar un experimento

P á g i n a | 55 Analizar los datos: confirmar o rechazar la hipótesis

Bacon desglosa la naturaleza Las ideas del método científico a menudo se remontan al libro de 1620 de Sir Francis Bacon, Novum Organum. Propuso que el reduccionismo y el razonamiento inductivo podrían usarse para llegar a verdades fundamentales sobre las causas de los eventos naturales. En el modelo baconiano, el científico divide los fenómenos naturales en partes componentes que luego se comparan con otros componentes que se basan en temas comunes. Estas categorías reducidas se analizan luego al utilizar principios de razonamiento inductivo. El razonamiento inductivo es un sistema lógico de análisis en el que se comienza con afirmaciones verdaderas específicas y se trabaja para crear leyes generalizadas, que se aplicarían a todas las situaciones, al encontrar puntos en común entre las verdades observadas.

En cierto modo, este método científico es un mito. El autor de esta obra obtuvo una licenciatura en física, con honores, sin que una vez que le hicieran una pregunta sobre el método científico en los cursos de física. Aunque el tema sí apareció en un curso de Filosofía de la ciencia, al que puede agradecer gran parte de este capítulo. Resulta que no hay un método científico único que sigan todos los científicos. Los científicos no miran una lista y piensan, «bueno, he observado mi fenómeno por el día. Es hora de formular mi hipótesis». En cambio, la ciencia es una actividad dinámica que implica un análisis continuo y activo del mundo. Es una interacción entre el mundo que observamos y el mundo que conceptualizamos. La ciencia es una traducción entre observaciones, evidencia experimental, las hipótesis y los marcos teóricos que se construyen para explicar y ampliar esas observaciones.

P á g i n a | 56 Aun así, las ideas básicas del método científico tienden a mantenerse. No son reglas muy inflexibles, pero son principios rectores que se pueden combinar de diferentes maneras dependiendo de lo que se estudie.

La necesidad de la falsabilidad experimental Desde siempre, la idea ha sido que un experimento puede confirmar o refutar una teoría. Un resultado experimental arroja evidencia positiva si apoya la teoría, mientras que un resultado que contradice la hipótesis es evidencia negativa. En el siglo XX, surgió la idea de que la clave de una teoría, lo que la hace científica, es si de alguna manera se puede demostrar que es falsa. Este principio de falsabilidad puede ser controvertido cuando se aplica a la teoría de cuerdas, que en teoría explora niveles de energía que en la actualidad no se pueden explorar de manera directa de forma experimental (o quizás nunca se puedan). Algunos afirman que debido a que la teoría de cuerdas en la actualidad falla la prueba de falsabilidad, de alguna manera no es «ciencia real». El enfoque en esta falsabilidad se remonta al libro de 1934 del filósofo Karl Popper, The Logic of Scientific Discovery. El filósofo se opuso a los métodos reduccionistas e inductivos que Francis Bacon había popularizado tres siglos antes. En un momento que se caracterizó por el auge de la física moderna, parecía que las viejas reglas ya no aplicaban. Popper razonó que los principios de la física surgieron no solo al ver pequeños fragmentos de información, sino también al crear teorías que se probaron y en repetidas ocasiones no se demostraron falsas. La observación por sí sola no podría haber conducido a estas ideas, si nunca hubieran sido puestas en posiciones que demostraran ser falsas. En la forma más extrema, este énfasis en la falsabilidad establece que las teorías científicas no dicen nada definitivo sobre el mundo, sino que son solo las mejores conjeturas sobre el futuro basadas en experiencias anteriores. Por ejemplo, si se predice que el sol saldrá todas las mañanas, se puede probar mirando por la ventana cada mañana durante 50 días. Si el sol está allí todos los días, no se

P á g i n a | 57 demuestra que estará allí el día 51. Después de que se observe el día 51, se sabrá que la predicción funcionó otra vez, pero no se habrá probado nada sobre el día 52, el 53, y así de manera sucesiva.

No importa cuán buena sea una predicción científica, si se puede realizar una prueba que muestre que es falsa, se debe descartar la idea (o, al menos, modificar la teoría para explicar los nuevos datos). Esto llevó al biólogo Thomas Henry Huxley del siglo XIX a definir la gran tragedia de la ciencia como «el asesinato de una hipótesis hermosa por un hecho horrible». Para Popper, esto estaba lejos de ser trágico, sino que era el brillo de la ciencia. El componente definitorio de una teoría científica, lo que la separa de la mera especulación, es que hace una afirmación refutable. El alegato de Popper es a veces controvertido, en especial cuando lo utiliza un científico (o filósofo) para desacreditar a un campo de la ciencia. Muchos todavía creen que el reduccionismo y el razonamiento inductivo pueden, de hecho, conducir a la creación de marcos teóricos significativos que representen la realidad tal como es, incluso si no hay ninguna afirmación que se pueda negar. El fundador de la teoría de cuerdas Leonard Susskind da origen a esta discusión. Él no cree en la negación, sino en la confirmación. Se puede tener evidencia positiva directa de una teoría, en lugar de solo ver la falta de evidencia negativa en su contra. Este punto de vista surge de un debate en línea entre Susskind y el físico Lee Smolin (se puede

ver

el

debate

en

www.edge.org/3rd_culture/smolin_susskind04/smolin_susskind.html). En el debate, Susskind enumera varios ejemplos de teorías que se han denunciado como no negables, como el conductismo en psicología junto con los modelos de cuark y la teoría inflacionaria en física. Los ejemplos que proporciona son casos en los que los científicos creen que ciertos rasgos no podrían ser examinados y luego se desarrollaron métodos que les permitieron

P á g i n a | 58 probarlos. Hay una diferencia entre no poder negar una teoría en la práctica y no poder refutar el principio en sí. Puede parecer que este debate sobre la confirmación y la falsabilidad sea académico. Hay probabilidad de que esto sea cierto, pero algunos físicos ven la teoría de cuerdas como una batalla sobre el significado mismo de la física. Muchos críticos de la teoría de cuerdas creen que es en esencia indescifrable, mientras que los teóricos de cuerdas creen que se encontrará un mecanismo para probar (y refutar) la predicción de la teoría de cuerdas.

La base de la teoría es la matemática En física, se construyen modelos matemáticos complejos que representan las leyes físicas subyacentes que sigue la naturaleza. Estos modelos matemáticos son las teorías reales de la física que los físicos pueden relacionar con eventos relevantes en el mundo real a través de experimentos y otros medios. La ciencia requiere tanto el experimento como la teoría para construir explicaciones de lo que sucede en el mundo. Si se parafrasea a Einstein, la ciencia sin teoría es poco convincente, mientras que la ciencia sin experimento es ciega.

Si la física se basa en la observación experimental, entonces la física teórica es el modelo que explica cómo encajan esas observaciones. Los conocimientos de la teoría tienen que ir más allá de los detalles de observaciones específicas y conectarlos de nuevas maneras. De manera ideal, estas conexiones conducen a otras predicciones que son comprobables mediante experimentos. La teoría de cuerdas aún no ha dado este salto significativo de la teoría al experimento.

Una gran parte del trabajo en física teórica es desarrollar modelos matemáticos, que con frecuencia incluyen simplificaciones, que no siempre son realistas, pero que pueden ser usados para predecir los resultados de futuros experimentos. Cuando los

P á g i n a | 59 físicos «observan» una partícula, en realidad miran datos que contienen un conjunto de números que han interpretado que tienen ciertas características. Cuando miran al cielo, reciben lecturas de energía que se ajustan a ciertos parámetros y explicaciones. Para un físico, estos no son «solo» números; son pistas para entender el universo. La física de alta energía (que incluye la teoría de cuerdas y otras físicas) tiene una interacción intensa entre ideas teóricas y observaciones experimentales. Los trabajos de investigación en esta área se dividen en una de estas cuatro categorías: Experimentar Enrejado (simulaciones por computadora) Fenomenología Teoría La fenomenología es el estudio de fenómenos (nadie dijo que los físicos fueran creativos cuando se trata de nombrar convenciones) y la relación dentro del marco de una teoría existente. En otras palabras, los científicos se centran en tomar la teoría existente y aplicarla a los hechos existentes o construir modelos que describan hechos anticipados que pronto puedan ser descubiertos. Luego hacen predicciones sobre qué observaciones experimentales se deberían obtener. Por supuesto que la fenomenología tiene mucho más que ofrecer, pero esto es lo básico que se necesita saber para comprender la relación con la teoría de cuerdas. Es una disciplina intrigante y que, en los últimos años, ha comenzado a enfocarse en la supersimetría y la teoría de cuerdas. Cuando se analiza cómo probar la teoría de cuerdas es en gran parte el trabajo de los fenomenólogos lo que les dice a los científicos lo que están buscando. Aunque la investigación científica se puede llevar a cabo con estos diferentes métodos, existe una superposición. Los fenomenólogos pueden trabajar en una teoría pura y, por supuesto, también pueden preparar una simulación por computadora. Además, de alguna manera, una simulación por computadora puede verse como un proceso que es tanto experimental como teórico. Pero lo que todos estos enfoques tienen en común es que los resultados científicos se expresan en el lenguaje de la ciencia, la matemática.

P á g i n a | 60

La regla de la simplicidad En ciencia, un objetivo es proponer la menor cantidad de «entidades» o reglas necesarias para explicar cómo funciona algo. En muchos casos, la historia de la ciencia se ve como una progresión de la simplificación de la compleja gama de leyes naturales en cada vez menos leyes fundamentales.

La navaja de afeitar de Occam es un principio desarrollado en el siglo XIV por el fraile franciscano y lógico William de Occam. Su ley de parsimonia se traduce (del latín) como «las entidades no deben multiplicarse más allá de la necesidad» (en otras palabras, manténgalo simple). Albert Einstein declaró una regla similar como «Hacer todo lo más simple posible, pero no más simple». Aunque no es una ley científica en sí, la navaja de afeitar de Occam tiende a guiar cómo los científicos formulan sus teorías. De alguna manera, la teoría de cuerdas parece violar la navaja de Occam. Por ejemplo, para que la teoría de cuerdas funcione, requiere la adición de muchos componentes extraños que los científicos aún no han observado. Sin embargo, si estos componentes son necesarios en realidad, entonces la teoría de cuerdas está de acuerdo con la navaja de afeitar de Occam.

El papel de la objetividad en la ciencia Algunas personas creen que la ciencia es objetiva en esencia. Y, por supuesto, la ciencia es objetiva en el sentido de que cualquiera puede aplicar los principios de la ciencia de la misma manera y obtener los mismos resultados. Pero la idea de que los científicos son en esencia objetivos es un pensamiento agradable, pero es tan cierto como la noción de objetividad pura en el periodismo. El debate sobre la teoría de cuerdas demuestra que la discusión no siempre es tan objetiva. En esencia, el debate es sobre diferentes opiniones sobre cómo ver la ciencia. En verdad, los científicos toman decisiones que son subjetivas, como qué preguntas seguir. Por ejemplo, cuando el fundador de la teoría de cuerdas Leonard Susskind se

P á g i n a | 61 reunió con el ganador del Premio Nobel Murray Gell-Mann, este último se rió de la idea misma de cuerdas vibratorias. Dos años después, Gell-Mann quería saber más al respecto. En otras palabras, los físicos son personas. Han aprendido una disciplina difícil, pero esto no los hace infalibles o inmunes al orgullo, la pasión o cualquier otra debilidad humana. La motivación para sus decisiones puede ser financiera, estética, personal o cualquier otra índole que influya en las decisiones humanas. El grado en que un científico se basa en la teoría versus el experimento para guiar sus actividades es otra opción subjetiva. Einstein, por ejemplo, habló de las formas en que solo los «inventos libres de la mente» (principios físicos puros, concebidos en la mente y ayudados por la aplicación precisa de las matemáticas) podrían usarse para percibir las verdades más profundas de la naturaleza en formas que el experimento puro nunca podría. Por supuesto, si los experimentos nunca confirmaron sus «inventos libres», es poco probable que alguien más lo citara un siglo después.

