El universo elegante (4 page)

Ésta no es una pregunta ligada a una actitud de filosofar inútilmente sobre cuál sería la causa de que ciertos detalles resulten ser de un modo en vez de ser de otro; el universo sería un lugar sumamente diferente si las propiedades de la materia y de las partículas de fuerza sufrieran algún cambio, aunque éste fuera muy moderado. Por ejemplo, la existencia de núcleos estables que forman los alrededor de cien elementos de la tabla periódica depende directamente de la proporción entre las magnitudes de la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. Los protones que se apiñan juntos en los núcleos de los átomos se repelen todos ellos electromagnéticamente entre sí; la fuerza nuclear fuerte que actúa entre los quarks de que están formados, afortunadamente, logra vencer esta repulsión y ata los protones firmemente. Sin embargo, cualquier pequeño cambio en las intensidades relativas de estas dos fuerzas perturbaría fácilmente el equilibrio existente entre ellas y haría que se desintegraran la mayoría de los núcleos atómicos. Aún más, si la masa del electrón fuera unas pocas veces mayor de lo que es, los electrones y los protones tenderían a combinarse para formar neutrones, engullendo los núcleos de hidrógeno (el elemento más sencillo del cosmos, ya que su núcleo contiene un único protón) e impidiendo la producción de elementos más complejos. La existencia de las estrellas se basa en la fusión entre núcleos estables y no se formarían si se produjeran estas alteraciones en la física fundamental. La magnitud de la fuerza de la gravedad también desempeña un papel en la formación de las estrellas. La impresionante densidad de la materia en el núcleo central de una estrella potencia su horno nuclear y es la base de ese resplandor resultante, que es la luz estelar. Si la intensidad de la fuerza de la gravedad aumentara, la masa estelar se uniría con más fuerza, causando un incremento significativo en la velocidad de las reacciones nucleares. Pero, del mismo modo que una bengala resplandeciente agota su combustible mucho más rápido que una vela que arde lentamente, un incremento en la velocidad de las reacciones nucleares haría que estrellas como el Sol se quemaran mucho más rápidamente, lo cual tendría, como ya sabemos, un efecto devastador en la formación de seres vivos. Por otra parte, si disminuyera significativamente la intensidad de la fuerza de la gravedad, la materia no se uniría formando bloques, con lo que se impediría la formación de estrellas y galaxias.

Podríamos seguir enumerando casos de este tipo, pero la idea ya ha quedado clara: el universo es como es porque las partículas de la materia y de las fuerzas tienen las propiedades que tienen. Ahora bien, ¿es esto una explicación científica de
por qué
tienen estas propiedades?

La teoría de cuerdas ofrece un paradigma conceptual poderoso mediante el cual, por primera vez, ha surgido un marco en el que contestar a estas preguntas. En primer lugar, veamos cuál es el concepto básico.

Las partículas que aparecen en la Tabla 1.1 son las «letras» de todo tipo de materia. Igual que sus colegas lingüísticas, parecen no tener otras subestructuras internas. La teoría de cuerdas afirma otra cosa. Según esta teoría, si pudiéramos examinar estas partículas con una precisión aún mayor —una precisión que estuviera en muchos grados de magnitud más allá de nuestra capacidad tecnológica actual— descubriríamos que ninguna es como un punto, sino que cada una de ellas está formada por un diminuto
bucle
unidimensional. Cada partícula contiene un filamento que vibra, oscila y baila como un elástico de goma infinitamente delgado que los físicos han denominado
cuerda
, porque no tienen el talento literario de Gell-Mann. En la Figura 1.1 expresamos gráficamente este concepto esencial de la teoría de cuerdas, comenzando con un trozo de materia corriente, una manzana, y ampliando repetidas veces su estructura hasta poder ver los componentes que la forman a escalas cada vez menores. La teoría de cuerdas añade la nueva categoría microscópica del bucle vibrador, que continúa la progresión conocida con anterioridad, es decir, la que va desde los átomos, a través de los protones, neutrones, electrones y quarks.
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Figura 1.1
La materia está compuesta por átomos, que a su vez están hechos de quarks y electrones. Según la teoría de cuerdas, todas estas partículas son en realidad diminutos bucles de cuerda vibrante.

