A vueltas con las Teorías… ¡El Universo y sus contenidos!

La Teoría M es una hipótesis que busca unificar las 5 teorías de cuerdas en una sola. Cuando sus problemas matemáticos se resuelvan, haría empíricamente posible la existencia de un Multiverso.

Año 1968. Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen y Yoichiro Nambu, tres físicos teóricos, marcan, quizás sin saberlo, un punto de inflexión en la historia no solo de la física, sino de la ciencia general. Establecen los principios de la famosa Teoría de Cuerdas.

 

 

La Teoría de Cuerdas nace por la necesidad de unificar dos mundos, el de la relatividad general y el de la mecánica cuántica, que, hasta ese momento, parecían totalmente inconexos. La mecánica cuántica era capaz de explicar el origen cuántico de la gravedad. Y esta Teoría de Cuerdas era capaz de hacerlo.

Reducir la naturaleza elemental del Universo a cuerdas unidimensionales que vibran en un espacio-tiempo de 10 dimensiones era no solo elegante, sino que permitía asentar las bases de la tan ansiada unificación de las leyes del Cosmos: la Teoría del Todo.

 

 

El problema es que, cuando se avanzó en esta teoría, nos dimos cuenta de que lo que creíamos que era una sola teoría, eran en realidad cinco marcos teóricos diferentes. Y en este contexto, nació, en 1995, la teoría más asombrosa de la historia y, seguramente, la más complicada de entender. La Teoría M. Prepárate para que te estalle la cabeza, porque hoy te vamos a explicar los fundamentos de la hipótesis que quiere unificar las cinco teorías de cuerdas en una sola.

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En el ranking de los científicos más importantes del mundo, elaborado en función del impacto de los artículos publicados por cada cual en las revistas científicas, los trabajos realizados y los libros, etc, que es un buen indicador de la carrera de cada uno, no parece haber ninguna duda en que Ed Witten, el físico-matemático estadounidense, tiene el número uno de esa lista, y muy destacado sobre el segundo. Aunque es Físico Teórico, en 1.990, la Unión Internacional de Matemáticos le concedió la Medalla Field, algo así como el primeo Nobel en matemáticas que no concede la Academia Sueca. Es la figura más destacada en el campo de las supercuerdas, un complicado entramado teórico que supera el gran contrasentido de que las dos vertientes más avanzadas de la física, la teoría relativista de la gravitación y la mecánica cuántica, sean incompatibles pese a que cada una por separado estén más que demostradas.

Ningún físico se siente cómodo con este divorcio recalcitrante, aunque no todos tienen la misma confianza en esta concepción de las supercuerdas, en que las partículas elementales (electrones, quarks, etc) son modos de vibración de cuerdas de tamaño inimaginablemente pequeño (10^-33 cm) que existen en universos con 11 dimensiones en lugar de las cuatro cotidianas, tres de espacio y una de tiempo de la teoría de A. Einstein. Las supercuerdas están en ebullición desde que hace unos veinte años Witten dio un fuerte tirón a toda la cuestión al sintetizar brillantemente ideas que estabas en el ambiente y que nadie había sido capaz de formular a plena satisfacción de todos, ya que, esta especialidad de supercuerdas y de las 11 dimensiones exige un nivel y una profundidad matemática que sólo está al alcance de unos pocos. Este trabajo de Witten desembocó en lo que hasta ahora todos denominan teoría M (Witten, como ya he comentado antes, se refería en su exposición de la nueva teoría – o mejor, nuevo planteamiento – a magia, misterio y matriz).

La teoría de supercuerdas tiene tantas sorpresas fantásticas que cualquiera que investigue en el tema reconoce que está llena de magia. Es algo que funciona con tanta belleza… Cuando cosas que no encajan juntas e incluso se repelen, si se acerca la una a la otra alguien es capaz de formular un camino mediante el cual, no sólo no se rechazan, sino que encajan a la perfección dentro de ese sistema, como ocurre ahora con la teoría M que acoge con naturalidad la teoría de la relatividad general y la teoría mecánico-cuántica; ahí, cuando eso se produce, está presente la belleza.