Comprender cómo se ve el cambio científico Los debates sobre la teoría de cuerdas representan diferencias fundamentales en cómo ver la ciencia. Como se señala en la primera parte de este capítulo, muchas personas han propuesto ideas sobre cuáles deberían ser los objetivos de la ciencia. Pero a lo largo de los años, la ciencia cambia a medida que se introducen nuevas ideas, y es en tratar de comprender la naturaleza de estos cambios donde el significado de la ciencia se cuestiona en realidad. Los métodos en los que los científicos adaptan viejas ideas y adoptan nuevas también se pueden ver de diferentes maneras, y la teoría de cuerdas trata sobre eso.

Lo viejo vuelve a ser nuevo: la ciencia como revolución La interacción entre el experimento y la teoría nunca es tan obvia como en esos ámbitos donde no pueden coincidir. En ese punto, a menos que el experimento contenga un defecto, los científicos no tienen más remedio que adaptar la teoría existente para que se

P á g i n a | 62 ajuste a la nueva evidencia. La vieja teoría debe transformarse en una nueva teoría. El filósofo de la ciencia Thomas Kuhn habló de transformaciones como las revoluciones científicas. En el modelo de Kuhn (con el que no todos los científicos están de acuerdo), la ciencia progresa hasta que acumula una serie de problemas experimentales que hacen que los científicos redefinan las teorías bajo las cuales opera la ciencia. Estas teorías generales son paradigmas científicos, y la transición de un paradigma a uno nuevo es un período de agitación en la ciencia. Desde este punto de vista, la teoría de cuerdas sería un nuevo paradigma científico, y los físicos estarían en medio de la revolución científica donde esta teoría predomina. Un paradigma científico, según lo propuesto por Kuhn en su Estructura de las revoluciones científicas de 1962, es un período de negocios como de costumbre para la ciencia. Una teoría explica cómo funciona la naturaleza, y los científicos trabajan dentro de este marco. Kuhn considera que el método científico baconiano, definido como actividades regulares de resolución de acertijos, tiene lugar dentro de un paradigma científico existente. El científico logra hechos y usa las reglas del paradigma científico para explicarlos. El problema es que siempre parece haber un puñado de hechos que el paradigma científico no puede explicar. Algunos datos no parecen encajar. Durante los períodos de la ciencia normal, los científicos hacen todo lo posible para explicar estos datos, para incorporarlos al marco existente, pero no se preocupan demasiado por estas anomalías ocasionales. Eso está bien cuando solo hay unos pocos inconvenientes, pero cuando se acumulan demasiados, puede plantear serios problemas para la teoría prevaleciente. A medida que estas anormalidades comienzan a acumularse, la actividad de la ciencia normal se interrumpe y al final llega al punto en que tiene lugar una revolución científica completa. En una revolución científica, el paradigma científico actual se

P á g i n a | 63 reemplaza por uno nuevo que ofrece un modelo conceptual diferente de cómo funciona la naturaleza. En algún momento, los científicos ya no pueden seguir con las mismas actividades como siempre, y se ven obligados a buscar nuevas formas de interpretar los datos. Al principio, los científicos intentan hacerlo con mínimas modificaciones a la teoría existente, pueden agregar una excepción aquí o un caso especial allí, pero si hay demasiadas anomalías, y si estas soluciones improvisadas no resuelven todos los problemas, los científicos se ven obligados a construir un nuevo marco teórico.

En otras palabras, se ven obligados no solo a modificar la teoría, sino a construir un paradigma nuevo por completo. No se trata solo de que algunos detalles fácticos estaban equivocados, sino que sus suposiciones más básicas lo estaban. En un período de revolución científica, los científicos comienzan a cuestionar todo lo que creían saber sobre la naturaleza.

Combinación de fuerzas: la ciencia como unificación La ciencia puede verse como una serie progresiva de unificaciones entre ideas que, en un momento, fueron vistas como separadas y distintas. Por ejemplo, la bioquímica surgió aplicando el estudio de la química a los sistemas en biología. Junto con la zoología, esto genera la genética y el neodarwinismo, la teoría moderna de la evolución por selección natural, la piedra angular de la biología. De esta manera, sabemos que todos los sistemas biológicos son en esencia sistemas químicos. Y todos los sistemas químicos, a su vez, provienen de la combinación de diferentes átomos para formar moléculas que al final siguen las diversas leyes definidas en el modelo estándar de física de partículas. La física, porque estudia los aspectos más fundamentales de la naturaleza, es la ciencia que más se interesa en estos principios de unificación. La teoría de cuerdas, si tiene éxito, podría unificar todas las fuerzas físicas fundamentales del universo en una sola ecuación.

P á g i n a | 64 Galileo y Newton unificaron los cielos y la Tierra en su trabajo en astronomía, cuando definieron el movimiento de los cuerpos celestes y establecieron con firmeza que la Tierra seguía con exactitud las mismas reglas que todos los demás cuerpos en nuestro sistema solar. Michael Faraday y James Clerk Maxwell unificaron los conceptos de electricidad y magnetismo en un solo concepto regido por leyes uniformes, el electromagnetismo (si desea obtener más información sobre la gravedad o el electromagnetismo, se sentirá atraído por el capítulo 5). Albert Einstein, con la ayuda de su antiguo maestro Hermann Minkowski, unificó las nociones de espacio y tiempo como dimensiones del espacio tiempo, a través de su teoría de la relatividad especial. En el mismo año, como parte de la misma teoría, también unificó los conceptos de masa y energía. Años más tarde, en su teoría general de la relatividad, unificó la fuerza gravitacional y la relatividad especial en una sola teoría. Para la física cuántica es central la noción de que las partículas y las ondas no son los fenómenos separados que parecen ser. En cambio, las partículas y las ondas pueden verse como el mismo fenómeno unificado, visto de manera diferente en diferentes circunstancias. La unificación continuó en el modelo estándar de física de partículas, cuando el electromagnetismo al final se unificó con las fuerzas nucleares fuertes y débiles en un solo marco.

Este proceso de unificación ha sido asombroso y exitoso porque casi todo en la naturaleza se remonta al modelo estándar, excepto la gravedad. La teoría de cuerdas, si tiene éxito, será la teoría de la unificación definitiva, la que al final armonice la gravedad con las otras fuerzas.

¿Qué pasa cuando se rompe? La ciencia como simetría Existe una simetría cuando se puede tomar algo, transformarlo de alguna manera, y nada parece cambiar sobre la situación. El principio de simetría es crucial para el

P á g i n a | 65 estudio de la física y tiene implicaciones especiales para la teoría de cuerdas en particular. Cuando una transformación al sistema provoca un cambio en la situación, los científicos dicen que representa una simetría rota. Esto es obvio en geometría. Tome un círculo y dibuje una línea por el centro, como en la figura 4-1. Ahora imagine doblar el círculo alrededor de esa línea. La imagen resultante es idéntica a la imagen original cuando se dobla alrededor de la línea. Esto es simetría lineal o de reflexión. Si girara la figura 180 grados, terminaría con la misma imagen otra vez. Esta es la simetría rotacional. El trapecio, por otro lado, tiene asimetría (o carece de simetría) porque ninguna rotación o reflexión de la forma producirá la forma original. La forma más fundamental de simetría en física es la idea de simetría traslacional, que es donde se toma un objeto y se mueve de un lugar en el espacio a otro. Si me muevo de un lugar a otro, las leyes de la física deberían ser las mismas en ambos lugares. Este principio es cómo los científicos usan las leyes descubiertas en la Tierra para estudiar el universo distante.

Sin embargo, en física, la simetría significa mucho más que solo tomar un objeto y voltearlo, girarlo o deslizarlo por el espacio. Los estudios más detallados de la energía en el universo indican que, sin importar en qué dirección se mire, el espacio es, en esencia, igual en todas las direcciones. El universo en sí parece haber sido simétrico desde el principio.

P á g i n a | 66

Las leyes de la física no cambian con el tiempo (al menos según la mayoría de los físicos y no en escalas cortas de tiempo, como la vida humana o la edad completa de los Estados Unidos de América). Si se realiza un experimento hoy y se realiza el mismo experimento mañana, se obtendrá el mismo resultado. Las leyes de la física poseen una simetría básica con respecto al tiempo. Cambiar el tiempo de algo no cambia el comportamiento del sistema. Estas y otras simetrías se consideran fundamentales para el estudio de la ciencia, y de hecho, muchos físicos han declarado que la simetría es el concepto más importante que la física debe comprender. La verdad es que, si bien los físicos a menudo hablan de la elegancia de la simetría en el universo, el teórico de cuerdas Leonard Susskind tiene razón cuando señala que las cosas se ponen interesantes cuando se rompe la simetría. De hecho, mientras el autor se preparaba para este libro, el Premio Nobel de Física 2008 fue otorgado a tres físicos, Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa, por su trabajo en simetría rota realizado hace décadas. Sin una simetría rota, todo sería uniforme, en todas partes. El hecho mismo de que tengamos una química que nos permita existir es una prueba de que algunos aspectos de la simetría no se mantienen en el universo. Muchos físicos teóricos creen que existe una simetría entre las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte), una simetría que se rompió temprano en la formación del universo y causa las diferencias que vemos hoy. La teoría de cuerdas es el medio principal (si no el único) para comprender esa simetría rota, si es que existe (o existió). Esta simetría rota puede estar vinculada, de manera muy estrecha, con la supersimetría, que es necesaria para que la teoría de cuerdas sea viable. La supersimetría se ha investigado en muchas áreas de la física teórica, a pesar de que no hay evidencia

P á g i n a | 67 experimental directa de ello, porque garantiza que la teoría incluya muchas propiedades deseables. La supersimetría y la unificación de fuerzas están en el corazón de la historia de la teoría de cuerdas. A medida que lea más sobre la teoría de cuerdas, depende de usted determinar si la falta de evidencia experimental la condena desde el principio.

P á g i n a | 68

Capítulo 5

Lo que se debe saber sobre la física clásica En este capítulo La materia y la energía, cada una afecta a la otra La transferencia de energía a través de ondas y vibraciones Los cuatro avances revolucionarios de Newton La electricidad y el magnetismo son lo mismo

No importa cuán complejos se vuelvan los conceptos de física moderna, tienen sus raíces en conceptos clásicos básicos. Para comprender las revoluciones que conducen a la teoría de cuerdas, primero se debe comprender estos conceptos básicos. Entonces se podrá comprender cómo la teoría de cuerdas los recupera y generaliza. En este capítulo, se presentan algunos conceptos de física con los que se debe estar familiarizado para comprender la teoría de cuerdas. Primero, se analizan tres conceptos fundamentales en física: la materia, la energía y cómo interactúan. A continuación, se explican las ondas y las vibraciones, que son cruciales para comprender el comportamiento de la teoría de cuerdas. La gravedad también es clave, por lo que los descubrimientos más importantes de Sir Isaac Newton se presentan a continuación. Al final, se da una breve descripción de la radiación electromagnética, un aspecto importante de la física que conduce directo al descubrimiento de la relatividad y la física cuántica, ¡las dos teorías que juntas dan origen a la moderna teoría de cuerdas!

P á g i n a | 69

Esa pequeña cosa llamada física La física es el estudio de la materia y sus interacciones. La física trata de comprender el comportamiento de los sistemas físicos a partir de las leyes más fundamentales que podemos lograr. La teoría de cuerdas podría proporcionar la ley más fundamental y explicar todo el universo en una sola ecuación matemática y teoría física. Otro principio clave de la física es la idea de que muchas de las leyes que funcionan en una ubicación también funcionan en otra ubicación, un principio conocido como simetría (esto se cubre con más detalle, más adelante en esta sección y también en el capítulo 4). Esta conexión de la física en diferentes ubicaciones es solo un tipo de simetría, la que permite que los conceptos de física se relacionen entre sí. La ciencia ha progresado al tomar diversos conceptos y unificarlos en leyes físicas coherentes. Esta es una definición muy amplia, pero la física es la ciencia más amplia. Debido a que todo lo que se ve, se oye, se huele, se toca, se prueba o interactúa de alguna manera está hecho de materia que actúa de acuerdo con algún tipo de regla, eso significa que la física es en esencia el estudio de todo lo que sucede. En cierto modo, la química y todas las demás ciencias son aproximaciones de las leyes fundamentales de la física.

