La teoría del todo, en busca de explicar el universo

Muchos físicos han intentado encontrar una teoría del todo. Una única teoría que permita explicar todo sobre nuestro universo. Desde los objetos más masivos hasta los más pequeños, desde las criaturas más simples a las mente más complejas.  Han sido muchos nombres ilustres los que lo han intentado y, por ahora, han fracasado: Albert Einstein, Stephen Hawking…

Una teoría del todo que explique la realidad

La teoría del todo, en busca de explicar el universo

En su escala más grande, el universo está compuesto por filamentos y vacíos.
Crédito: NASA

Encontrar una teoría del todo sería un logro alucinante. Nos permitiría comprender todo lo que podemos observar en el universo. Durante décadas, los físicos vienen diciendo que estamos a punto de dar con una. Por ahora no ha fructificado, y no parece que vaya a hacerlo pronto. Tampoco debería ser sorprendente. Una teoría del todo es extremadamente ambiciosa. Necesita explicar todo, y quiero decir todo, lo que podemos observar en el universo.

Las leyes de la naturaleza son pocas, y solo hay hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza. Sin embargo, el resultado de esas leyes y esas fuerzas es muy complejo. Basta con mirar a tu alrededor. Desde las galaxias al cerebro humano, o los paisajes de la Tierra, todo pasa por esas leyes y esas fuerzas que gobiernan el cosmos. Tan sencillo y tan complejo a la vez. Pero ya que vamos a hablar de la teoría del todo con propiedad, lo justo es remontarse a 1687, cuando muchos científicos creyeron que se había dado con ella.

Porque, por sorprendente que pueda parecer, la idea de que pueda existir una única explicación para el cosmos no es nueva. En aquel año, el célebre Isaac Newton publicó un libro en el que explicaba el movimiento de los objetos y el funcionamiento de la gravedad: “Principios matemáticos de la filosofía natural” en el que describía el mundo a nuestro alrededor como un lugar ordenado y maravilloso.

La caída de una manzana y una teoría del todo

Sir Isaac Newton

Seguro que la historia te resulta familiar. Cuando Newton tenía 23 años, estaba paseando en un jardín cuando vio como caía una manzana de un árbol (pese a la creencia popular, no le cayó en la cabeza). En aquel momento, los físicos ya sabían que era producto de la gravedad. De algún modo, la Tierra tiraba de los objetos hacia el suelo. Newton cogió esa idea y la intentó llevar a una escala mucho mayor.

La caída de esa manzana fue lo que llevó a pensar que el poder de la gravedad debía de extenderse mucho más allá de lo que se creía. Quizá tan lejos como la Luna. Así que, llevado por la inspiración, desarrolló una ley de la gravedad que parecía funcionar igual de bien tanto para las manzanas en la Tierra como para los planetas que giran alrededor del Sol. Dedujo que todo debía seguir las mismas leyes, que describió en el libro.

Por extraño que pueda parecer, en su época, se creyó que Newton había logrado explicar todo lo que había que explicar. Era toda una hazaña. Pero el propio físico británico sabía que no era así. Había muchas lagunas que no tenían explicación alguna recurriendo a la gravedad. Por ejemplo, ¿cómo se mantienen unidos los objetos pequeños? La fuerza de la gravedad no es tan intensa. Además, Newton podía describir lo que sucedía. Sin embargo, era incapaz de explicar cómo sucedía.

Un planteamiento incompleto

Mercurio visto por la sonda Messenger en 2008
Crédito: NASA

Dicho de otra manera, su teoría estaba incompleta… y había problemas. Porque sus leyes explicaban los fenómenos más comunes del universo. Sin embargo, algunos objetos rompían esas leyes. Eran situaciones poco frecuentes, en las que hacía falta una gravedad muy intensa y una velocidad muy elevada, pero era la señal de que algo no encajaba. Seguramente, es justo decir que el caso más conocido es el de la órbita de Mercurio, el planeta más cercano al Sol.

Cada planeta orbita alrededor de nuestra estrella y rota sobre su propio eje. Las leyes de Newton pueden usarse para calcular cómo debería ser esa rotación. Pero en el caso de Mercurio no servía. Además, su órbita tampoco terminaba de encajar con lo que cabría esperar. Es decir, Isaac Newton se había acercado a explicar un aspecto del mundo (la gravedad) pero no lo explicaba satisfactoriamente. No era una teoría del todo.

Hubo que esperar hasta principios del siglo XX para tropezarnos con uno de los científicos más famosos de nuestra historia. Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad general en 1915, en el que ofrecía una comprensión profunda de la gravedad. La premisa principal es que el espacio y el tiempo son parte de una misma cosa, a pesar de que parezcan ideas completamente diferentes. El espacio tiene tres dimensiones: alto, ancho y largo, y además sumamos el tiempo como una cuarta dimensión. Hasta aquí todo es sencillo.