Lo que hace que la teoría de supercuerdas sea tan interesante es que el marco estándar mediante el cual conocemos la mayor parte de la física es la teoría cuántica y resulta que ella hace imposible la gravedad. La relatividad general de Einstein, que es el modelo de la gravedad, no funciona con la teoría cuántica. Sin embargo, las supercuerdas modifican la teoría cuántica estándar de tal manera que la gravedad no sólo se convierte en posible, sino que forma parte natural del sistema; es inevitable para que éste sea completo.

El modelo que tenemos de la física de partículas se llama Modelo Estándard y, nos habla de las interacciones entre partículas y las fuerzas o interacciones que están presentes, las leyes que rigen el Universo físico y que, no hemos podido completar al no poder incluir una de las fuerzas: La Gravedad. Claro que, no es esa la única carencia del Modelo, tiene algunas más y, a estas alturas, se va necesitando un nuevo Modelo, más completo y audaz, que incluya a todas las fuerzas y que no tenga parámetros aleatorios allí donde nuestros conocimientos no llegan.

Un sistema como el Modelo Estándar, que acoge todas las fuerzas de la naturaleza, dejando aparte la fuerza gravitatoria, no refleja la realidad de la naturaleza, está incompleto. Hace muchos años que la física persigue ese modelo, la llaman Teoría de Todo y debe explicar todas las fuerzas que interaccionan con las partículas subatómicas que conforman la materia y, en definitiva, el universo, su comienzo y su final, el hiperespacio y los universos paralelos. Esa es la teoría de supercuerdas.

Hace tiempo que los físicos tratan de mejorar el Modelo Estándar con otras teorías más avanzadas y modernas que puedan explicar la materia y el espacio-tiempo con mayor amplitud y, sobre todo, incluyendo la gravedad.

Como bien sabemos, las fuerzas fundamentales del Universo son cuatro: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la gravedad. La relatividad general de Einstein nos permite predecir a la perfección la naturaleza de dichas fuerzas a nivel macroscópico y hasta el atómico. Todas las fuerzas del Universo, siempre que no acudamos al nivel subatómico, se explican por las predicciones de la relatividad especial.

Pero, ¿Qué pasa cuando viajamos al nivel subatómico? Básicamente, que todo se desmorona. Al entrar al mundo cuántico, nos desplazamos a un nuevo mundo que no sigue las leyes físicas que conocemos. Un mundo que juega con sus propias reglas. Y entender estas reglas ha sido y es una de las mayores ambiciones de la Física.

                  Al entrar en el “mundo cuántico” las cosas familiares se disipan y desaparecen

En este contexto, la física cuántica teorizó la existencia de unas partículas subatómicas elementales que, en principio, explican la naturaleza cuántica de las fuerzas fundamentales del Universo. Y decimos “en principio” porque el modelo estándar de partículas subatómicas las explica casi todas. Pero hay una que falla: la gravedad.

¿Por qué es tan importante encajar la gravedad y la teoría cuántica? Porque no podemos admitir una teoría que explique las fuerzas de la naturaleza y deje fuera a una de esas fuerzas. Así ocurre con el Modelo Estándar que deja aparte y no incluye a la fuerza gravitatoria que está ahí, en la Naturaleza.

La teoría de supercuerdas se perfila como la teoría que tiene implicaciones si tratamos con las cosas muy pequeñas, en el microcosmos; toda la teoría de partículas elementales cambia con las supercuerdas que penetra mucho más; llega mucho más allá de lo que ahora es posible.

Hasta hoy, no se ha logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo consistente totalmente unificadora que incluya la gravedad. Se han dado grandes pasos, pero las brechas «científico-unificantes» siguen siendo amplias. El punto de partida ha sido siempre la teoría de la relatividad general y conceptos con ella relacionados, por la excelencia que manifiesta esa teoría para explicar la física gravitatoria de los grandes objetos. El problema que se presenta surge de la necesidad de modificar esta teoría sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo los problemas de la gravedad cuántica en distancias cortas y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza.