Incluso si se encontrara la teoría de cuerdas (o alguna otra teoría del todo), todavía habría necesidad de otras ciencias. Tratar de analizar cada sistema físico desde la teoría de cuerdas sería tan absurdo como tratar de estudiar el clima analizando cada átomo en la atmósfera.

No es materia de risa. De lo que todos estamos hechos Una de las características de la materia (las «cosas» de las que todo está hecho) es que requiere fuerza para hacer algo (hay algunas excepciones, pero, por regla general, una fuerza es cualquier influencia que produce un cambio o impide un cambio, en una variable física). La masa es la propiedad que permite que la materia resista un cambio en el movimiento (en otras palabras, la capacidad de resistirse a la fuerza). Otro rasgo

P á g i n a | 70 clave de la materia es que se conserva, lo que significa que no se puede crear ni destruir, sino que solo puede cambiar de forma (la relatividad de Einstein demostró que esto no era del todo cierto). Sin la materia, el universo sería un lugar bastante aburrido. La materia está alrededor de todo. El libro que está leyendo, mientras se recuesta en su silla cargada de materia, está hecho de materia. Usted mismo está hecho de materia. Pero, ¿qué es con exactitud esto que se llama materia? Los primeros filósofos y científicos intentan comprender la materia El interrogante del significado de la materia se remonta al menos a los filósofos griegos y chinos, que se preguntaban qué hacía que una cosa fuera diferente de otra. Los pensadores griegos y chinos notaron tendencias similares, y cada uno ideó un sistema para clasificar la materia en cinco elementos fundamentales basados en estos rasgos comunes. En la antigua China, los cinco elementos eran metal, madera, agua, fuego y tierra. La religión y la filosofía orientales utilizaron estos elementos y las diferentes formas en que interactúan para explicar no solo el mundo natural sino también el ámbito moral. Entre los filósofos griegos, Aristóteles es el más popular por haber presentado su versión de los cinco elementos: fuego, tierra, aire, agua y éter. Suponían que el éter era una sustancia espiritual sobrenatural que llenaba el universo. En esta visión de la materia, el ámbito fuera de la Tierra estaba compuesto de este éter y no sufría cambios en la forma en que lo hace nuestro mundo. En la Tierra, los objetos materiales se veían como combinaciones de estos elementos básicos. Por ejemplo, el lodo era una combinación de agua y tierra. Una nube era una combinación de aire y agua. La lava era una combinación de tierra y fuego. En el siglo XVII, la comprensión de los científicos sobre la materia comenzó a cambiar a medida que los astrónomos y los físicos comenzaron a darse cuenta de que las mismas leyes rigen la materia tanto en la Tierra como en el espacio. El universo no estaba

P á g i n a | 71 compuesto de éter eterno, inmutable, sobrenatural, sino de bolas duras de materia ordinaria. La idea principal de Newton sobre el estudio de la materia era que esta se resistía al cambio de movimiento (se explica con más detalle en la sección «Fuerza, masa y aceleración: poner los objetos en movimiento»). El grado en que un objeto resiste este cambio en movimiento depende de su masa. Los científicos descubren que la masa no puede destruirse El trabajo de Antoine-Laurent Lavoisier en el siglo XVIII proporcionó a la física otra gran visión de la materia. Lavoisier y su esposa, Marie Anne, realizaron exhaustivos experimentos que indicaron que la materia no puede ser destruida; solo cambia de una forma a otra. Este principio se llama conservación de la masa. Esta no es una propiedad obvia. Si quemas un tronco, cuando se mira el montículo de cenizas, parece que hay mucha menos materia de la que comenzó. Pero, de hecho, Lavoisier descubrió que si se tiene mucho cuidado de no perder ninguna de las partes, incluyendo los pequeños pedazos que siempre flotan durante el acto de la incineración, se terminará con tanta masa al final de la quema como se comenzó. Una y otra vez, Lavoisier demostró que este rasgo inesperado de la materia era el punto a tener en cuenta, tanto que ahora lo damos por sentado como una parte familiar de nuestro universo. El agua puede hervir de líquido a gas, pero las partículas de agua continúan existiendo y, si se tiene cuidado, pueden transformarse en líquido otra vez. La materia puede cambiar de forma, pero no se puede destruir (al menos no hasta las reacciones nucleares, que no se descubrieron hasta mucho después de Lavoisier). A medida que el estudio de la materia progresa a través del tiempo, las cosas se vuelven más extrañas en lugar de más familiares. De hecho, como sugiere la teoría de cuerdas, es posible que incluso esas pequeñas partículas no estén allí en realidad, al menos no en la forma en que solemos imaginarlas.

P á g i n a | 72

Agregue un poco de energía. La razón de por qué suceden las cosas La materia en nuestro universo nunca haría nada interesante si no fuera por la adición de energía. No habría cambio de caliente a frío o de rápido a lento. La energía también se conserva, tal como se descubrió durante el siglo XIX a medida que se exploraron las leyes de la termodinámica, pero la historia de la conservación de la energía es más difícil de entender que la de la materia. La materia se puede ver, pero el seguimiento de la energía resulta ser más complicado. La energía cinética es la energía involucrada cuando un objeto está en movimiento. La energía potencial es la energía contenida dentro de un objeto, que espera convertirse en energía cinética. Resulta que la energía total (energía cinética más energía potencial) se conserva cada vez que un sistema físico sufre un cambio. La teoría de cuerdas realiza predicciones sobre sistemas físicos que contienen una gran cantidad de energía, empaquetados en un espacio muy pequeño. Las energías necesarias para las predicciones de la teoría de cuerdas son tan grandes que tal vez nunca sea posible construir un dispositivo capaz de generar tanta energía y probar las predicciones. La energía del movimiento: energía cinética La energía cinética es más obvia en el caso de objetos grandes, pero es cierto en todos los niveles de tamaño (esta referencia es a objetos grandes en comparación con partículas, por lo que un grano de arena y el planeta se considerarían grandes en este caso). El calor (o energía térmica) es en realidad un montón de átomos que se mueven de manera veloz, lo que representa una forma de energía cinética. Cuando se calienta el agua, las partículas se aceleran hasta que se liberan de los enlaces con otras moléculas de agua y se convierten en un gas. El movimiento de las partículas puede hacer que la energía se emita en diferentes formas, como cuando una pieza de carbón encendida brilla al rojo vivo.

P á g i n a | 73 El sonido es otra forma de energía cinética. Si dos bolas de billar chocan, las partículas en el aire se verán obligadas a moverse, lo que provocará un ruido. A nuestro alrededor, las partículas en movimiento son responsables de lo que ocurre en nuestro universo. Energía almacenada: energía potencial La energía potencial, por otro lado, es energía almacenada. La energía potencial toma muchas más formas que la energía cinética y puede ser un poco más difícil de entender. Un resorte, por ejemplo, tiene energía potencial cuando se estira o se comprime. Cuando se libera el resorte, la energía potencial se transforma en energía cinética a medida que el resorte se mueve a su menor longitud energética. Mover un objeto en un campo gravitacional cambia la cantidad de energía potencial que almacena. Si se sostiene una moneda, desde la parte superior del edificio Empire State, esta tendrá una gran cantidad de energía potencial debido a la gravedad, que se convierte en una gran cantidad de energía cinética cuando se deja caer (como se evidencia en un episodio de Los cazadores de mitos, no lo suficiente como para matar a un peatón desprevenido en el impacto). Esto puede sonar un poco extraño, hablar de algo que tiene más o menos energía dependiendo solo de donde se encuentra, pero el entorno es parte del sistema físico descrito por las ecuaciones físicas. Estas ecuaciones indican, de manera exacta, cuánta energía potencial se almacena en diferentes sistemas físicos, y se pueden usar para determinar los resultados cuando se libera la energía potencial.

Simetría: ¿Por qué algunas leyes fueron hechas para ser quebrantadas? Un cambio en la ubicación o posición que mantiene las propiedades del sistema se llama simetría geométrica (o, a veces, simetría traslacional). Otra forma de simetría es una simetría interna, que es cuando algo dentro del sistema se puede cambiar por otra cosa y el sistema (como un todo) no cambia. Cuando una situación simétrica a alta energía colapsa en un estado fundamental de energía más baja, que es asimétrico, se llama

P á g i n a | 74 ruptura espontánea de la simetría. Un ejemplo sería cuando la rueda de una ruleta gira y disminuye la velocidad a un «estado fundamental». La bolilla al final se instala en una ranura de la rueda, y el jugador gana o pierde. La teoría de cuerdas va más allá de las simetrías que observamos para predecir aún más simetrías que no se observan en la naturaleza. Predice una simetría necesaria que no se observa en la naturaleza, llamada supersimetría. En las energías que observamos, la supersimetría es un ejemplo de simetría dividida, aunque los físicos creen que en situaciones de alta energía, la supersimetría ya no se rompería (que es lo que la hace tan interesante de estudiar). Se cubre la supersimetría en el capítulo 2. Simetría traslacional: mismo sistema, diferente punto Si un objeto tiene simetría traslacional, se puede mover y continúa luciendo igual (para una explicación detallada, vaya al capítulo 4). Mover objetos en el espacio no cambia las propiedades físicas del sistema. Ahora, ¿no se acaba de decir en la última sección que la energía potencial debido a la gravedad cambia dependiendo de dónde esté un objeto? Sí. Mover la ubicación de un objeto en el espacio puede tener un impacto en el sistema físico, pero las leyes de la física en sí no cambian (hasta donde sabemos). Si el edificio Empire State, la Tierra y la moneda sostenida por el borde (todo el sistema en este ejemplo) se desplazaran en la misma velocidad en la misma dirección, no habría un cambio notable en el sistema. Simetría interna: el sistema cambia, pero el resultado es el mismo En una simetría interna, algunas propiedades del sistema pueden sufrir cambios sin que cambie el resultado. Por ejemplo, cambiar cada partícula con su antipartícula (cambiar cargas positivas a negativas y negativas a positivas) deja las fuerzas electromagnéticas involucradas idénticas por completo. Esta es una forma de simetría interna, llamada simetría de conjugación de carga. La mayoría de las simetrías internas no son simetrías perfectas, lo que significa que se comportan de manera algo diferente en algunas situaciones.

P á g i n a | 75 Ruptura espontánea de la simetría: un colapso gradual Los físicos creen que las leyes del universo solían ser aún más simétricas, pero han pasado por un proceso llamado ruptura espontánea de la simetría, donde la simetría se desmorona en el universo que observamos. Si todo tuviera una simetría perfecta, el universo sería un lugar muy aburrido. Las pequeñas diferencias en el universo, las simetrías rotas, son lo que hace que el mundo natural sea tan interesante, pero cuando los físicos observan las leyes físicas, tienden a descubrir que las diferencias son bastante pequeñas en comparación con las similitudes.

Para comprender la ruptura espontánea de la simetría, considere un lápiz, parado en su punta, equilibrado de manera perfecta. El lápiz está en un estado de equilibrio perfecto, pero inestable. Cualquier pequeña perturbación hará que se caiga. Sin embargo, ninguna ley de la física dice de qué manera caerá el lápiz. La situación tiene una simetría perfecta porque todas las direcciones son iguales. Sin embargo, tan pronto como el lápiz comienza a caer, las leyes definidas de la física dictan la dirección en la que seguirá cayendo. La situación simétrica (y, para todos los propósitos, el azar) de manera espontánea comienza a colapsar en una forma definida y asimétrica. A medida que el sistema colapsa, las otras opciones ya no están disponibles. El modelo estándar de la física de partículas, así como la teoría de cuerdas (que incluye el modelo estándar como una aproximación de baja energía), predice que algunas propiedades del universo alguna vez tuvieron una simetría muy alta, pero han sufrido una ruptura espontánea de la simetría en el universo que observamos ahora.

Todo agitado: ondas y vibraciones En la teoría de cuerdas, los objetos más fundamentales son pequeñas cuerdas de energía que vibran u oscilan en patrones regulares. En física, estos sistemas se denominan osciladores armónicos, y se ha trabajado mucho para estudiarlos.

P á g i n a | 76

Aunque las cuerdas de la teoría de cuerdas son diferentes, comprender la vibración de los objetos clásicos, como el aire, el agua, las cuerdas para saltar y los resortes puede ayudar a comprender el comportamiento de estas pequeñas criaturas exóticas. Estos objetos clásicos pueden transportar lo que se llaman ondas mecánicas.