Los hallazgos de Einstein

Albert Einstein.
Crédito: Orren Jack Turner

La gran conclusión de Einstein es que los objetos muy masivos, como los planetas, o los que se mueven muy rápido, pueden distorsionar ese conjunto de cuatro dimensiones al que llamamos espacio-tiempo (y seguro que te resulta muy familiar si te gusta la ciencia-ficción). Esos objetos curvan el espacio a su alrededor. Es como si colocases algo muy pesado sobre una sábana (por ejemplo). Todos los objetos cercanos se desplazarán hacia el objeto más grande.

Aunque es una idea simplificada, explica cómo funciona la gravedad, algo que Newton no logró. Aunque resulte algo compleja y quizá hasta extraña. Pero sabemos que el genial físico estaba en lo cierto. Se ha verificado en múltiples ocasiones y, aún más interesante, nos permite explicar la órbita de Mercurio, que llevó a Newton por el barrio de la amargura. Según la teoría de la relatividad general, la explicación es tan sencilla como difícil de visualizar. La enorme masa del Sol curva el espacio tiempo a su alrededor.

Mercurio es el planeta más cercano a nuestra estrella. Así que experimenta una distorsión mucho mayor que cualquier otro. Las ecuaciones de la relatividad general describen perfectamente cómo afecta ese espacio curvado a su posición en cada momento. A pesar de eso, tampoco estamos ante una teoría del todo. Es toda una hazaña, porque nos permite explicar cómo funciona el mundo a nuestro alrededor yendo, casi casi, al mismísimo tejido del universo. Lo hace a un nivel mucho más avanzado que antes.

Otra posible teoría del todo fallida

Un cielo estrellado
Crédito: Desconocido

Pero si la teoría de Newton no encajaba con los objetos realmente masivos (o con los que se mueven muy rápido), la de Einstein fracasaba (desde el punto de vista de una teoría del todo) en el extremo contrario: no funciona nada bien en el mundo de lo muy pequeño. Cuando empezamos a fijarnos en cosas realmente pequeñas, como los átomos, nos encontramos con que la materia funciona de una manera muy extraña.

Hasta finales del siglo XIX, se creyó que el átomo era la unidad más pequeña de la materia. La palabra viene del griego. Concretamente “atomos”, que significa “indivisible”. Un átomo, por su propia definición, no debería ser divisible en partículas más pequeñas. En la década de 1870, los científicos descubrieron que había partículas que eran hasta 2.000 veces más ligeras que los átomos.

Al examinar los rayos de luz en un tubo de vacío, descubrieron que había partículas increíblemente ligeras, cargadas negativamente. Fue el descubrimiento de la primera partícula subatómica: el electrón. Las cosas no se quedaron ahí, hubo otros descubrimientos posteriores. En las décadas siguientes se comprendió que el átomo tiene un núcleo, en torno al que giran los electrones. Ese núcleo es la parte más pesada de un átomo, está formado por dos tipos de partículas subatómicas: neutrones, que tienen carga neutral, y protones (carga positiva).

Comprendiendo el mundo de lo muy pequeño

Concepto artístico de una colisión de dos estrellas de neutrones.
Crédito: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc./Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

En el universo a gran escala también nos hemos encontrado neutrones… O más concretamente, estrellas formadas por neutrones. Son restos estelares, de viejas estrellas, extremadamente pequeños y densos. En cualquier caso, las cosas no se quedaron ahí. Ha habido hallazgos que nos han permitido dividir la materia en componentes aún más pequeños, perfeccionando nuestro conocimiento de las partículas fundamentales.

En la década de los 60 se descubrieron decenas de partículas elementales. En la actualidad, sabemos que un átomo tiene tres componentes. De ellos, solo el electrón es una partícula fundamental. Los neutrones y los protones pueden ser divididos en partículas todavía más pequeñas, llamadas quarks (que se formaron en el Big Bang). Resulta que estas partículas subatómicas están gobernadas por un conjunto de leyes completamente diferente al que aplicamos al mundo de lo muy grande.

Además, estas nuevas leyes no son tan predecibles. Me estoy refiriendo, como quizá imagines, a la física cuántica. Seguro que escuchar hablar de la idea hasta te da dolor de cabeza. El de la física cuántica es un mundo de lo más extraño. Las partículas no tienen ubicaciones definidas, ni siquiera estamos muy seguros de qué es lo que hacen en cada momento. Es todo un galimatías que puede resultar un tanto complejo de visualizar.

Una teoría del todo que debe incluir a la física cuántica

El experimento del gato de Schrödinger.
Crédito: Wikimedia Commons/Dhatfield

Puede que hayas oído hablar del “gato de Schrödinger” que sirve, precisamente, para intentar ilustrar todas esas incertidumbres. Encerramos un gato con un frasco de veneno en una caja. No lo podemos ver, pero sabemos que hay dos posibles soluciones para esta situación. Por un lado, es posible que el gato esté muerto por culpa del veneno. Por otro, es posible que no haya pasado nada y el gato esté perfectamente vivo.

La única forma de saber cuál es el desenlace es abrir la caja y observarlo directamente. En física cuántica sucede algo así. Lo único que se puede decir es que cada partícula tiene una probabilidad de estar en un lugar en particular. Vamos, que es un entorno de lo más incierto. Si te sirve de consuelo, este campo es especialmente complejo incluso para los físicos más brillantes de nuestra historia. No hay una forma evidente de simplificarlo.