      Sí, hay que mantener una mente abierta… a lo que pueda llegar pero…

Más allá de lo que nos permiten captar nuestros sentidos físicos, hay que tener nuestra mente abierta a la posibilidad de que puedan existir otras realidades diferentes a lo que nos dicta nuestra experiencia, realidades capaces de ser descubiertas por la fuerza del intelecto cuando nos atrevemos a cuestionar aquello que creíamos como absoluto.

En cuanto a nuestra comprensión del universo a gran escala (galaxias, el Big Bang…), creo que afectará a nuestra idea presente, al esquema que hoy rige y, como la nueva teoría, el horizonte se ampliará enormemente; el cosmos se presentará ante nosotros como un todo, con un comienzo muy bien definido y un final muy bien determinado.

Para cuando eso llegue, sabremos lo que es, como se genera y dónde están situadas la esquiva materia oscura y energía invisible que sabemos que están ahí, pero no sabemos explicar ni el qué ni el por qué.

La Humanidad, aún en proceso de humanización, para su evolución necesita otro salto cuantitativo y cualitativo del conocimiento que les permita avanzar notablemente hacia el futuro. Ese avance está supeditado a que la teoría M, la versión más avanzada de supercuerdas, se haga realidad.

Todos los avances de la Humanidad han estado siempre cogidos de la mano de las matemáticas y de la física. Gracias a estas dos disciplinas del saber podemos vivir cómodamente en ciudades iluminadas en confortables viviendas. Sin Einstein, pongamos por ejemplo, no tendríamos láseres o máseres, pantallas de ordenadores y de TV, y estaríamos en la ignorancia sobre la curvatura del espacio-tiempo o sobre la posibilidad de ralentizar el tiempo si viajamos a gran velocidad; también estaríamos en la más completa ignorancia sobre el hecho cierto y demostrado de que masa y energía (E = mc²), son la misma cosa.

 

 

En realidad, en el CERN, se trabaja en algo más que en las partículas subatómicas y se buscan nuevas respuestas y remedios para paliar el dolor en el mundo. También, se ha contribuido de manera notable a las comunicaciones y, el mundo es tal como lo conocemos hoy gracias a Ingenios como el LHC que, por desconocimiento de muchos, en su momento, fue tan denostado, cuando gracias a ingenios de esa clase conocemos como funciona la Naturaleza y cómo es el mundo que nos rodea.

Es necesario continuar avanzando en el conocimiento de las cosas para hacer posible que, algún día, dominemos las energías de las estrellas, de los agujeros negros y de las galaxias. Ese dominio será el único camino para que la Humanidad que habita el planeta Tierra, pueda algún día, lejano en el futuro, escapar hacia las estrellas para instalarse en otros mundos lejanos. Ese es nuestro inevitable destino. Llegará ese irremediable suceso que convertirá nuestro Sol en una gigante roja, cuya órbita sobrepasará Mercurio, Venus y posiblemente el planeta Tierra. Pero antes, en el proceso, las temperaturas se incrementarán y los mares y océanos del planeta se reconvertirán en vapor. Toda la vida sobre el planeta será eliminada y para entonces, si queremos sobrevivir y preservar la especie, estaremos ya muy lejos, buscando nuevos mundos habitables en algunos casos, o instalados como colonizadores de otros planetas. Mientras tanto, el Sol habrá explotado en nova y se convertirá en una estrella enana blanca. Sus capas exteriores serán lanzadas al espacio estelar y el resto de la masa del Sol se contraerá sobre sí misma. La fuerza de gravedad reducirá más y más su diámetro, hasta dejarlo en unos pocos kilómetros, como una gran pelota de enorme densidad que poco a poco se enfriará.  Un cadáver estelar.

  

Un día lejano dentro de unos miles de millones de años, el Sol será una solitaria estrella enana blanca perdida entre las brumas de gases de una Nebulosa Planetaria que brillará durante cien millones de años.

Ese es el destino del Sol que ahora hace posible la vida en nuestro planeta, enviándonos su luz y su calor, sin los cuales, no podríamos sobrevivir. Para cuando eso llegue (faltan 4.000 millones de años), la Humanidad tendrá que contar con medios tan avanzados que ahora sólo podríamos imaginar. Las dificultades que habrá que vencer son muchas y, sobre todo, increíblemente difíciles de superar.