Atrapar la ola Las ondas (como solemos pensar en ellas) se mueven a través de algún tipo de medio. Si se mueve el extremo de una soga para saltar, una onda se mueve a lo largo de la soga. Las olas se mueven a través del agua o las ondas sonoras a través del aire, con esos materiales actuando como el medio para el movimiento de las mismas. En física clásica, las ondas transportan energía, pero no materia, de una región a otra. Un conjunto de moléculas de agua transfiere su energía a las moléculas de agua cercanas, lo que significa que la ola3 se mueve a través del agua, a pesar de que las moléculas de agua en realidad no viajan desde el inicio hasta el final de la ola. Esto es aún más obvio si se tomara el extremo de una cuerda para saltar y se sacudiera, haciendo que una onda viaje a lo largo de la longitud de la soga. Es claro que las moléculas en un extremo de la soga no viajan a lo largo de ella. Cada grupo de moléculas de la soga empuja al siguiente grupo de moléculas de la cuerda, y el resultado final es el movimiento de la onda a lo largo de la misma. Hay dos tipos de ondas mecánicas, como se muestra en la figura 5-1: Onda transversal: una onda en la cual el desplazamiento del medio es perpendicular a la dirección de desplazamiento de la onda a lo largo del medio, como el movimiento de una cuerda de saltar. Onda longitudinal: una onda que se mueve en la misma dirección en la que viaja la onda, como un pistón que empuja un cilindro de agua.

3

En inglés tanto la palabra onda como ola corresponden al término wave (N. del T.)

P á g i n a | 77

El punto más alto en una onda transversal (o el punto más denso en una onda longitudinal) se llama cresta. El punto más bajo en una onda transversal (o el punto menos denso en una onda longitudinal) se llama valle. El desplazamiento desde el punto de reposo hasta la cresta, en otras palabras, qué tan alto se eleva la onda, se llama amplitud. La distancia de una cresta a otra (o un canal a otro) se llama longitud de onda. Estos valores se muestran en la onda transversal en la figura 5-1. La longitud de onda también se muestra en la onda longitudinal, aunque la amplitud es difícil de mostrar en ese tipo de onda, por lo que no está incluida. Otro punto útil a considerar es la velocidad (valor y dirección) de la onda. Esto se puede determinar por su longitud de onda y frecuencia, que es una medida de cuántas veces la onda pasa un punto determinado por segundo. Si se conoce la frecuencia y la longitud de onda, se puede calcular la velocidad. Esto, a su vez, le permite calcular la energía contenida dentro de la onda. Otro rasgo de las ondas es el principio de superposición, que establece que cuando se superponen dos ondas, el desplazamiento total es la suma de los desplazamientos individuales, como se muestra en la figura 5-2. Esta propiedad también se conoce como interferencia de onda.

P á g i n a | 78

Considere las olas cuando dos barcos se cruzan. Las olas producidas por los barcos hacen que el agua se vuelva más turbulenta y, a medida que las olas se suman entre sí, causan olas más grandes.

Del mismo modo, a veces las olas pueden cancelarse entre sí. Si la cresta de la onda 1 se superpone con el valle de la onda 2, se cancelan entre sí en ese punto. Este tipo de interferencia juega un papel clave en uno de los problemas de física cuántica.

Conseguir buenas vibraciones La teoría de cuerdas representa cuerdas de energía que vibran, pero son tan pequeñas que nunca se perciben las vibraciones de manera directa, solo sus consecuencias. Para comprender estas vibraciones, se debe entender un tipo clásico de onda que se denomina onda estacionaria, una onda que no parece estar en movimiento. En una onda estacionaria, ciertos puntos, llamados nodos, no parecen moverse en absoluto. Otros puntos, llamados antinodos, tienen el desplazamiento máximo. La disposición de los nodos y antinodos determina las propiedades de varios tipos de ondas estacionarias.

P á g i n a | 79 El ejemplo más simple de una onda estacionaria es uno con un nodo en cada extremo, como una soga que se fija en los extremos y se comienza a mover. Como hay un nodo en cada extremo y solo un antinodo entre ellos, se dice que la onda vibra a la frecuencia fundamental. Considere una soga de saltar que un niño sostiene en cada extremo. Los extremos de la cuerda representan los nodos porque tienen poco movimiento. El centro de la cuerda es el antinodo, donde el desplazamiento es mayor y donde otro niño intentará saltar. Esta es la vibración a la frecuencia fundamental, como se muestra en la figura 5-3a.

Sin embargo, si los niños se vuelven más activos y comienzan a poner más energía en el movimiento ondulatorio de la cuerda de saltar, sucede algo curioso. Al final, los niños aplicarán suficiente energía a la cuerda para que, en lugar de un antinodo grande, se creen dos antinodos más pequeños y el centro de la cuerda parezca estar en reposo, como se muestra en la figura 5-3b. Es casi como si alguien tomara el centro de la cuerda y con cautela, pero con firmeza, lo mantuviera en su lugar.

P á g i n a | 80 Se puede considerar un segundo tipo de onda estacionaria si, en lugar de que un niño sostenga cada extremo de la cuerda, un extremo se monte en un anillo alrededor de un poste. El niño que sostiene un extremo comienza el movimiento ondulatorio, pero el extremo del poste ahora no tiene restricciones y se mueve hacia arriba y hacia abajo. En lugar de tener un nodo en cada extremo, un extremo es un nodo (sostenido por el niño) y el otro es un antinodo (que se mueve hacia arriba y hacia abajo en el poste). Una situación similar sucede en la música cuando se usa un tubo que está cerrado en un extremo y abierto en el otro, como en un órgano. Se forma un nodo en el extremo cerrado del tubo, pero el extremo abierto siempre es un antinodo. Un tercer tipo de onda estacionaria tiene un antinodo en cada extremo. Esto representaría un tubo abierto en ambos extremos o una soga que se puede mover con libertad en ambos extremos. Cuanta más energía se aplica a la onda estacionaria, se forman más nodos (ver figura 53c). La serie de frecuencias que hacen que se formen nuevos nodos se llaman armónicos. En música, los armónicos se reflejan con claridad. Las ondas que corresponden a los armónicos se denominan modos normales o modos vibratorios. La música funciona debido a la manipulación y superposición de armónicos que crean estos modos normales de vibración. Los primeros tres modos normales se muestran en la figura 5-3, donde se fija una cuerda en ambos extremos.

En la teoría de cuerdas, los modos vibratorios de las cuerdas (y otros objetos) son similares a los que se hablan en este capítulo. De hecho, la materia misma es vista como la manifestación de ondas estacionarias en las cuerdas. ¡Diferentes modos de vibración dan lugar a diferentes partículas! Percibimos las partículas desde los modos de vibración más bajos, pero con energías más altas podemos detectar otras partículas.

P á g i n a | 81

La revolución de Newton: cómo nació la física Muchos ven los descubrimientos de Sir Isaac Newton como el comienzo de la física moderna (junto con un poco de ayuda de su predecesor, Galileo Galilei). Los descubrimientos de Newton dominaron dos siglos de física, hasta que Albert Einstein ocupó su lugar en la cúspide de la grandeza científica. Los logros de Newton son diversos, pero se conoce máxime por cuatro descubrimientos cruciales que definen el ámbito de la física, incluso hoy en día: Las tres leyes del movimiento La ley de la gravitación universal La óptica El cálculo Cada uno de estos descubrimientos tiene elementos que son importantes a medida que se intenta comprender los últimos descubrimientos de la teoría de cuerdas.

Fuerza, masa y aceleración: poner los objetos en movimiento Newton formuló las tres leyes del movimiento, que mostraron la comprensión del significado real del movimiento y cómo se relaciona con la fuerza. Bajo sus leyes de movimiento, una fuerza creaba una aceleración proporcional en un objeto. Esta comprensión fue una base necesaria sobre la cual se construyó la ley de gravedad (ver la siguiente sección). De hecho, ambos fueron presentados en su libro de 1686 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, un título que se traduce en Principios matemáticos de filosofía natural. Este libro se ha dado a conocer por el título más corto Principia en los círculos de física. La segunda ley del movimiento dice que la fuerza requerida para acelerar un objeto es el producto de la masa y la aceleración, expresada por la ecuación F=ma, donde F es la

P á g i n a | 82 fuerza total, m es la masa del objeto y a es la aceleración. Para calcular la aceleración total de un objeto, calcula las fuerzas totales que actúan sobre él y luego divide por la masa.

Si hablamos con propiedad, Newton dijo que la fuerza era igual al cambio en el momento de un objeto, y como sabemos en cálculo esta es la derivada del momento con respecto al tiempo, por lo que resulta que el momento es igual a la masa por la velocidad. Como se supone que la masa es constante y la derivada de la velocidad con respecto al tiempo produce la aceleración, la ecuación popular F=ma es una forma simplificada de ver esta situación.

Esta ecuación también se puede usar para definir la masa. Si se toma una fuerza y se divide por la aceleración que causa en un objeto, se puede determinar la masa del objeto. Una pregunta que los teóricos de cuerdas esperan responder es por qué algunos objetos tienen masa y otros (como el fotón) no.

Newton crea las leyes del movimiento La segunda ley, y la forma en que relaciona la fuerza, la aceleración y la masa, es la única ley de movimiento relevante para una discusión sobre la teoría de cuerdas. Sin embargo, para los verdaderos seguidores de Newton, aquí están las otras dos leyes del movimiento, parafraseadas para facilitar la comprensión: La primera ley del movimiento de Newton: un objeto en reposo permanece en reposo o un objeto en movimiento permanece en movimiento, a menos que una fuerza externa actúe sobre él. En otras palabras, se necesita una fuerza para hacer que el movimiento cambie.

P á g i n a | 83

Tercera ley de movimiento de Newton: cuando dos objetos interactúan a través de una fuerza, cada objeto ejerce una fuerza sobre el otro objeto que es igual y opuesta. En otras palabras, si ejerzo una fuerza sobre la pared con la mano, la pared ejerce una fuerza igual sobre mi mano.

Gravedad: un gran descubrimiento Con las leyes del movimiento en la mano, Newton pudo realizar la acción que lo convertiría en el físico más grande de su época: explicar el movimiento del cielo y la Tierra. Su propuesta era la ley de la gravitación universal, que define una fuerza que actúa entre dos objetos en función de las masas y la distancia que los separa. Cuanto más grandes son los objetos, mayor es la fuerza gravitacional. La relación con la distancia es una relación inversa, lo que significa que a medida que aumenta la distancia, la fuerza disminuye (en realidad, disminuye con el cuadrado de la distancia, por lo que disminuye muy rápido a medida que se separan los objetos). Cuanto más cerca están los dos objetos, mayor es la fuerza gravitacional. El valor de la fuerza gravitacional determina un valor en la ecuación de Newton, llamada constante gravitacional o constante de Newton. Este valor se obtiene al realizar experimentos y observaciones, y al calcular cuál debería ser la constante. Una pregunta aún abierta a la física y la teoría de cuerdas es por qué la gravedad es tan débil en comparación con las otras fuerzas.

