¿Qué pasa con la Física Teórica? (III)

Recordemos que Albert Einstein, autor de le relatividad general y estudioso del universo a gran escala, fallecía en 1955. Max Plank, el fundador de la teoría cuántica o de partículas subatómicas, lo hacía en 1947. Posteriormente, los físicos teóricos y de partículas que les sucedieron como Freeeman John Dyson o Richard Feynman, fueron capaces de profundizar en ambas teorías y combinarlas y descubrir el neutrón y el neutrino y gran número de partículas elementales como el gravitón.

Concretamente centraron sus investigaciones en la llamada “teoría de la electrodinámica cuántica” o como Feynman titularía en uno de sus libros Cuando un fotón conoce a un electrón, consistente en la unificación de la teoría del electromagnetismo del escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), autor de la teoría de la radiación electromagnética que unificaba por vez primera la electricidad, la luz y el magnetismo como parte de un mismo fenómeno. Y como no era mi intención profundizar en un terreno tan difícil y escabroso, doy por terminada mi disertación sobre un punto de partida que he considerado importante para quien desee adentrarse en este apasionante tema y me centraré en los aspectos fundamentales de la cuestión.

Así las cosas, la electrodinámica cuántica usó a la teoría de campos citada para encontrar una aproximación a la tan buscada teoría unificada del todo que en un principio parecía fácil de ajustar; pero no fue así pues no había manera de armonizar la gravedad del espacio curvo que explicara, al mismo tiempo, la relatividad y el diminuto mundo de partículas. O dicho con palabras más sencillas: la teoría cuántica involucraba a tres fuerzas, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y débil. Ahora hacía falta implicar a una cuarta fuerza que sería la gravedad, pero no la gravedad de Newton de un espacio-tiempo inamovible, sino la “gravedad” de Einstein con un espacio interestelar que no para de crecer. Sin embargo, algunos grandes físicos entre los que destaca la poderosa figura del físico teórico estadunidense Richard Feynman estaban convencidos de que conseguir esa unificación era cuestión de algunos años, pero se equivocaron y, todavía en el año 1984 Feynman estaba estudiando el gran problema de la gravedad. Para Newton el efecto gravitatorio era instantáneo y cualquier movimiento de una masa produciría de inmediato el efecto gravitatorio correspondiente hasta un infinito de veces, pero Einstein había demostrado que resulta imposible superar la velocidad de la luz o lo que es lo mismo, pasar de 300.000 Km/s. A partir de esa situación la nueva ley de gravitación donde cualquier cosa que tenga energía tiene masa susceptible de ser atraída de forma gravitacional, incluso la luz, que aparentemente no tiene masa, es atraída cuando pasa cerca de un astro. Por ejemplo, cuando un haz de luz pasa cerca del Sol, no sigue su camino en línea recta, sino que es desviado por la fuerza gravitacional de este y eso ha podido ser demostrado en los eclipses de sol.

No obstante lo anterior, el genial físico norteamericano llego a demostrar que en situaciones muy tranquilas de las partículas, la gravitación cuántica sería posible, pues la materia a escala mínima está controlada y dirigida por unas pequeñas partículas llamadas bosones que actúan de intermediarias en la producción de las fuerzas que mantienen unidos los protones y neutrones y  gracias a sus trabajos en la electrodinámica cuántica obtuvo el premio Nobel de física en el año 1965, al desarrollar la idea de que las partículas cargadas interactúan mediante la emisión y absorción de fotones que son los encargados de transmitir las fuerzas electromagnéticas. Por ejemplo, el fotón para el electromagnetismo, el bosón W Y Z para la fuerza nuclear débil y el gluon para la fuerza nuclear fuerte; por lo tanto, Richard Feynman pensó que, si encontraba un nuevo bosón para que interactuara en la fuerza de gravedad, el problema de la gravedad en la teoría de la relatividad estaría resuelta y la “teoría unificada” habría sido una realidad. El bosón hallado por el gran físico, por medio de complicadas ecuaciones, fue el gravitón capaz de cumplir la función de interactuar en la fuerza de gravedad, por más que fue imposible identificarlo por medios físicos, aunque sí por medio de matemáticas avanzadas. Además, el gravitón cumplía con las expectativas de interactuar con la fuerza de gravedad en situaciones elementales de colisiones bajas y tiempo infinitesimal pues en cuanto la interacción aumentaba de intensidad o tiempo de exposición, los cálculos empezaban a dar resultados de “infinitos”, lo que invalidaba las correspondientes ecuaciones y su posterior desarrollo.