Ya hemos dado los primeros pasos y, nuestros ingenios espaciales tecnológicos y robotizados, han realizado para nosotros las tareas que, de momento, nos están vedadas pero, démosle tiempo al tiempo y, sin duda alguna, en ese futuro soñado, estaremos en las estrellas y en esos otros mundos que presentimos hermanos de la Tierra y que podrán acoger a la Humanidad que, dentro de otros cincuenta años, llegará a la cifra de 10.000 millones de seres y, nuestro planeta, no puede con todos. Mientras tanto, estamos creando ciudades del futuro con tecnologías que hasta hace muy poco tiempo nadie podía imaginar.

 

       Algunas Empresas Privadas están preparándose para no quedar atrás en la conquista del Espacio

Algunas Empresas multinacionales están trabajando en programas que van más allá de los avances actuales para revelar las tecnologías e inventos que nos permitirán ver a través de las paredes, viajar en el tiempo y en el espacio y colonizar planetas distantes. La tecnología inteligente que llevará ayudantes robóticos a los hogares, ciudades enteras inmersas en Internet, y sistemas de entretenimiento que harán los sueños realidad en virtual. Sí, virtual hoy pero… ¿Y mañana?

Los actuales ingenios quedarán antiguos y nuevos ingenios surcarán el Espacio Exterior en el futuro

            Naves interestelares que, tan grandes como ciudades surcaran las espacios

¿Cómo podremos evitar las radiaciones gamma y ultravioletas?

¿En qué clase de naves podremos escapar a esos mundos lejanos?

¿Seremos capaces de Burlar la barrera de la velocidad de la luz?

Naves del futuro y estaciones espaciales asombrosas. Se habrán descubierto nuevos materiales, también la Gravedad artificial, la radiación no entrará en el interior de las naves que, dotadas de laboratorios y escuelas surcarán los Espacios Interestelares hacia mundos lejanos.

Nuestros ingenios espaciales, nuestra naves hoy (estamos en la edad primitiva de los viajes espaciales), pueden alcanzar una velocidad máxima de 40 ó 50 mil kilómetros por hora y, además, la mayor parte de su carga es el combustible necesario para moverla.

La estrella más cercana al Sol es Alfa Centauro; un sistema triple, consistente en una binaria brillante y una enana roja débil a 2º, llamada Próxima Centauro. La binaria consiste en una enana G2 de amplitud -0’01 y una enana K1 de magnitud 1’3. Vistas a simple vista, aparecen como una única estrella y se encuentran a 4’3 años luz del Sol.

 

 “Gráfico comparativo del tamaño de varios objetos astronómicos dentro de la escala de un año luz. De izquierda a derecha, las nebulosas Ojo de Gato y Stingray y la nube molecular Barnard 68.” Estas son las distancias que nos impiden ese contacto y, si el Universo lo ha dispuesto así… ¡La Naturaleza es sabia! Por algo será.

Sabemos que 1 año luz es la distancia recorrida por la luz en un año trópico a través del espacio vacío, y equivale a 9’4607×10¹² km, ó 63.240 Unidades Astronómicas, ó 0’3066 parsecs.

La  Unidad Astronómica es la distancia que separa al planeta Tierra del Sol, y equivale a 150 millones de kilómetros; poco más de 8 minutos luz.

Ahora pensemos en la enormidad de la distancia que debemos recorrer para llegar a Alfa Centauri, nuestra estrella vecina más cercana.

 

63.240 Unidades Astronómicas a razón de 150 millones de km. Cada una nos dará 9.486.000.000.000 de kilómetros recorridos en un año y, hasta llegar a Alfa Centauro, lo multiplicamos por 4’3 y nos resultarían 40.789.800.000.000 de kilómetros hasta Alfa. La cantidad resultante son millones de kilómetros.

Ahora pensemos que con nuestras actuales naves que alcanzan velocidades de 50.000 km/h, tratáramos de llegar a Alfa Centauro. ¿Cuándo llegaríamos, en el supuesto caso de que no surgieran problemas durante el viaje?