La gravedad parece bastante sencilla, pero en realidad causa demasiados problemas a los físicos, porque no se comporta ni se lleva bien con las otras fuerzas del universo. El propio Newton no se sentía cómodo con la idea de una fuerza que actuara a distancia, sin comprender el mecanismo involucrado. Pero las ecuaciones, incluso sin una explicación exhaustiva de lo que la causaba, funcionaban. De hecho, el buen resultado de las ecuaciones fue suficiente para que, durante más de dos siglos, hasta Einstein, nadie pudiera descubrir lo que faltaba en la teoría

P á g i n a | 84

Óptica: arrojar claridad sobre las propiedades de la luz Newton también realizó un extenso trabajo para comprender las propiedades de la luz, un campo conocido como óptica. Newton apoyó una visión de que la luz se movía como pequeñas partículas, en oposición a una teoría de que la luz viajaba como una onda. Newton realizó todo su trabajo en óptica suponiendo que la luz se movía como pequeñas bolas de energía volando por el aire. Durante casi un siglo, la visión de Newton de la luz como partículas fue la dominante, hasta que los experimentos de Thomas Young a principios de 1800 demostraron que la luz exhibía las propiedades de las ondas, es decir, el principio de superposición (consulte la sección anterior «Atrapar la ola» para obtener más información sobre la superposición, y la sección posterior «La luz como una onda: la teoría del éter» para más información sobre las ondas de luz). La comprensión de la luz, que comenzó con Newton, conduciría a las revoluciones en física de Albert Einstein y, en última instancia, a las ideas centrales de la teoría de cuerdas. En la teoría de cuerdas, el comportamiento de las cuerdas causa tanto la gravedad como la luz

Cálculo y matemática: mejora de la comprensión científica Para estudiar el mundo físico, Newton tuvo que desarrollar nuevas herramientas matemáticas, y una de estas herramientas que desarrolló fue un tipo de matemática que llamamos cálculo. En realidad, al mismo tiempo que lo inventó, el filósofo y matemático Gottfried Leibniz también había creado el cálculo, de manera independiente. Newton necesitaba el cálculo para realizar su análisis del mundo natural. Leibniz, por otro lado, lo desarrolló máxime para explicar ciertos problemas geométricos.

Piense por un momento lo increíble que es esto en realidad. Una construcción matemática en esencia, como el cálculo, proporcionó información clave sobre los

P á g i n a | 85 sistemas físicos que Newton exploraba. Por el otro lado, el análisis físico que realizó Newton lo llevó a crear el cálculo. En otras palabras, ¡este es un caso en el que la matemática y la ciencia parecían ayudar a construirse una sobre la otra! Uno de los principales éxitos de la teoría de cuerdas es que ha proporcionado motivación para importantes desarrollos matemáticos que han resultado útiles en otros ámbitos.

Las fuerzas de la luz: la electricidad y el magnetismo En el siglo XIX, la comprensión física de la naturaleza de la luz cambió por completo. Los experimentos comenzaron a mostrar casos evidentes en los que la luz actuaba como ondas en lugar de partículas, lo que contradecía a Newton (consulte la sección «Óptica: arrojar claridad sobre las propiedades de la luz» para obtener más información sobre los hallazgos de Newton). Durante el mismo tiempo, los experimentos sobre electricidad y magnetismo comenzaron a revelar que estas fuerzas se comportaban como la luz, ¡excepto que no podíamos verlas! A fines del siglo XIX, se hizo evidente que la electricidad y el magnetismo eran diferentes manifestaciones de la misma fuerza, el electromagnetismo. Uno de los objetivos de la teoría de cuerdas es desarrollar una teoría única que incorpore tanto el electromagnetismo como la gravedad.

La luz como una onda: la teoría del éter Newton había tratado la luz como partículas, pero los experimentos en el siglo XIX comenzaron a demostrar que la luz actuaba como una onda. El principal problema de esto fue que las ondas requieren un medio. Debe de haber algo que provoque la ondulación. La luz parecía viajar a través del espacio vacío, que no contenía ninguna sustancia. ¿Cuál era el medio por el que se movía la luz? ¿Sobre qué se estaban produciendo las ondas? Para explicar el problema, los físicos propusieron que el espacio se llenara con una sustancia. Al buscar un nombre para esta sustancia hipotética, los físicos volvieron a Aristóteles y lo llamaron éter luminoso.

P á g i n a | 86 Sin embargo, incluso con este éter hipotético, todavía había problemas. La óptica de Newton todavía funcionaba, y su teoría describía la luz en términos de pequeñas bolas que se movían en línea recta, ¡no como ondas! Parecía que a veces la luz actuaba como una onda y a veces actuaba como una partícula. La mayoría de los físicos del siglo XIX creían en la teoría de las ondas, en gran parte porque el estudio de la electricidad y el magnetismo ayudó a apoyar la idea de que la luz era una onda, pero no pudieron encontrar evidencia sólida del éter.

Líneas invisibles de fuerza: campos eléctricos y magnéticos La electricidad es el estudio de cómo las partículas cargadas se afectan entre sí. El magnetismo, por otro lado, es el estudio de cómo los objetos magnetizados se afectan entre sí. En el siglo XIX, la investigación comenzó a mostrar que estos dos fenómenos que aparentaban estar separados, eran, de hecho, diferentes aspectos de lo mismo. El físico Michael Faraday propuso que los campos invisibles transmitían la fuerza. La electricidad y el magnetismo están unidos Una fuerza eléctrica actúa entre dos objetos, los que contienen una propiedad llamada carga eléctrica, que puede ser positiva o negativa. Las cargas positivas repelen otras cargas positivas, y las negativas repelen otras cargas negativas, pero las cargas positivas y negativas se atraen entre sí, como en la figura 5-4. La Ley de Coulomb, que describe el comportamiento más simple de la fuerza eléctrica entre partículas cargadas (un campo llamado electrostática), es una ley de la inversa del cuadrado, similar a la ley de gravedad de Newton. Esto proporcionó algunos de los primeros indicios de que la gravedad y las fuerzas electrostáticas (y, en última instancia, el electromagnetismo) podrían tener algo en común.

P á g i n a | 87

Cuando las cargas eléctricas se mueven, crean una corriente eléctrica. Estas corrientes pueden influenciarse entre sí a través de una fuerza magnética. Esto fue descubierto por Hans Christian Oersted, quien descubrió que un cable con una corriente eléctrica podría desviar la aguja de una brújula. Los trabajos posteriores de Michael Faraday y de otros demostraron que esto también funcionaba a la inversa, es decir una fuerza magnética puede influir en una corriente eléctrica. Como se muestra en la figura 5-5, mover un imán hacia una bobina hace que una corriente se genere en el cable.

Faraday propone campos de fuerza para explicar estas fuerzas En la década de 1840, Michael Faraday propuso la idea de que líneas invisibles de fuerza funcionaban en las corrientes eléctricas y en el magnetismo. Estas líneas hipotéticas formaban un campo de fuerza que tenía un cierto valor y dirección en cualquier punto dado y podría usarse para calcular la fuerza total que actúa sobre una

P á g i n a | 88 partícula en ese punto. Este concepto se adaptó con velocidad para aplicarse también a la gravedad en forma de campo gravitacional.

Estas invisibles líneas de fuerza eran las responsables de la fuerza eléctrica (como se muestra en la figura 5-6) y la fuerza magnética (como se muestra en la figura 5-7). El resultado era un campo eléctrico y un campo magnético que se podían medir.

Faraday propuso las invisibles líneas de fuerza, pero no fue claro sobre cómo se transmitía la fuerza, lo que provocó la burla de sus pareas. Sin embargo, tenga en cuenta que Newton tampoco pudo explicar por completo cómo se transmitía la gravedad, por lo que había un precedente. La acción a distancia ya era una parte establecida de la física, y Faraday, al menos, proponía un modelo físico de cómo se realizaba.

P á g i n a | 89

Los campos propuestos por Faraday resultaron tener aplicaciones más allá de la electricidad y el magnetismo. La gravedad también podría escribirse en forma de campo. El beneficio de un campo de fuerza es que cada punto en el espacio tiene un valor y una dirección asociados. Si se puede calcular el valor del campo en un punto, se sabe con exactitud cómo actuará la fuerza sobre un objeto colocado en ese punto. Hoy, todas las leyes de la física se pueden escribir en forma de campos.

Las

ecuaciones

de

Maxwell

unifican

todo:

ondas

electromagnéticas Los físicos ahora saben que la electricidad y el magnetismo son aspectos de la misma fuerza electromagnética. Esta fuerza viaja en forma de ondas electromagnéticas. Vemos un cierto rango de esta energía electromagnética en forma de luz visible, pero hay otras formas, como los rayos X y las microondas, que no vemos. A mediados de 1800, James Clerk Maxwell tomó el trabajo de Faraday y otros y creó un conjunto de ecuaciones, conocidas como ecuaciones de Maxwell, que describían las fuerzas de la electricidad y el magnetismo en términos de ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética se muestra en la figura 5-8.

Las ecuaciones de Maxwell le permitieron calcular la velocidad exacta a la que viajan las ondas electromagnéticas. Cuando Maxwell realizó este cálculo, se sorprendió al descubrir que reconocía el valor, ¡las ondas electromagnéticas viajaban a la velocidad de la luz!

P á g i n a | 90

Las ecuaciones de Maxwell mostraron que la luz visible y las ondas electromagnéticas son manifestaciones diferentes de los mismos fenómenos subyacentes. En otras palabras, solo vemos un pequeño rango del espectro completo de las ondas electromagnéticas que existen en nuestro universo. Extender esta unificación para incluir todas las fuerzas de la naturaleza, incluida la gravedad, conduciría, en definitiva, a teorías de la gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas.

Dos nubarrones y el nacimiento de la física moderna Quedaban dos preguntas importantes sin respuesta con respecto a la teoría electromagnética. El primer problema era que no se había detectado el éter, mientras que el segundo involucraba un oscuro problema sobre la radiación de energía, llamado problema del cuerpo negro. Lo sorprendente, en retrospectiva, es que los físicos no vieron estos problemas (o los nubarrones como el científico británico Lord Kelvin los llamó en el discurso de 1900) como demasiado preocupantes, sino que creyeron que eran problemas menores que pronto se resolverían. Estos dos problemas provocaron las grandes revoluciones de la física moderna, es decir la relatividad y la física cuántica.

P á g i n a | 91

Capítulo 6

Nuestro universo: la teoría de cuerdas, la cosmología y la astrofísica En este capítulo Una mirada en retrospectiva más allá de la teoría del big bang La inclusión de los agujeros negros en la teoría de cuerdas Entender dónde ha estado el universo y hacia dónde se dirige Perseguir la pregunta de cómo el universo promueve la vida

Aunque la teoría de cuerdas comenzó como una teoría de la física de partículas, gran parte del trabajo teórico importante en la actualidad consiste en aplicar las sorprendentes predicciones de la teoría de cuerdas y la teoría M al campo de la cosmología. En este capítulo, se vuelve a estas mismas ideas desde el trasfondo de la teoría de cuerdas. Se explica cómo la teoría de cuerdas se relaciona con la comprensión del big bang, la teoría del origen del universo. Luego se discute lo que la teoría de cuerdas tiene que decir sobre otro misterio del universo: los agujeros negros. A partir de ahí, se cubre lo que la teoría de cuerdas revela sobre cómo el universo cambia con el tiempo y cómo puede cambiar en el futuro. Al final, se vuelve a la pregunta de por qué el universo parece tener un ajuste tan perfecto para permitir la vida y si la teoría de cuerdas (junto con el principio antrópico) puede decir algo al respecto.

El comienzo del universo con la teoría de cuerdas De acuerdo con la teoría del big bang, si se extrapola el universo en expansión en retrospectiva, todo el universo conocido se habría compactado en un punto singular de

P á g i n a | 92 densidad increíblemente inmensa. Sin embargo, no revela nada sobre si algo existió un momento antes de ese punto. De hecho, bajo la teoría del big bang, formulada en un universo de física cuántica y de la relatividad, las leyes de la física resultan en infinitos sin sentido en ese momento. La teoría de cuerdas puede ofrecer algunas respuestas a lo que vino antes y lo que causó el big bang.

¿Qué había antes de la explosión? La teoría de cuerdas ofrece la posibilidad de que estemos «atrapados» en una brana con tres dimensiones espaciales. Estos escenarios generales de branas, como los modelos Randall-Sundrum, ofrecen la posibilidad de que antes del big bang ya había algo aquí: colecciones de cuerdas y branas. La búsqueda de un universo eterno Al principio, los científicos estaban muy incómodos con la teoría del big bang, porque creían en un universo eterno, lo que significa que el universo no tenía un punto de partida (y, en general, esto no cambió con el tiempo). Einstein también creía en la eternidad del universo, aunque abandonó esta idea cuando la evidencia sugirió lo contrario. Fred Hoyle dedicó la mayor parte de su carrera a tratar de demostrar que el universo era eterno. Hoy en día, algunos físicos continúan buscando formas de explicar lo que existió, si es que existió, antes del big bang. Algunos cosmólogos indican que la pregunta de lo que sucedió en el big bang o antes no es en esencia científica, porque la ciencia en la actualidad no tiene forma de extender sus teorías físicas más allá de la singularidad en los albores de la línea de tiempo de nuestro universo. Otros señalan que si nunca hacemos las preguntas, nunca descubriremos una manera de responderlas.