Sombra de Clío

En suma, la fuerza de gravedad o mejor de aceleración de Einstein, que había sido verificada físicamente, no era apta para ser considerada la cuarta fuerza que precisaba la teoría del todo, y por lo tanto, en aquel momento se deberían elegir dos posibles caminos: la teoría de cuerdas o supercuerdas y la gravedad cuántica de bucles. En el primer caso, las partículas se sustituyen por hilos vibratorios o cuerdas que solo se diferenciarían por su forma de vibrar y muy pequeñas donde los bosones interactuarían con los fotones, de forma que la gravedad de Einstein quedaría incluida en esa teoría aunque con dos problemas: en primer lugar esa teoría no se ha podido experimentar, se trata de un marco teórico donde la premisa principal es que todo está hecho de pequeñas cuerdas que en algunos casos pueden cerrarse por sí mismas o tener cabos sueltos, pudiendo vibrar, estirarse, unirse o dividirse para producir todos los fenómenos observables de la naturaleza como puede ser la materia y el espacio-tiempo; en segundo lugar, la mayoría de teorías de cuerdas y supercuerdas solo se pueden entender en un espacio mínimo de 10 ó 11 dimensiones para que la gravedad se comporte adecuadamente lo que dificulta su aceptación. Por otro lado, la gravedad cuántica de bucles o lazos no se ciñe a estudiar la materia del espacio-tiempo, sino, que se ocupa de hacerlo a través de las propiedades mismas de ese espacio-tiempo al que considera como una gran red pixelada o cuantizada, no continua, con una distancia entre cada pixel o bucles y donde el spin es la unidad más pequeña a partir de cuya red de spin que sería el mismísimo espacio-tiempo y a partir de ahí la gravedad quedaría perfectamente ubicada en la teoría unificada del todo, donde la explicación sería plausible sino fuera por la sencilla razón de que, al igual que con la teoría de cuerdas, nada se ha podido demostrar física o fehacientemente.

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Sin embargo, lo que quedó muy claro para los físicos teóricos a partir de la segunda mitad del siglo XX es que, principalmente, las teorías de cuerdas o supercuerdas explicaban adecuadamente el universo, aunque fuera de forma teórica y en pleno siglo XXI muchos piensan que con la ayuda de potentes ordenadores, algún día se habrá conseguido la tan deseada teoría unificada pese al recelo de algunos como Lee Smolin que está convencido de que quizás estamos en presencia de una huida hacia delante de la física teórica por el camino más fácil, ya que esta teoría permite explicarlo casi todo pues cuando un científico de la materia encontraba un problema o fenómeno inexplicable, a través de dicha teoría siempre encontraba una explicación por medio de la matemática de probabilidades, eso sí, en situaciones de dimensiones de espacio muy superiores a las tres conocidas más la cuarta correspondiente al tiempo.

Llegados a este punto, muchos se preguntarán el porqué  no se reformula la teoría de la relatividad y se vuelve a considerar la fuerza de gravedad como la había concebido Newton en un espacio-tiempo estático. La respuesta es obvia: todavía nadie ha sido capaz de falsear la teoría de Einstein, o sea, encontrar un solo fenómeno que contradiga la teoría como explicaba el filósofo austriaco Karl Popper (1902-1994), máxima autoridad al afirmar que, una teoría científica puede ser aceptada por la comunidad científica, aunque no pueda ser probada en su conjunto, siempre que no haya un solo motivo que demuestre su falsedad. Por lo tanto, la teoría de la relatividad general demuestra que el espacio no es estático sino dinámico y además evoluciona en el tiempo. Se trata, por lo tanto, de un descubrimiento fundamental imposible de revocar hasta el momento y, por consiguiente, cualquier teoría nueva debe incorporarlo.