Bueno, en estas condiciones, los viajeros que salieran de la Tierra junto con sus familias, tendrían que pasar el testigo a las siguientes generaciones que, con el paso del tiempo (muchos, muchos siglos), olvidarían su origen y, posiblemente, las condiciones de ingravidez del espacio mutarían el físico de estos seres en forma tal que, al llegar a su destino podrían ser cualquier cosa menos humanos. Precisamente para evitar este triste final, estamos investigando, haciendo pruebas en viajes espaciales, trabajando en nuevas tecnologías y probando con nuevos materiales, y buscando en nuevas teorías avanzadas, como la teoría M, las respuesta a preguntas que hacemos y de las que hoy no tenemos respuesta, y sin estas respuestas, no podemos continuar avanzando para que, cuando llegue ese lejano día, podamos con garantía salir hacia las estrellas, hacia esos otros mundos que acogerá a la Humanidad, cuyo destino, irremediablemente, está en las estrellas. De material de estrellas estamos hechos y en las estrellas está nuestro destino.

Si finalmente el destino del universo (supeditado a su densidad crítica), es el Big Crunch, entonces la Humanidad tendrá otro problema, este aún más gordo que el anterior, para resolver. Aunque parece que no habrá Big Crunch, según los últimos estudios nos dicen que el universo es plano y que estamos en el límite de la Densidad Crítica, con lo cual, el Universo tendrá una muerte térmica, es decir, el frío absoluto de los -273 ºC. Con esa temperatura, ni los átomos se mueven.

Muchos son los peligros que en el futuro nos acechan: La galaxia Andrómeda se nos viene encima y en unos miles de millones de años se fusionará con la Vía Láctea. Nuestro Sol tiene un tiempo de vida limitado, en cuanto agote el combustible nuclear de fusión, se convertirá en gigante roja, más tarde, creará una Nebulosa planetaria para quedarse como enana blanca. Por otra parte, hay estudios muy serios que dicen que la Tierra saldrá de la zona habitable que actualmente ocupa y, si eso pasa… ¡Acordémonos de Marte! ¿Qué fue lo que pasó allí, un planeta con atmósfera y océanos en el pasado.

Habrá que buscar soluciones para escapar de nuestro sistema solar, lo que en un futuro lejano, y teniendo encuentra que el avance tecnológico, es exponencial, parece que dicho problema puede tener una solución dentro de los límites que la lógica nos puede imponer. El segundo parece más serio, ¡escapar de nuestro universo! Pero… ¿a dónde podríamos escapar? Stephen Hawking y otros científicos nos hablan de la posibilidad de universos paralelos o múltiples; en unos puede haber condiciones para albergar la vida y en otros no. ¿Pero cómo sabremos que esos universos existen y cuál es el adecuado para nosotros? ¿Cómo podremos escapar de este universo para ir a ese otro?

No podemos ni escapar de nuestro propio sistema solar y ya pensamos en viajar a otro universo. ¡Como somos los Humanos!

Pensar en el futuro nos pone en un serio problema y hacemos preguntas que nadie puede contestar hoy. La Humanidad, para saber con certeza su futuro, tendrá que seguir trabajando y buscando nuevos conocimientos y, para dentro de unos milenios (si antes no se destruye a sí misma), seguramente, habrá obtenido algunas respuestas que contestarán esta difícil pregunta que, a comienzos del siglo XXI, nadie está capacitado para contestar.

Se puede sentir la fascinación causada por la observación de la belleza que encierra el universo, las muchas maravillas que contiene y que causa asombro cada día, aunque no se tenga preparación científica, pero el nivel de apreciación de la Naturaleza, la verdadera maravilla, vendrá de comprender mejor lo que estamos viendo, que es mucho más que grandes figuras luminosas y múltiples objetos brillantes, es… la evolución… la vida elevada al máximo nivel que se dará, cuando la mente se fusione con el universo mismo como un todo etéreo, cuando no necesitemos hacer preguntas y las respuestas esté en nosotros que, somos el universo.

emilio silvera