Aunque la teoría de cuerdas aún no está lista para responder a esas preguntas, eso no ha impedido que los cosmólogos comiencen a hacerlas y ofrecer posibles escenarios. En estos escenarios, que son por cierto muy vagos, el universo anterior al big bang (que con gran probabilidad no se limita a solo tres dimensiones espaciales) es

P á g i n a | 93 un conglomerado de p-branas, cuerdas, anti-cuerdas y anti-p-branas. En muchos casos, estos objetos todavía están «allá afuera» en algún lugar más allá de nuestra propia 3brana, tal vez incluso impactan nuestro propio universo (como en el caso de los modelos Randall-Sundrum). Uno de estos modelos fue el anterior al big bang presentado por Gabriele Veneziano, el mismo físico que ideó el modelo de resonancia dual de 1968 que provocó la teoría de cuerdas. En este modelo, nuestro universo es un agujero negro en un universo más masivo de cuerdas y espacio vacío. Antes de la fase de expansión actual, hubo un período de contracción. Aunque quizás no sea del todo cierto según los principales modelos actuales, este trabajo de Veneziano (e ideas similares de otros) tiene un gran impacto en la mayoría del trabajo de cosmología de supercuerdas actual, porque representa nuestro universo conocido como solo un subconjunto del universo, con un vasto «allá afuera» más allá de nuestro conocimiento. El modelo anticuado del universo cíclico Una idea que fue popular en la década de 1930 fue la de un universo cíclico, en el que la densidad de la materia era tan alta como para que la gravedad superara la expansión del universo. El beneficio de este modelo fue que permitió que el big bang fuera correcto, pero el universo aún podría ser eterno.

En este modelo cíclico, el universo se expandiría hasta que la gravedad comenzara a tirar de él hacia atrás, para dar como resultado una «gran contracción» donde toda la materia volvería al «super átomo» primordial, y luego el ciclo de expansión comenzaría de nuevo. El problema es que la segunda ley de la termodinámica dicta que la entropía, o desorden, en el universo crecería con cada ciclo. Si el universo pasara por un número infinito de ciclos, la cantidad de desorden en el universo sería infinita: cada parte del universo estaría en equilibrio térmico con todo el resto. En un universo donde cada región tiene la misma estructura exacta, ninguna región tiene más orden que las demás, por lo que todas las regiones tienen la cantidad máxima de desorden permitido (si el

P á g i n a | 94 universo hubiera pasado por un número finito de ciclos, los científicos todavía se toparían con el problema de cómo comenzó todo; solo lo retrasaron unos pocos ciclos. Esto de alguna manera derribó todo el objetivo del modelo, por lo que se asumió un número infinito de ciclos). Sin embargo, la teoría de cuerdas podría tener una forma de recuperar el modelo cíclico en una nueva forma.

¿Qué explotó? La teoría del big bang no ofrece ninguna explicación de cómo comenzó la expansión original del universo. Esta es una pregunta teórica importante para los cosmólogos, y muchos aplican los conceptos de la teoría de cuerdas en un intento por responderla. Una conjetura controvertida es un modelo de universo cíclico que se denomina universo ecpirótico, que sugiere que nuestro propio universo es el resultado del choque entre branas. La explosión de las cuerdas Mucho antes de la introducción de la teoría M o los escenarios del mundo de las branas, había una conjetura de la teoría de cuerdas de por qué el universo tenía el número de dimensiones que vemos: un espacio compacto de nueve dimensiones simétricas comenzó a expandirse en tres de esas dimensiones. Bajo este análisis, un universo con tres dimensiones espaciales (como la nuestra) es la geometría espacio tiempo más probable. En esta idea, iniciada en la década de 1980 por Robert Brandenberger y Cumrun Vafa, el universo comenzó como una cuerda apretada con todas las dimensiones limitadas a la longitud de Planck, por total simetría. Las cuerdas, en efecto, vinculan las dimensiones hasta ese tamaño. Brandenberger y Vafa argumentaron que en tres o menos dimensiones, sería probable que las cuerdas chocaran con las anticuerdas (una anticuerda es en esencia un hilo que se enrolla en una dirección opuesta al hilo). La colisión aniquilaría la cuerda que, a su

P á g i n a | 95 vez, desataría las dimensiones que limitaba. Así comienzan a expandirse, como en las teorías inflacionistas y del big bang.

En lugar de pensar en cuerdas y anticuerdas, imagine una habitación que tenga un montón de cables conectados a puntos aleatorios en las paredes. Imagine que la habitación quiere expandirse, y las paredes, el piso y el techo tratan de separarse, pero no pueden debido a los cables. Ahora imagine que los cables pueden moverse, y cada vez que se cruzan, pueden recombinarse. Imagine dos cables tensos que se extienden desde el piso hasta el techo que se cruzan para formar una X alta y delgada. Pueden recombinarse para convertirse en dos cables sueltos, uno conectado al piso y otro unido al techo. Si estos hubieran sido los únicos dos cables que se extendían del piso al techo, entonces, después de esta interacción, el piso y el techo serían libres y podrían separarse el uno del otro. En el escenario de Brandenberger y Vafa, esta dimensión (arriba-abajo), así como otras dos, son libres de crecer. El paso final es que en cuatro o más dimensiones espaciales, las cuerdas móviles nunca se encontrarán (piense en cómo los puntos que se mueven en dos dimensiones espaciales tal vez nunca se encontrarán, y la justificación se extiende a mayores dimensiones). Entonces, este mecanismo solo funciona para liberar tres dimensiones espaciales de sus cables. En otras palabras, la misma geometría de la teoría de cuerdas implica que este escenario nos llevaría a ver menos de cuatro dimensiones espaciales: es menos probable que los casos de cuatro o más dimensiones atraviesen las colisiones de cuerdas / anticuerdas necesarias para «liberarlas» de la configuración con una ligazón tan estrecha. Las dimensiones superiores continúan unidas por las cuerdas a la longitud de Planck y, por lo tanto, no se ven. Con la inclusión de las branas, esta imagen se vuelve más elaborada y más difícil de interpretar. La investigación sobre este enfoque en los últimos años no ha sido tranquilizadora. Surgen muchos problemas cuando los científicos intentan incorporar

P á g i n a | 96 esta idea de manera más rigurosa en la matemática de la teoría de cuerdas. Aún así, esta es una de las pocas explicaciones de por qué hay cuatro dimensiones que tienen sentido, por lo que los teóricos de cuerdas no lo han abandonado por completo como una posible razón del big bang.

La branas alimentan un modelo cíclico del siglo XXI: el universo ecpirótico En el escenario del universo ecpirótico, nuestro universo se crea a partir de la colisión de branas. La materia y la radiación de nuestro universo proviene de la energía cinética creada por la colisión de estas dos branas. El escenario del universo ecpirótico fue propuesto en un artículo de 2001 por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton, Burt Ovrut de la Universidad de Pennsylvania, y Neil Turok, antes de la Universidad de Cambridge y hoy director del Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Ontario, junto con el alumno de Steinhardt, Justin Khoury. La teoría se basa en las ideas de que algunos escenarios generales de branas de la teoría M muestran que las dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas pueden extenderse, tal vez incluso a un tamaño infinito. Tal vez tampoco se expanden (o al menos los teóricos de cuerdas no tienen ninguna razón para pensar que sí) de la misma manera que lo hacen nuestras tres dimensiones espaciales. Cuando se rebobina el video del universo, estas dimensiones no se contraen.

Ahora imagine que dentro de estas dimensiones hay dos 3-branas infinitas. Algún mecanismo (como la gravedad) une las branas a través de las infinitas dimensiones adicionales, y chocan entre sí. Se genera energía y se crea la materia para nuestro universo y separa las dos branas. Al final, la energía de la colisión se disipa y las branas se vuelven a unir para colisionar una vez más.

P á g i n a | 97 El modelo ecpirótico se divide en varias épocas (períodos de tiempo), en función de las influencias que dominan: El big bang La época dominada por la radiación La época dominada por la materia La época dominada por la energía oscura La época de la contracción La gran contracción La historia hasta la época de la contracción es en esencia idéntica a la de la cosmología regular del big bang. La radiación que se genera por la colisión de branas (el big bang) significa que la época dominada por la radiación es bastante uniforme (salvo las fluctuaciones cuánticas), por lo que la inflación puede ser innecesaria. Después de alrededor de 75.000 años, el universo se convierte en una sopa de partículas durante la época dominada por la materia. Hoy y por muchos años más, estamos en la época dominada por la energía oscura, hasta que la energía oscura decaiga y el universo comience a contraerse otra vez. Debido a que la teoría involucra el choque de dos branas, algunos llamaron a esto la teoría del gran aplastamiento o la teoría del aplastamiento de las branas, que por cierto es más fácil de pronunciar que el universo ecpirótico. La palabra «ecpirótico» proviene de la palabra griega ekpyrosis, que era una antigua creencia griega de que el mundo había nacido del fuego (según los informes, Burt Ovrut pensó que sonaba como una enfermedad de la piel). Algunos piensan que el modelo del universo ecpirótico tiene mucho para dar: resuelve los problemas de planitud y de horizonte como lo hace la teoría inflacionaria, al tiempo que proporciona una explicación de por qué el universo comenzó, pero los creadores aún están lejos de demostrarlo. Stephen Hawking ha apostado a Neil Turok que los hallazgos del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea verificarán el modelo

P á g i n a | 98 inflacionario y descartarán el modelo ecpirótico, pero se sabe que Hawking ya tuvo que pagar este tipo de apuestas en el pasado (como se puede leer en la sección «Teoría de cuerdas y la paradoja de la información del agujero negro» más adelante en este capítulo). Una ventaja es que este modelo evita el problema de los modelos cíclicos anteriores, porque cada universo en el ciclo es más grande que el anterior. Debido a que el volumen del universo aumenta, la entropía total del universo en cada ciclo puede aumentar sin alcanzar un estado de entropía máxima.

Es obvio que hay mucho más detalle en el modelo ecpirótico que los que se incluyen aquí. Si está interesado en esta fascinante teoría, se recomiendo Paul J. Steinhardt y el popular libro Endless Universe: Beyond the Big Bang de Neil Turok. Además de la interesante discusión no técnica de conceptos científicos complejos, sus descripciones ofrecen un vistazo dentro del ámbito de la cosmología teórica, que bien vale la pena leer.

Explicación de los agujeros negros con la teoría de cuerdas Un misterio importante de la física teórica que requiere explicación es el comportamiento de los agujeros negros, en especial con respecto a cómo se evaporan los agujeros negros y si pierden información. Los agujeros negros se definen por la relatividad general como entidades suaves, pero a escalas muy pequeñas (como cuando se evaporan hasta la longitud de Planck), los efectos cuánticos deben tenerse en cuenta. Resolver esta inconsistencia es el tipo de cosas en las que la teoría de cuerdas debería ser buena, si fuera cierta.

P á g i n a | 99

La teoría de cuerdas y la termodinámica de un agujero negro Cuando Stephen Hawking describió la radiación de Hawking emitida por un agujero negro, tuvo que usar su intuición física y matemática, porque la física cuántica y la relatividad general no se llevan bien. Uno de los principales éxitos de la teoría de cuerdas es ofrecer una descripción completa de (algunos) agujeros negros.

La radiación Hawking se produce cuando un agujero negro emite radiación, lo que genera que pierda masa. Al final, el agujero negro se evapora en la nada (o casi nada). El argumento incompleto de Stephen Hawking El artículo de Hawking sobre la forma en que un agujero negro irradia calor (también llamado termodinámica) comienza una línea de razonamiento que tiene algunos problemas. En el medio de la prueba hay una desconexión, porque no existe una teoría de la gravedad cuántica que permita que la primera mitad de su razonamiento (que se basa en la relatividad general) se conecte con la segunda mitad de su razonamiento (que se basa en la mecánica cuántica). La razón de la desconexión es que realizar un análisis termodinámico detallado de un agujero negro implica examinar todos los estados cuánticos posibles del mismo. Pero los agujeros negros se describen con la relatividad general, que los trata como objetos suaves, no cuánticos. Sin una teoría de la gravedad cuántica, parece que no hay forma de analizar la naturaleza termodinámica específica de un agujero negro. En el artículo de Hawking, esta conexión se hizo por medio de la intuición, pero no en el sentido de que la mayoría de nosotros entenderíamos como intuición. El salto intuitivo que dio fue al proponer fórmulas matemáticas precisas, llamadas factores de cuerpo gris, a pesar de que no podía probar de dónde venían.