Aunque no es de ninguna manera obvio, veremos en el capítulo 6 que esta simple sustitución de los componentes materiales de la partícula puntual por cuerdas resuelve la incompatibilidad existente entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Así, la teoría de cuerdas desenmaraña el nudo gordiano central de la física teórica contemporánea. Esto es un logro enorme, pero sin embargo sólo es parte de la razón por la cual la teoría de cuerdas ha generado tanta expectación.

En la época de Einstein, no se habían descubierto aún la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, pero él opinaba que la existencia de dos fuerzas distintas —la de la gravedad y la electromagnética— era profundamente preocupante. Einstein no aceptaba que la naturaleza se basara en un modelo tan extravagante. Esta opinión puso en marcha su viaje de treinta años en búsqueda de la denominada
teoría de campo unificado
, de la cual esperaba como resultado la demostración de que estas dos fuerzas fueran en realidad manifestaciones de un único gran principio en el que ambas se basaran. Esta búsqueda quijotesca aisló a Einstein de la corriente principal de la física, que, comprensiblemente, estaba más interesada en profundizar en el marco de la mecánica cuántica, que había surgido recientemente. A principios de la década de 1940 escribía a un amigo: «Me he convertido en un tipo viejo y solitario que es conocido principalmente por no usar calcetines y al que se exhibe como una curiosidad en ocasiones especiales».
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Lo que sucedía era que Einstein, sencillamente, se anticipaba a su época. Más de un siglo después, su sueño de una teoría unificada se ha convertido en el Santo Grial de la física moderna. Una parte considerable de la comunidad física y matemática está cada vez más convencida de que la teoría de cuerdas puede proporcionamos la respuesta. A partir de un principio —en su nivel más microscópico, todo consiste en combinaciones de hilos vibradores— la teoría de cuerdas aporta un único marco explicativo capaz de abarcar todas las fuerzas y toda la materia.

La teoría de cuerdas afirma, por ejemplo, que las propiedades que se han observado en las partículas, los datos recogidos en las Tablas 1.1 y 1.2, son un reflejo de los distintos modos en que una cuerda puede vibrar. Del mismo modo que las cuerdas de un violín o de un piano tienen unas frecuencias de resonancia predilectas a la hora de vibrar —pautas que nuestros oídos perciben como las diversas notas musicales y sus armónicos más altos— así sucede con los bucles de la teoría de cuerdas. Sin embargo, ya veremos que, en vez de producir notas musicales, cada una de las pautas o modelos de vibración preferidos de una cuerda dentro de la teoría de cuerdas se presenta como una partícula cuyas cargas de fuerza y de masa están determinadas por el modelo de oscilación de la cuerda. El electrón es una cuerda que vibra de un modo, el quark alto es otra que vibra de otro modo, y así en general. Lejos de ser una colección de hechos experimentales, las propiedades de las partículas dentro de la teoría de cuerdas son la manifestación de una única característica física: los resonantes modelos de vibración —es decir, la música— de los bucles de cuerda fundamentales. La misma idea es asimismo aplicable a las fuerzas de la naturaleza. Veremos que las partículas de fuerza también están asociadas con modelos específicos de vibración de cuerdas y por tanto todo, toda la materia y todas las fuerzas, está unificado bajo la misma rúbrica de oscilaciones microscópicas de cuerdas, es decir, las «notas» que las cuerdas pueden producir.

En consecuencia, por primera vez en la historia de la física disponemos de un marco en el que se puede explicar cualquiera de las características fundamentales sobre las que está construido el universo. Por esta razón, se dice a veces sobre la teoría de cuerdas que puede ser la «teoría para todo»
theory of everything
: T.O.E. (Estas siglas se prestan a un juego de palabras en inglés, ya que
toe
significa «dedo del pie» o «punta del pie», es decir, lo último de una extremidad del cuerpo) o la teoría «última» o «final». Estas expresiones descriptivas grandiosas pretenden dar a entender que se trata de la más profunda de las teorías posibles dentro de la física —una teoría que es la base de todas las demás, que no requiere, o ni siquiera permite, una base explicativa más profunda—. En la práctica, muchos expertos en teoría de cuerdas adoptan un planteamiento más cercano a la realidad y piensan en una T.O.E. con el sentido más limitado de una teoría que pueda explicar las propiedades de las partículas fundamentales y las propiedades de las fuerzas mediante las cuales dichas partículas interaccionan unas con otras y ejercen influencias mutuas. Un reduccionista inquebrantable afirmaría que esto no es en absoluto una limitación y que, en principio, absolutamente todo, desde el
big bang
hasta las ensoñaciones, se puede describir en términos de procesos físicos microscópicos subyacentes en los que participan los componentes fundamentales de la materia. Si se comprende todo sobre los componentes, afirma el reduccionista, se comprende cualquier cosa.

