ATADO CON CUERDAS

Hablar de una ocultación sería quizá demasiado drástico, pero, durante más de medio siglo -incluso en el preciso momento de alcanzar algunos de los mayores logros científicos de la historia- los físicos han sido conscientes con toda tranquilidad de la existencia de una oscura nube que surgía amenazadora en un horizonte lejano. El problema es el siguiente: existen dos pilares fundamentales en los que se apoya la física moderna. 

Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que proporciona un marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo. El otro pilar es la mecánica cuántica, que ofrece un marco teórico para la comprensión del universo a escalas mínimas: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y los quarks. A lo largo de años de investigación, los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la práctica totalidad de las predicciones que hace cada una de estas teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos conducen a otra conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez. Las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante los últimos cien años -unos avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia- son mutuamente incompatibles.

Si usted nunca ha oído previamente hablar de este feroz antagonismo, puede estar preguntándose por qué se produce. No es difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como las estrellas y las galaxias), pero no ambas a la vez. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o sólo la relatividad general, y pueden minimizar, con una mirada furtiva, la vociferante advertencia que les lanza la teoría que no están utilizando. Durante cincuenta años este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

No obstante, el universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una enorme masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del big bang, la totalidad del universo salió en erupción de una pepita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general. Por ciertas razones que se irán aclarando cada vez más a medida que avancemos, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y a tener escapes de vapor como un automóvil viejo. Por decirlo menos figurativamente, hay en la física preguntas bien planteadas que ocasionan respuestas sin sentido a partir de la desafortunada amalgama de las dos teorías. Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión. ¿Puede ser realmente que el universo en su nivel más importante esté dividido, requiriendo un conjunto de leyes cuando las cosas son grandes, y otro conjunto diferente e incompatible cuando son pequeñas?

La teoría de las supercuerdas, una advenediza en comparación con los venerables edificios de la mecánica cuántica y la relatividad general, responde con un rotundo no. Una intensa investigación llevada a cabo durante la última década por físicos y matemáticos de todo el mundo ha revelado que este nuevo planteamiento, encaminado a explicar la materia en su nivel más básico, resuelve la tensión existente entre la relatividad general y la mecánica cuántica. De hecho, la teoría de las supercuerdas muestra aún más: dentro de este nuevo marco, la relatividad general y la mecánica cuántica se necesitan la una a la otra para que esta teoría tenga sentido. Según la teoría de las supercuerdas, el matrimonio entre las leyes de lo grande y las de lo pequeño no sólo es feliz, sino inevitable.

Esto es sólo una parte de las buenas noticias: porque, además, la teoría de las supercuerdas -abreviadamente, teoría de cuerdas- hace que esta unión avance dando un paso de gigante. Durante tres décadas, Einstein estuvo buscando una teoría unificada de la física, una teoría que entretejiera todas las fuerzas y todos los constituyentes materiales de la naturaleza dentro de un único tapiz teórico. Einstein no lo consiguió. Ahora, iniciado el nuevo milenio, los partidarios de la teoría de cuerdas anuncian que finalmente han salido a la luz los hilos de este escurridizo tapiz unificado. La teoría de cuerdas posee ‘el potencial de mostrar que todos los sorprendentes sucesos que se producen en el universo -desde la frenética danza de esas partículas subatómicas llamadas quarks, hasta el majestuoso vals de las estrellas binarias en sus órbitas; desde la bola de fuego inicial del big bang, hasta los elegantes remolinos de las galaxias celestes- son reflejos de un gran principio físico, de una ecuación magistral.