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En esa situación, en ese callejón, solo había dos posibilidades: la primera que apareciera alguna mente privilegiada e ingeniosa que fuera capaz de reformular la teoría de la relatividad, como ya hemos comentado, o encontrar un nuevo camino, una nueva teoría unificadora del universo macro y el de ínfimas partículas. Así que, por las circunstancias expuestas con anterioridad, la mayoría de tesis de los físicos teóricos se inclinaron por seguir profundizando en la teoría de cuerdas hasta que en el año 2012 el premio Nobel de Física recae en dos pioneros de la física cuántica y de la interacción entre la luz y la materia, Serge Haroche y David J. Wineland por el descubrimiento de ciertas técnicas experimentales capaces de conseguir captar las propiedades de algunas partículas como átomos, iones y moléculas sin perturbar o modificar dichas propiedades, caballo de batalla de la física de la segunda mitad del siglo XX y principios del XXI, pues una de las propiedades de la mecánica cuántica es que la ínfimas partículas que componen la materia es que actúan como si estuvieran simultáneamente en dos sitios distintos como si estuvieran superpuestas. Por consiguiente, si esas partículas pueden estar en una superposición de ellas, significa que pueden hacer dos cosas distintas a la vez. El método de Serge Haroche fue capaz de medir mediante iones el estado cuántico de fotones atrapados en una cavidad o de forma más clara: controlar los fotones previamente capturados en una cavidad de espejos superconductores en cuyas paredes rebotan durante una décima de segundo, antes de desaparecer absorbidos. David Wineland utilizó un medio parecido para obtener un resultado similar que llamó “la trampa de iones”

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A partir de ese momento, la mecánica cuántica quedaba abierta para aceptar nuevas técnicas que fueran capaces de conseguir medir los movimientos y fuerzas de los bosones básicos como fotones o gravitones, aunque para ello fuera necesario fabricar nuevas computadoras llamadas cuánticas que operen usando las matemáticas más avanzadas que realicen cálculos complejos que permitan examinar, controlar y contabilizar esas partículas; pues los ordenadores actuales realizan operaciones siguiendo una lógica secuencial, cuando dichos ordenadores o sus sustitutos deberían ser capaces de realizar operaciones en paralelo. Digamos que, en los ordenadores clásicos, un bit de información toma el valor de 1 ó 0, en cambio en un ordenador cuántico, el bit de información puede ser 1 y 0 al mismo tiempo lo que permite realizar infinidad de operaciones cuánticas. Así pues, los ordenadores clásicos funcionan con bits o una corriente de pulsos eléctricos que representan unos y ceros del sistema binario, en cambio los ordenadores cuánticos funcionan con qubits o partículas subatómicas, por ejemplo, electrones o fotones; y una de sus aplicaciones futuras más importante sería averiguar el estado y comportamiento de la materia a nivel molecular, ahora bien la fabricación en vez de artilugios de este nivel es muy difícil y costosa, de forma que a día de hoy, solo se tienen noticias de que existan dos modelos: uno fabricado por IBM y el otro por GOOGLE que, probablemente, precisarán muchos años antes de ser viables para ayudar a la mecánica cuántica a encontrar una teoría unificada del mundo, si antes los físicos teóricos no son capaces de reformular la teoría de la relatividad o encontrar una nueva teoría que explique con nitidez y al mismo tiempo, el universo de las grandes dimensiones y el de partículas subatómicas.

ALBERTO VÁZQUEZ BRAGADO

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Alberto Vázquez Bragado. Residente en Barcelona. Licenciado en historia, UB 2007; Máster en Historia de la ciencia, UAB 2008; estudios de literatura, UB 2015.
Puedes seguir a Alberto Vázquez Bragado en Twitter como @BragVazquez

 

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