P á g i n a | 100 La mayoría de los físicos están de acuerdo en que la interpretación de Hawking tiene sentido, pero una teoría de la gravedad cuántica mostraría si un proceso más preciso podría reemplazar su paso intuitivo. La teoría de cuerdas podría completar el argumento Muchos teóricos de cuerdas ven el trabajo de Andrew Strominger y Cumrun Vafa sobre la termodinámica de los agujeros negros como la evidencia más poderosa en apoyo de la teoría. Al estudiar un problema que es equivalente en el aspecto matemático a los agujeros negros, es decir un problema dual, calcularon con precisión las propiedades termodinámicas del agujero negro en una forma que coincidía con el análisis de Hawking.

A veces, en lugar de simplificar un problema de manera directa, puede crear un problema dual, que es en esencia idéntico al que se intenta resolver, pero es mucho más simple de manejar. Strominger y Vafa usaron esta táctica en 1996 para calcular la entropía en un agujero negro. En su caso, descubrieron que el problema dual de un agujero negro describía una colección de 1-brana y 5-branas. Estas «construcciones de branas» son objetos que se pueden definir en términos de mecánica cuántica. Descubrieron que los resultados coincidían justo con el resultado que Hawking anticipó 20 años antes. Ahora, antes de emocionarse demasiado, los resultados de Strominger y Vafa solo funcionan para ciertos tipos muy específicos de agujeros negros, llamados agujeros negros extremos. Estos agujeros negros extremos tienen la cantidad máxima de carga eléctrica o magnética que se permite sin hacer que el agujero negro sea inestable. Un agujero negro extremo tiene la extraña propiedad de poseer entropía pero no calor ni temperatura (la entropía es una medida del desorden, a menudo se relacionada con la energía térmica, dentro de un sistema físico). Al mismo tiempo que Strominger y Vafa realizaban sus cálculos, el estudiante de Princeton, Juan Maldacena, abordaba el mismo problema (junto con el asesor de tesis

P á g i n a | 101 Curt Callan). A las pocas semanas de Strominger y Vafa, confirmaron los resultados y ampliaron el análisis a los agujeros negros que son casi extremos. Una vez más, la relación se mantiene bastante bien entre estas construcciones de branas y los agujeros negros, y el análisis de las construcciones de branas arroja los resultados que Hawking anticipó para los agujeros negros. El trabajo adicional amplió este trabajo a casos aún más generalizados de agujeros negros.

Para que este análisis funcione, la gravedad debe reducirse a cero, lo que por cierto parece extraño en el caso de un agujero negro que, en esencia está definido por la gravedad. Es necesario apagar la gravedad para simplificar las ecuaciones y obtener la relación. Los teóricos de cuerdas conjeturan que al aumentar la gravedad de nuevo terminarías con un agujero negro, pero los escépticos de la teoría de cuerdas señalan que sin gravedad en realidad no se consigue un agujero negro. Aun así, incluso un escéptico no puede evitar pensar que debe haber algún tipo de relación entre las construcciones de branas y los agujeros negros porque ambos siguen el análisis de termodinámica de Hawking creado 20 años atrás. Lo que es aún más sorprendente es que la teoría de cuerdas no fue diseñada para resolver este problema específico, pero lo hizo. El hecho de que el resultado provenga del análisis es, por lo menos, impresionante.

La teoría de cuerdas y la paradoja de la información del agujero negro Uno de los aspectos importantes de la termodinámica de los agujeros negros se relaciona con la paradoja de la información de los agujeros negros. Esta paradoja bien puede tener una solución en la teoría de cuerdas, ya sea en los análisis de la teoría de cuerdas descritos en la sección anterior o en el principio holográfico. Hawking había dicho que si un objeto cae en un agujero negro, la única información que se retiene son las propiedades mecánicas cuánticas de masa, giro y carga. Toda otra información se elimina.

P á g i n a | 102 El problema con esto es que la mecánica cuántica se basa en la idea de que la información no se puede perder. Si se puede perder información, entonces la mecánica cuántica no es una estructura teórica segura. Hawking, como relativista, estaba más preocupado por mantener la estructura teórica de la relatividad general, por lo que estaba de acuerdo con que la información se perdiera si fuera necesario.

La razón por la que esta pérdida de información es un problema tan importante para la mecánica cuántica, se vincula una vez más con la termodinámica. En mecánica cuántica, la información se relaciona con el concepto termodinámico de orden. Si se pierde información, entonces se pierde el orden, lo que significa que aumenta la entropía (desorden). Esto significa que los agujeros negros comenzarían a generar calor, llegando a miles de millones de grados en solo unos instantes. Aunque Leonard Susskind y otros se dieron cuenta de esto a mediados de la década de 1980, no pudieron encontrar los defectos en el razonamiento de Hawking que demostrarían que estaba equivocado. En 2004, después de un debate que duró más de 20 años, Hawking anunció que ya no creía que esta información se perdiera para siempre en el universo. Al hacerlo, perdió una apuesta de 1997 con el físico John Preskill. La recompensa era una enciclopedia de béisbol, de la que se podía recuperar información de forma muy fácil. ¿Y quién dijo que los físicos no tenían sentido del humor? Una razón para el cambio de mentalidad de Hawking fue que hizo de nuevo algunos de sus cálculos anteriores y descubrió que era posible que, la caída de un objeto en un agujero negro, perturbaría el campo de radiación del agujero negro. La información sobre el objeto podría filtrarse, aunque quizás en forma destrozada, a través de las fluctuaciones en este campo. Otra forma de abordar el problema de la pérdida de información del agujero negro es a través del principio holográfico de Leonard Susskind y Gerard 't Hooft o la correspondencia AdS / CFT que desarrolló Juan Maldacena. Si estos principios son

P á g i n a | 103 válidos para los agujeros negros, es posible que toda la información dentro del agujero negro también se codifique de alguna forma en el área de superficie del mismo.

La controversia sobre la paradoja de la información del agujero negro se describe en detalle en el libro de 2008 de Susskind, La guerra del agujero negro: mi batalla con Stephen Hawking para hacer que el mundo sea seguro para la mecánica cuántica. Otro enfoque más es mirar el multiverso potencial. Es posible que la información que ingresa a un agujero negro, de alguna manera, pase de este universo a un universo paralelo.

La evolución del universo Otras preguntas que los científicos esperan que la teoría de cuerdas pueda responder involucran la forma en que el universo cambia con el tiempo. Los escenarios del mundo de las branas, descritos en secciones anteriores de este libro, ofrecen algunas posibilidades, al igual que los diversos conceptos de un multiverso. En especial, los teóricos de cuerdas esperan entender la razón de la mayor expansión de nuestro universo tal como se define por la materia oscura y la energía.

La hinchazón continúa: inflación eterna Algunos cosmólogos han trabajado duro en una teoría llamada inflación eterna, que ayuda a contribuir a la idea de un vasto multiverso de universos posibles, cada uno con diferentes leyes (o diferentes soluciones a la misma ley, para ser precisos). En la inflación eterna, los universos insulares surgen y desaparecen en todo el universo, engendrados por las fluctuaciones cuánticas de la energía del vacío. Muchos lo ven como una prueba más del panorama de la teoría de cuerdas y la aplicación del principio antrópico.

P á g i n a | 104 La teoría de la inflación dice que nuestro universo comenzó en una colina (o saliente) de potenciales energías de vacío. El universo comenzó a rodar por esa colina de manera rápida, es decir, nuestro universo comenzó a expandirse a un ritmo exponencial, hasta que nos instalamos en un valle de energía de vacío. La pregunta que la inflación eterna intenta responder es ¿por qué comenzamos en esa colina? Parece ser que el universo comenzó en un punto de partida aleatorio en el espectro de energías posibles, por lo que fue solo suerte que estuviéramos en la colina y, a su vez, suerte que pasamos por la cantidad correcta de inflación para distribuir masa y energía de la forma en que se repartió. O, de otro punto de vista, hay una gran cantidad de posibilidades, muchas de las cuales surgen, y solo podríamos existir en las que tienen esta específica condición de inicio (este es, en esencia, el argumento antrópico). En cualquier caso, las partículas y las fuerzas de nuestro universo se determinan por la ubicación inicial en esa colina y las leyes de la física que rigen cómo cambiará el universo con el tiempo. En 1977, Sidney Coleman y Frank De Luccia describieron cómo las fluctuaciones cuánticas en un universo inflamado crean pequeñas burbujas en la estructura del espacio tiempo. Estas burbujas pueden tratarse como pequeños universos por derecho propio. Por ahora, la clave es que sí se forman. El cosmólogo Andrei Linde ha sido el que más argumentó, con mayor énfasis, que este hallazgo, en combinación con la teoría de la inflación de Alan Guth, exige una inflación eterna: la creación de una vasta población de universos, cada uno con propiedades físicas con ligeras diferencias. Se le unieron Guth y Alexander Vilenkin, quienes ayudaron a resolver los aspectos clave de la teoría.

El modelo de inflación eterna dice que estos universos burbujas (Guth prefiere «universos de bolsillo», mientras que Susskind los llama «universos insulares») surgen, de alguna manera y obtienen algunas leyes físicas entre las posibles dictadas por el

P á g i n a | 105 escenario de la teoría de cuerdas (a través de algunos medios desconocidos todavía). El universo burbuja entonces sufre inflación. Mientras tanto, el espacio a su alrededor continúa expandiéndose, y se expande tan rápido que la información sobre el universo de burbujas que se infla nunca puede llegar a otro universo. Nuestro propio universo es uno de estos universos burbujas, pero uno que terminó su período inflacionario hace mucho tiempo.

La materia oculta y la energía Dos misterios de nuestro universo son la materia oscura y la energía oscura. La materia oscura es una materia invisible que mantiene a las estrellas juntas en las galaxias, mientras que la energía oscura es una energía de vacío invisible que empuja a las diferentes galaxias más lejos una de la otra. La teoría de cuerdas tiene varias posibilidades para ambos. Una mirada desde las cuerdas a la materia oscura La teoría de cuerdas proporciona un candidato natural para la materia oscura en partículas supersimétricas, que son necesarias para que la teoría funcione, pero algo que los científicos todavía no han observado. Además, es posible que la materia oscura de alguna manera se genere por la influencia gravitacional de las branas cercanas. La explicación más simple de la materia oscura quizás sería un vasto mar de partículas supersimétricas que residen dentro de las galaxias, pero no podemos verlas (tal vez debido a algunas propiedades desconocidas de estas nuevas partículas). La supersimetría implica que cada partícula que se conoce tiene un supercompañero. Los fermiones tienen supercompañeros bosónicos y los bosones tienen supercompañeros fermiónicos. De hecho, un candidato popular para la materia oscura que falta es el fotino, el supercompañero del fotón. Una simulación por computadora, que se publicó en la revista Nature en noviembre de 2008, ofrece un posible medio para probar esta idea. La simulación que realizó el grupo de investigación internacional Virgo Consortium, sugiere que la materia oscura en el halo de la galaxia de la Vía Láctea debería producir niveles detectables de rayos

P á g i n a | 106 gamma. Esta simulación indica una dirección para comenzar a buscar tales signos reveladores. Otro posible candidato a la materia oscura proviene de los diversos escenarios del mundo de las branas. Aunque los detalles todavía tienen que resolverse, es posible que haya branas que se superpongan con nuestra propia 3-brana. Quizás donde tenemos galaxias, hay objetos gravitacionales que se extienden a otras branas. Debido a que la gravedad es la única fuerza que puede interactuar a través de las branas, es posible que estos objetos hiperdimensionales creen gravedad adicional dentro de nuestra propia 3brana. Por último, las teorías de cuerdas de 4 dimensiones presentan otra posibilidad, porque requieren no solo supersimetría sino también una gran cantidad de familias de partículas más allá de las familias de electrones, muones y tau de nuestro modelo estándar actual. Reducir la teoría de cuerdas a cuatro dimensiones parece expandir en gran medida el número de partículas que los físicos esperarían encontrar en el universo, y (si existen) podrían explicar la materia oscura. Una mirada desde las cuerdas a la energía oscura Aún más intrigante que la materia oscura es la energía oscura, que es una energía positiva que parece impregnar todo el universo y ser mucho más abundante que cualquier forma de materia, pero también mucho menos abundante de lo que los físicos creen que debería ser. Descubrimientos recientes en la teoría de cuerdas han permitido que esta energía oscura exista en la teoría. Aunque la teoría de cuerdas ofrece algunas posibilidades para la materia oscura, ofrece menos explicación para la energía oscura. En teoría, la energía oscura debería explicarse por el valor de la energía del vacío en la física de partículas, donde las partículas se crean y destruyen de forma continua. Estas fluctuaciones cuánticas crecen a un ritmo inmenso, lo que lleva a valores infinitos (para evitar estos valores infinitos en la teoría cuántica de campos, se utiliza el proceso de renormalización, que en principio es redondear la cantidad a un valor no infinito. Esto no se vería como un buen método, excepto por el hecho que sí funciona).