Dado que estas características de la teoría de cuerdas exigen que cambiemos drásticamente nuestra manera de entender el espacio, el tiempo y la materia, llevará cierto tiempo que nos adaptemos a ella hasta instalarnos en un nivel en el que resulte cómodo manejarla. No obstante, como se verá más adelante, vista en su propio contexto, la teoría de cuerdas emerge como un producto impresionante, pero natural, a partir de los descubrimientos revolucionarios que ha realizado la física durante los últimos cien años. De hecho, veremos que el conflicto existente entre la relatividad general y la mecánica cuántica no es realmente el primero, sino el tercero en una serie de conflictos decisivos con los que se tuvieron que enfrentar los científicos durante el siglo pasado, y que se han resuelto como consecuencia de una revisión radical de nuestro modo de comprender el universo

2.- LOS TRES CONFLICTOS

El primero de estos conflictos, que ya se había detectado nada menos que a finales del siglo XIX, se refiere a las desconcertantes propiedades del movimiento de la luz. Dicho resumidamente, según las leyes del movimiento de Isaac Newton, si alguien pudiera correr a una velocidad suficientemente rápida podría emparejarse con un rayo de luz que se esté emitiendo, mientras que, según las leyes del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, esto es imposible. Como veremos en el capítulo 2, Einstein resolvió este conflicto mediante su teoría de la relatividad especial y así le dio un vuelco completo a nuestro modo de entender el espacio y el tiempo. Según la relatividad especial, ya no se puede considerar al espacio y al tiempo como conceptos universales grabados en piedra y percibidos de forma idéntica por todos los individuos. El espacio y el tiempo surgieron, a partir de la reelaboración llevada a cabo por Einstein, como estructuras maleables cuya forma y modo de presentarse dependen del estado de movimiento del observador.
El desarrollo de la relatividad especial creó inmediatamente el escenario para el segundo conflicto. Una de las conclusiones del trabajo de Einstein es que ningún objeto –de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase- puede viajar a una velocidad mayor que la de la luz. Sin embargo, como comentaremos en el capítulo 3, la teoría universal de la gravedad de Newton, que experimentalmente funciona tan bien y es tan grata para la intuición, habla de influencias que se transmiten en el espacio a grandes distancias instantáneamente. De nuevo fue Einstein quien intervino en el conflicto y lo resolvió ofreciendo un nuevo concepto de la gravedad en su teoría general de la relatividad de 1915. Del mismo modo que la relatividad especial trastocó los conceptos previos de espacio y tiempo, lo hizo la relatividad general. No es sólo que el espacio y el tiempo estén influidos por el estado de movimiento del observador, sino que, además, pueden alabearse y curvarse en respuesta a la presencia de materia o energía. Tales distorsiones en la estructura del espacio y el tiempo, como veremos más adelante, transmiten la fuerza de la gravedad de un lugar a otro. Por consiguiente, no se puede ya pensar que el espacio y el tiempo sean un telón de fondo inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo; al contrario, según la relatividad especial y la relatividad general, son actores que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de dichos sucesos.
Una vez más el modelo se repite: el descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. A lo largo de tres décadas a partir de 1900, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica (que se discute en el capítulo 4) en respuesta a varios problemas evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico. Como hemos mencionado anteriormente, el tercer conflicto, el más trascendental, surge de la incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Como veremos en el capítulo 5, la forma geométrica ligeramente curvada del espacio, que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica. Dado que hasta mediados de la década de 1980 no se presenta la solución que ofrecía la teoría de cuerdas, a dicho conflicto se le llama con toda razón el problema central de la física moderna. Además, la teoría de cuerdas, que se construye sobre la relatividad general y la relatividad especial, exige también una seria renovación de nuestros conceptos de espacio y tiempo. Por ejemplo, la mayoría de nosotrosconsidera evidente que nuestro universo tenga tres dimensiones espaciales. Sin embargo, según la teoría de cuerdas esto no es así, ya que dicha teoría afirma que nuestro universo posee muchas más dimensiones que las que se perciben a simple vista -dimensiones que están arrolladas apretadamente dentro de la estructura plegada del cosmos-. Estas notables características de la naturaleza del espacio y el tiempo son tan esenciales que las utilizaremos como línea directriz en todo el libro de ahora en adelante. En realidad, la teoría de cuerdas es la historia del espacio y el tiempo desde Einstein.
Para valorar lo que es realmente la teoría de cuerdas, necesitamos retroceder un paso y describir brevemente lo que hemos aprendido durante el último siglo sobre la estructura microscópica del universo.