La filosofía reduccionista suscita fácilmente un ardiente debate. Muchos piensan que es fatuo y totalmente repugnante afirmar que las maravillas de la vida y del universo sean meros reflejos de unas partículas microscópicas implicadas en una danza sin sentido totalmente coreografiada por las leyes de la física. ¿Es realmente posible que los sentimientos de alegría, pena o aburrimiento no sean más que unas reacciones químicas que tienen lugar en el cerebro, unas reacciones entre moléculas y átomos que, yendo a un nivel aún más microscópico, son reacciones entre algunas de las partículas que figuran en la Tabla 1.1, las cuales en realidad no son sino unas cuerdas vibrantes? En respuesta a esta línea de argumentación, veamos las advertencias del premio Nobel Steven Weinberg en
Dreams of a Final Theory
:

En el otro extremo del espectro se encuentran los contrarios al reduccionismo que están horrorizados por lo que consideran la frialdad de la ciencia moderna. En la medida en que ellos y su mundo puedan verse de alguna forma reducidos a una cuestión de partículas o campos y sus interacciones, sienten que esa forma de conocimiento les hace quedar disminuidos… No intentaría responder a esas críticas con un discurso enérgico sobre la belleza de la ciencia moderna. La manera de ver el mundo de un reduccionista
es
fría e impersonal. Ha de aceptarse tal como es, no porque nos guste, sino porque ése es el modo en que funciona el mundo.
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Algunos están de acuerdo con este tajante punto de vista, pero otros no.

Otros han intentado argumentar que planteamientos tales como la teoría del caos nos dicen que, a medida que el nivel de complejidad de un sistema aumenta, entran en juego nuevos tipos de leyes. Entender el comportamiento de un electrón o un quark es una cosa; utilizar este conocimiento para comprender el comportamiento de un tornado es otra muy diferente. La mayoría está de acuerdo con este aspecto. Sin embargo, las opiniones divergen con respecto a si los fenómenos diversos y a veces inesperados que pueden darse en sistemas más complejos que las partículas individuales son realmente representativos del funcionamiento de los nuevos principios físicos, o si los principios implicados son algo derivado y están basados, aunque sea de un modo terriblemente complicado, en los principios físicos que gobiernan el ingente número de componentes elementales. Mi opinión personal es que no representan ninguna ley física nueva e independiente. A pesar de que sería difícil explicar las propiedades de un tornado aplicando la física de los electrones y los quarks, creo que esto es una cuestión de dificultad en los cálculos, no un indicador de la necesidad de leyes físicas nuevas. Pero, insisto, hay algunos que no están de acuerdo con este punto de vista.

Lo que está en gran medida más allá de toda cuestión y es de primordial importancia para el viaje que se describe en este libro es que, incluso si se acepta el discutible razonamiento del reduccionista inquebrantable, los principios son una cosa y la práctica otra. Casi todo el mundo está de acuerdo en que el hallazgo de la T.O.E. no significaría de modo alguno que la psicología, la biología, la geología, la química, e incluso la física, hubieran resuelto sus problemas o, en cierto sentido, los hubieran incluido en un planteamiento especial. El universo es un lugar tan maravillosamente rico y complejo que el descubrimiento de la teoría final, en el sentido en que lo planteamos aquí, no supondría el fin de la ciencia. Más bien al contrario: el hallazgo de la T.O.E. —la explicación última del universo a su nivel más microscópico, una teoría que no estaría basada en ninguna explicación más profunda— nos aportaría el fundamento más firme sobre el que se podría
construir
nuestra comprensión del mundo. Su descubrimiento marcaría un principio, no un final. La teoría última proporcionaría para siempre un pilar inmutable de coherencia, garantizándonos que el universo es un lugar comprensible.