P á g i n a | 107

Sin embargo, cuando los físicos intentan usar sus métodos estándar para calcular el valor de la energía del vacío, ¡obtienen un valor que excede el valor experimental de la energía oscura en 10120! El valor real es tan pequeño que cuesta creerlo, pero no es del todo cero. Aunque la cantidad de energía oscura en el universo es enorme (según datos recientes, representa alrededor del 73 por ciento del universo), la intensidad de la energía oscura es muy pequeña, tan pequeña que hasta 1998, los científicos asumieron que el valor era cero exacto. La existencia de energía oscura (o una constante cosmológica positiva, dependiendo de cómo se quiera ver) no elimina las muchas soluciones de la teoría de cuerdas que se relacionan con diferentes posibles leyes físicas. El número de soluciones que incluyen energía oscura puede estar en el orden de 10500. Esta energía oscura refleja una energía positiva incorporada en la estructura misma del universo, quizás relacionada con la energía del vacío. Para algunos, el universo ecpirótico tiene un beneficio sobre el modelo inflacionario, porque ofrece una razón por la cual podríamos observar tal valor de energía oscura en nuestro universo, y esa es la parte de la fase cíclica en la que estamos. A veces, en el pasado, la energía oscura puede haber sido más fuerte, y en el futuro puede serlo menos. Para muchos otros, esta razón no es más satisfactoria, desde un punto de vista intelectual, que la falta de una razón en otros modelos cosmológicos. Todavía equivale a una coincidencia accidental (o una aplicación del principio antrópico, como se discute más adelante en este capítulo). Fuera del universo ecpirótico, hay poca explicación de lo que sucede. Muchos físicos consideran que el problema del exceso de energía de vacío en una cantidad tan grande, suficiente para casi cancelarlo, es una oportunidad muy buena para analizarlo. Muchos prefieren recurrir al principio antrópico para explicarlo. Otros lo ven como agitar una bandera blanca de rendición, admitir que la energía oscura es un desafío demasiado difícil de entender.

P á g i n a | 108

El país desconocido: el futuro del cosmos En cosmología, el pasado y el futuro están unidos, y la explicación de uno está ligada a la del otro. Con el modelo de big bang en su lugar, existen en principio tres futuros posibles para nuestro universo. Determinar las soluciones a la teoría de cuerdas que se aplican a nuestro universo podría permitirnos determinar qué futuro es más probable.

Un universo de hielo: la gran helada En este modelo del futuro del universo, el universo continúa expandiéndose para siempre. La energía se disipa de manera lenta a través de un volumen de espacio cada vez más amplio y, al final, el resultado es una vasta extensión de espacio frío, a medida que las estrellas mueren. Esta gran congelación siempre ha tenido cierto grado de popularidad, desde el surgimiento de la termodinámica en el siglo XIX. Las leyes de la termodinámica le dicen que la entropía o desorden en un sistema siempre aumentará. Esto significa que el calor se extenderá. En el contexto de la cosmología, esto significa que las estrellas morirán y su energía se irradiará. En esta «muerte por calor», el universo se convierte en una sopa estática de energía cero casi absoluta. El universo en su conjunto alcanza un estado de equilibrio térmico, lo que significa que nada interesante puede suceder en realidad. Una versión con ligeras diferencias al gran modelo de congelación se basa en el descubrimiento más reciente de la energía oscura. En este caso, la gravedad repulsiva de la energía oscura hará que los cúmulos de una galaxia se separen unos de otros, mientras que, en menor escala, esos cúmulos se juntarán, formando una gran galaxia. Con el tiempo, el universo estará poblado de grandes galaxias que estarán separadas por enormes distancias. Las galaxias se volverán inhóspitas para la vida, y las otras galaxias estarán demasiado lejos como para verlas. Esta variante, a veces llamada «muerte fría», es otra forma en la que el universo podría terminar como un páramo helado (esta escala de tiempo es increíblemente vasta, y es probable que los humanos ni siquiera existan. Por lo tanto, no hay necesidad de entrar en pánico).

P á g i n a | 109

De punto a punto: la gran comprensión Un modelo para el futuro del universo es que la densidad de masa del universo es tan alta como para que la gravedad de atracción, en última instancia supere a la gravedad repulsiva de la energía oscura. En este modelo de gran comprensión, el universo se contrae de nuevo en un punto de masa microscópico. Esta idea de una gran comprensión fue popular cuando estaba en la escuela secundaria y leía ciencia ficción, pero con el descubrimiento de la energía oscura repulsiva, parece haber perdido el encanto. Debido a que los físicos observan el aumento de la tasa de expansión, es poco probable que haya suficiente materia para superarlo y volver a unir todo.

Un nuevo comienzo: el gran rebote El modelo ecpirótico (ver la sección anterior «Las branas alimentan un modelo cíclico del siglo XXI: el universo ecpirótico») retoma la gran comprensión, pero con un giro. Cuando ocurre el crujido, el universo vuelve a pasar por un período de gran explosión. Este no es el único modelo que permite un modelo cíclico de rebote tan grande. En el modelo ecpirótico, el universo pasa por una serie de big bangs, seguido de expansión y luego una gran contracción. El ciclo se repite una y otra vez, quizás sin principio ni fin. Los modelos cíclicos del universo no son originales, y se remontan no solo a la física de la década de 1930, sino también a las religiones, como algunas interpretaciones del hinduismo. Resulta que el principal competidor de la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles, también puede representar una idea de rebote. El método de la gravedad cuántica del bucle es cuantificar (dividir en unidades discretas) el espacio tiempo, y esto evita una singularidad en la formación del universo, lo que significa que es posible que el tiempo se extienda antes del momento del big bang. En tal imagen, es probable un gran escenario de rebote.

P á g i n a | 110

Exploración de un universo con ajuste fino Durante años, un problema importante en la cosmología ha sido el aparente ajuste fino visto en nuestro universo. El universo parece diseñado, de un modo especial, para permitir la vida. Una de las principales explicaciones para esto es el principio antrópico, que muchos teóricos de cuerdas han comenzado a adoptar en los últimos tiempos. Muchos físicos aún sienten que el principio antrópico es un pobre sustituto de una explicación de por qué estas propiedades físicas deben tener los valores que tienen. Para un físico, el universo parece hecho para la creación de la vida. El astrónomo británico Royal Martin Rees iluminó con claridad esta situación en su libro de 1999 Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe. En este libro, Rees señala que hay muchos valores (la intensidad de la energía oscura, la gravedad, las fuerzas electromagnéticas, las energías de unión atómica, por nombrar solo algunos) que, de ser diferentes, incluso en una cantidad en extremo pequeña, darían como resultado un universo inhóspito para la vida tal como la conocemos (en algunos casos, el universo se habría derrumbado apenas instantes después de la creación, dando como resultado un universo inhóspito para cualquier forma de vida). El objetivo de la ciencia siempre ha sido explicar por qué la naturaleza debe tener estos valores. Einstein planteó esta idea alguna vez por la famosa pregunta: «¿Dios tuvo la opción de crear el universo?»

Los puntos de vista religiosos de Einstein son complejos, pero lo que quiso decir con esta pregunta en realidad no era tanto religioso como científico. En otras palabras, se preguntaba si había una razón fundamental, enterrada en las leyes de la naturaleza, por la cual el universo resultó de la manera en que lo hizo. Durante años, los científicos intentaron explicar la forma en que funcionaba el universo en términos de principios fundamentales que dictan la forma en que se ha formado el universo. Sin embargo, con la teoría de cuerdas (y la inflación eterna), ese mismo proceso ha dado como resultado respuestas que implican la existencia de una gran

P á g i n a | 111 cantidad de universos y una gran cantidad de leyes científicas, que podrían aplicarse en esos universos. El mayor éxito del principio antrópico es que proporcionó una de las únicas predicciones para una constante cosmológica pequeña, pero positiva, antes del descubrimiento de la energía oscura. Esto fue presentado en el libro de 1986 The Anthropic Cosmological Principle de John D. Barrow y Frank J. Tipler, cuando los cosmólogos en la década de 1980 parecían tener al menos una mente abierta sobre la posibilidad de utilizar el razonamiento antrópico. El premio Nobel Steven Weinberg defendió el razonamiento antrópico en 1987. Al analizar los detalles de cómo se formó el universo, se dio cuenta de dos cosas: Si la constante cosmológica fuera negativa, el universo colapsaría de manera muy rápida. Si la constante cosmológica fuera un poco más grande que el valor posible experimental, la materia se habría separado demasiado rápido para que se formaran las galaxias. En otras palabras, Weinberg se dio cuenta de que si los científicos basaban su análisis en lo que se requería para hacer posible la vida, entonces la constante cosmológica no podía ser negativa y tenía que ser muy pequeña. No había razón, en su análisis, para que fuera cero exacto. Un poco más de una década después, los astrónomos descubrieron la energía oscura, que se ajustaba a la constante cosmológica justo en el rango especificado por Weinberg. Martin Rees apeló a este tipo de descubrimiento en su explicación de cómo las leyes de nuestro universo terminan con valores con un ajuste tan fino, incluida la constante cosmológica. Sin embargo, puede preguntarse si existe algo antrópico sobre el razonamiento de Weinberg. Solo se tiene que mirar alrededor para darse cuenta de que el universo no colapsó y que las galaxias pudieron formarse. Parece que este argumento podría hacerse solo por observación.

P á g i n a | 112 El problema es que los físicos no solo buscan determinar las propiedades de nuestro universo, sino también explicarlas. Usar este razonamiento para explicar el estado especial de nuestro universo (es decir, con la posibilidad de albergarnos) requiere algo muy importante: una gran cantidad de otros universos, la mayoría de los cuales tienen propiedades que los hacen bastante diferentes de nosotros. Para una analogía, considere que está conduciendo y se desinfla una rueda. Si usted fuera la única persona que alguna vez pinchó una rueda, podría sentirse tentado a explicar la razón por la cual usted, de todos los habitantes del planeta, fue el que la pinchó. Sabiendo que muchas personas pinchan los neumáticos todos los días, no se necesita ninguna explicación adicional: resulta que estuvo en uno de los muchos autos que se pinchan. Si solo hay un universo, tener los números afinados que Rees y otros notan es un giro milagroso y afortunado. Si hay miles de millones de universos, cada uno con leyes aleatorias de cientos de miles de millones (o más) posibles leyes del escenario de la teoría de cuerdas, de vez en cuando se creará un universo como el nuestro. No se necesita más explicación.

El problema con el principio antrópico es que tiende a ser el último recurso para los físicos. Los científicos solo recurren al principio antrópico cuando los métodos de argumentos más convencionales les han fallado, y en el momento en que pueden encontrar una explicación diferente, la abandonan. Esto no implica que los científicos que aplican el principio antrópico no sean sinceros. Quienes lo adoptan parecen creer que el vasto panorama de la teoría de cuerdas, realizado en un multiverso de universos posibles, puede usarse para explicar las propiedades de nuestro universo.