El universo dejó de ser indivisible cuando los quarks y neutrinos entraron al juego. La física cuántica cambió todo
Enrique Mijares / Cazadores de estrellas
Tal parece que, a pesar de todo el avance que hemos tenido en el último siglo, estamos exactamente a la misma distancia de la solución que cuando comenzamos.
“Me parece lindo explorar lo simbólico y cotidiano de las cuerdas, desde lo literal hasta lo metafórico: lazos, vínculos, tensiones. Me resulta hasta poético. Al final, todas las cuerdas se aflojan o se cortan, pero mientras duren, sostienen lo que somos: recuerdos al sol, vínculos al viento, historias que se tienden sin miedo a caer...” L.M.
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Nuestro conocimiento del universo y de la materia que lo compone (incluyéndonos) cambió a pasos agigantados en el último siglo. Pasamos de tener átomos indivisibles a modelos en los que un núcleo atómico estaba compuesto por protones y neutrones, y a su alrededor giraban electrones. Con el nacimiento de la física cuántica a finales del siglo XIX, gracias a Max Planck y la ampliación de sus ideas por Albert Einstein en 1905, nos zambullimos en un mundo cuyo descubrimiento más reciente se dio en 2012 con el bosón de Higgs. Este último hallazgo “completaba” el Modelo Estándar de la física de partículas (ME de ahora en adelante) con un “pequeño” detalle...
El ME define todas aquellas partículas que componen la materia tal y como la conocemos (los fermiones). Por ejemplo, descubrimos que los protones y neutrones están compuestos de partículas más elementales llamadas quarks, o que también existen otras partículas llamadas neutrinos, entre algunas más. El modelo también identifica a las partículas portadoras de fuerzas (bosones). Aquí es donde las cosas se empiezan a poner un poco raras: hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la gravedad.
Sabemos que los fotones son los responsables de la transportación de la energía y que el magnetismo es una manifestación de una corriente eléctrica. Los gluones son los responsables de la fuerza nuclear fuerte, lo que hace que los protones en el núcleo atómico no se repelan entre sí, aun teniendo la misma carga eléctrica. Los bosones Z y W son los que se encargan de la fuerza nuclear débil, aquella que permite la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas (iniciando el proceso de fisión nuclear).
Finalmente, la gravedad. Es aquí donde se encuentra el mayor problema de la física moderna: la unión de la teoría de la relatividad de Einstein con el ME que determina el funcionamiento de las partículas subatómicas. Hasta hoy, no se ha descubierto la partícula (bosón) responsable de la portación de la gravedad a nivel cuántico. Se manejan hipótesis sobre una cierta partícula llamada “gravitón“, pero no la hemos encontrado todavía.
Fue entonces que, a finales de la década de los 60 del siglo pasado, un físico llamado Leonard Susskind planteó que las partículas subatómicas, en realidad, son diminutos filamentos que vibran, a los que llamó “cuerdas” (por la similitud a las cuerdas de un instrumento musical). A su propuesta se unieron Holger Nielsen (de la Universidad de Copenhague) y el estadounidense de origen japonés Yoichiro Nambu, quienes desarrollaron la ecuación de una cuerda vibrante.
Su estudio decía que, de acuerdo a la vibración de esas “cuerdas”, la materia se constituía en sus diferentes formas y propiedades. Las matemáticas que Nielsen y Nambu desarrollaron apoyaban sus conjeturas, explicando a escala cuántica tres de las cuatro fuerzas fundamentales: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. ¡Pero esto ya lo incluía el ME! Faltaba la gravedad una vez más.
Más adelante, Joel Scherk y John Schwarz (1974) demostraron que una cuerda cerrada puede explicar el origen cuántico de la gravedad. Los cuerpos con masa expulsarían anillos vibrantes que se entrelazarían entre ellos, explicando la gravedad. ¡Todo estaba perfecto! Las matemáticas decían que esto era posible y la teoría reducía todas aquellas partículas del ME a un solo elemento fundamental: la cuerda. Pero de nuevo, cuando parece que todo está resuelto, aparece un detalle más: para que esto fuera posible, estas cuerdas deberían vibrar no en las tres dimensiones espaciales que conocemos, sino en nueve. Así que deberíamos tener una dimensión temporal, tres dimensiones espaciales ordinarias (que conocemos y que podemos percibir) y seis dimensiones compactadas e inobservables que estarían “enrolladas” a un nivel cuántico, a escala de Planck (la escala por debajo de la cual se espera que el espacio deje de tener una geometría clásica).
Un punto que se puede considerar débil o tal vez solo “flexible” es el hecho de que la constitución de sus elementos puede ser con cuerdas abiertas o cerradas, que vibran de derecha a izquierda o en sentido inverso, etc., lo que da origen a varias teorías de cuerdas (5 en total). Y cuando todo parece irse abajo de nuevo, aparece Edward Witten, quien demostró que las cinco versiones de la teoría eran sencillamente los límites de una teoría mayor, con 11 dimensiones: la teoría M, de la que no sabemos mucho y está aún incompleta.
Posiblemente, la situación más compleja para la teoría y por la que muchos científicos la consideran inviable, es que las dimensiones extra y las diferentes formas en que pueden “enrollarse” entre ellas, da como resultado 10500 posibilidades. Encontrar en cuál de esas posibilidades se desenvuelve nuestro universo sería prácticamente imposible. Una solución propuesta dice que lo probable es que no se diera solo una de estas combinaciones, sino todas a la vez, lo que nos lleva a abrir hilo para otro tema: el multiuniverso. Un número casi infinito de universos diferentes entre sí y con sus propias leyes.