3.- El UNIVERSO MAS PEQUEÑO

Los antiguos griegos suponían que la materia del universo estaba formada por diminutos componentes «indivisibles» que ellos llamaban átomos. Del mismo modo que el número de palabras posibles en un lenguaje alfabético está formado por el gran número de combinaciones de una pequeña cantidad de letras, los griegos intuyeron que la amplia variedad de objetos materiales podría también resultar de combinaciones hechas mediante un pequeño número de bloques elementales distintos. Fue una intuición creciente. Más de dos mil años después seguimos creyendo que esto es cierto, aunque la identidad de las unidades más fundamentales ha sido sometida a numerosas revisiones. En el siglo XIX, los científicos demostraron que muchas sustancias corrientes, como el oxígeno y el carbono, tenían un componente mínimo reconocible; siguiendo la tradición establecida por los griegos, lo llamaron átomo.
El nombre permaneció, aunque la historia ha demostrado que era un nombre inapropiado, ya que los átomos son ciertamente «divisibles». A principios de la década de 1930, las obras colectivas de J. J. Thomson, Ernest Rutherford, Niels Bohr y James Chadwick habían establecido la estructura del sistema solar como un modelo atómico que nos resulta conocido a la mayoría de nosotros. Lejos de ser el material constitutivo más elemental, los átomos están formados por un núcleo que contiene protones y neutrones, rodeado por un enjambre de electrones que describen órbitas alrededor de él.
Durante cierto tiempo muchos físicos pensaron que los protones, los neutrones y los electrones eran los «átomos» griegos. Pero, en 1968, los científicos que realizaban experimentos en el Stanford Linear Accelerator Center, valiéndose de una capacidad tecnológica cada vez mayor para comprobar las profundidades microscópicas de la materia, descubrieron que los protones y los neutrones no eran las partículas fundamentales. Demostraron que cada una de ellas estaba constituida por tres partículas menores, llamadas quarks -un nombre caprichoso que aparece en un pasaje de Finnegan’s Wake de James Joyce y que fue adoptado por el físico teórico Murray Gell-Mann, quien previamente había intuido su existencia-. Los científicos que realizaron los experimentos confirmaron que los propios quarks existen en dos variedades, llamados, un poco menos creativamente, arriba (up) y abajo (down). Un protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo; un neutrón está formado por dos quarks abajo y un quark arriba.
Todo lo que vemos en la tierra y en el cielo resulta estar hecho de combinaciones de electrones, quarks arriba y quarks abajo. Ninguna evidencia experimental indica que alguna de estas tres partículas esté constituida por algo menor. Pero muchas pruebas indican que el propio universo posee otras partículas adicionales. A mediados de la década de 1950, Frederick Reines y Clyde Cowan encontraron pruebas experimentales concluyentes de la existencia de un cuarto tipo de partícula fundamental llamada neutrino, una partícula cuya existencia ya había predicho Wolfgang Pauli a principios de la década de 1930. Los neutrinos resultaron ser muy difíciles de encontrar porque son partículas fantasmas que rara vez interaccionan con otro tipo de materia: un neutrino dotado de una energía media puede atravesar fácilmente muchos miles de billones de kilómetros de
plomo sin que en su movimiento se produzca el más leve efecto. Esto puede tranquilizarle, ya que, mientras usted está leyendo esto, miles de millones de neutrinos lanzados al espacio por el Sol están atravesando su cuerpo y también la Tierra, como parte de su largo viaje a través del cosmos. A finales de la década de 1930, otra partícula llamada muón -idéntica a un electrón, salvo por ser 200 veces más pesada que éste- fue descubierta por unos físicos que estudiaban los rayos cósmicos (lluvias de partículas que bombardean la Tierra desde el espacio exterior). Dado que no había nada en el orden cósmico, ni tampoco un rompecabezas sin resolver, ni un nicho hecho a la medida que necesitara la existencia del muón, el físico de partículas galardonado con el premio Nobel, Isidor Isaac Rabi, saludó el descubrimiento del muón diciendo con muy poco entusiasmo «¿Quién había pedido esto?». Sin embargo, ahí estaba. Y aún vendría más.
Utilizando una tecnología todavía más poderosa, los físicos han continuado juntando a golpes trozos de materia con una energía cada vez mayor, recreando en cada instante unas condiciones que no se habían dado desde el big bang. En los escombros resultantes han buscado nuevos componentes fundamentales, para añadirlos a la lista, cada vez más larga, de partículas. He aquí lo que han hallado: cuatro quarks más, llamados encanto (charm), extraño (strange), fondo (bottom) y cima (top), y un pariente aún más pesado del electrón, al que se ha denominado tau, así como otras dos partículas con propiedades similares a las del neutrino, que se llaman neutrino del muón y neutrino del tau, para distinguirlas del neutrino original, que actualmente se denomina neutrino del electrón. Estas partículas se producen como resultado de colisiones a altas energías y tienen una existencia efímera; no son constituyentes que podamos percibir en nuestro entorno habitual. Sin embargo, tampoco acaba aquí la historia: Cada una de estas partículas tiene como pareja una antipartícula, es decir, una partícula de masa idéntica pero que es opuesta a ella en algunos otros aspectos, como, por ejemplo, su carga eléctrica (así como sus cargas en relación con otras fuerzas de las que hablaremos más adelante). Por ejemplo, la antipartícula de un electrón se llama positrón, y tiene exactamente la misma masa que un electrón, pero su carga eléctrica es +1, mientras que la carga eléctrica del electrón es -1. Cuando se ponen en contacto, la materia y la antimateria pueden aniquilarse mutuamente para producir energía pura; ésta es la razón por la cual la existencia de la antimateria en el mundo que nos rodea es extremadamente poco natural.
Los físicos han observado entre estas partículas una pauta que se refleja en la Tabla 1.1. Las partículas que constituyen la materia se clasifican en tres grupos que, a menudo, se denominan familias. Cada familia contiene dos quarks, un electrón o uno de sus parientes, y además una partícula de la especie de los neutrinos. El tipo de partícula correspondiente en las tres familias tiene propiedades idénticas, salvo en lo relativo a su masa, que se hace mayor a medida que pasamos de una familia a la siguiente. El resultado es que los físicos han comprobado ya la estructura de la materia hasta escalas de alrededor de una trillonésima de metro y han demostrado que todo lo que se ha encontrado hasta ahora -tanto si se encuentra en la naturaleza, como si se produce artificialmente en gigantescos aceleradores de partículas atómicas- consiste en una cierta combinación de partículas de estas tres familias y de sus parejas de antimateria.
Si echamos un vistazo a la Tabla 1.1, nos quedaremos, sin duda, con una fuerte sensación de perplejidad similar a la de Rabi cuando se descubrió el muón. El agrupamiento en familias produce al menos la impresión de algo ordenado, pero surgen innumerables preguntas que empiezan por ¿Por qué ... ?. ¿Por qué existen tantas partículas fundamentales, cuando parece que la gran mayoría de las cosas que se encuentran en el mundo que nos rodea sólo necesitan electrones, quarks arriba y quarks abajo? ¿Por qué hay tres familias? ¿Por qué no una familia o cuatro familias, o cualquier otro número? ¿Por qué tienen las partículas una variedad de masas aparentemente aleatoria? ¿Por qué, por ejemplo, el tau pesa alrededor de 3.520 veces lo que pesa un electrón? ¿Por qué el quark cima pesa cerca de 40.200 veces el peso de un quark arriba? Son unos números extraños, aparentemente aleatorios. ¿Son así por azar, por algún designio divino, o existe una explicación científica comprensible para estas características fundamentales de nuestro universo?