Sea como fuere, el caso es que tenemos dos teorías que nos permiten explicar sus campos respectivos con gran precisión. Además, se ha demostrado en muchas ocasiones que son perfectamente válidas. La teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica están fuera de duda. De hecho, la física cuántica explica la estructura y comportamiento de los átomos. Incluyendo por qué algunos son radioactivos.

El papel de la mecánica cuántica

Esta imagen es una simulación de cómo veríamos la Gran Nube de Magallanes si hubiese un agujero negro entre nuestro planeta y la galaxia.
Crédito: Alain R./Wikipedia

Además, toda la electrónica depende de esa teoría. Sin ella, no tendríamos todos los dispositivos modernos que nos rodean. No solo es válida: es útil. Por su parte, la teoría de la relatividad general predijo la existencia de agujeros negros. Estrellas tan masivas que, cuando colapsan sobre sí mismas, su atracción gravitatoria es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellas. El problema es que las dos teorías son incompatibles.

Cada una explica su parte del mundo a la perfección, pero están limitadas. La relatividad dice que puedes predecir el comportamiento de los objetos. La mecánica cuántica dice que solo puedes saber que pasará algo. Es decir, hay cosas que nuestra comprensión de la física no puede explicar. Los agujeros negros son uno de los mejores ejemplos. Son objetos masivos, así que la teoría de la relatividad nos sirve. También son tan pequeños que podemos aplicar la mecánica cuántica.

Porque a menos que estés cerca de un agujero negro, no hay nada que haga evidente esa incompatibilidad entre ambos mundos. Eso sí, si cayeses en un agujero negro, verías que pasan cosas muy raras. De hecho, nos encontramos ante paradojas que no tienen una solución evidente. Einstein pasó gran parte de su vida intentando encontrar una teoría que permitiese explicar todo y eliminar esas incompatibilidades. Al parecer, no le gustaba la aleatoriedad de la mecánica cuántica. Quería crear una teoría que uniese la gravedad y el resto de la física.

Einstein y su teoría del todo

Concepto artístico de la teoría de cuerdas.
Crédito: Fresh Wallpapers

Desde su punto de vista, todas esas rarezas del mundo cuántico serían solo un efecto secundario. Su mayor desafío fue hacer que la gravedad encajase con el electromagnetismo. En 1800, los físicos ya sabían que las partículas cargadas eléctricamente se atraían y repelían. Por eso algunos metales se ven atraídos por los imanes. Pero esto quiere decir que hay dos tipos de fuerzas que los objetos pueden ejercer sobre el resto. Se pueden atraer por su gravedad y se pueden repeler, o también atraer, a través de su electromagnetismo.

Todo esto llevó a Einstein, y a otros físicos, a intentar unificar ambas fuerzas en una sola. Este razonamiento nos lleva hacia una de las teorías que intenta convertirse en una teoría del todo, partiendo de la base de lo que funciona en el mundo de lo muy grande. Me refiero a la teoría de cuerdas, en la que se añaden más dimensiones espaciales a las cuatro que componen el espacio-tiempo.

La idea simplificada (si te interesa el tema es muy aconsejable que revises el artículo anterior) es que los ingredientes más básicos del universo no son partículas, sino pequeñas cuerdas. Cada cuerda vibra en diferentes frecuencias en función del tamaño que tengan. Esas oscilaciones, a su vez, determinan qué tipo de partícula es cada cuerda. Si vibra de una manera, tenemos una partícula, si lo hace de otra manera, el resultado es completamente diferente. Todo serían cuerdas que, con diferentes vibraciones, producen diferentes resultados.

La belleza de la teoría de cuerdas

Imagen panorámica de un paisaje.

Esa idea mucho mérito porque lograría explicar todas las fuerzas de la naturaleza. La gravedad y el electromagnetismo, así como la interacción nuclear débil y fuerte (estas dos últimas fueron descubiertas ya en el siglo XX), que afectan solo a los núcleos de los átomos. De ahí que se tardase tanto en descubrirlas. La interacción nuclear fuerte es lo que mantiene unido al núcleo. La débil por su parte, solo tiene efecto si llega a ser lo suficientemente intensa como para romper el núcleo. Es lo que provoca que algunos átomos sean radioactivos.

Cualquier teoría del teoría del todo tiene que ser capaz de explicar las cuatro fuerzas fundamentales. La mecánica cuántica es capaz de explicar tres: el electromagnetismo y las interacciones nucleares débil y fuerte. Todas son comunicadas por una partícula especializada. ¿El problema? No hay ninguna partícula especializada encargada de transmitir la gravedad. Algunos científicos han planteado que podría existir. De ser así, sería el llamado gravitón.

No tendría masa, espín (una propiedad de estas partículas) y viajaría a la velocidad de la luz. Nunca se ha observado un gravitón. Así que solo es un concepto teórico. La teoría de cuerdas proporciona una solución muy elegante en este sentido. Porque una posible vibración de una cuerda encajaría, precisamente, con las propiedades de un gravitón, parecía prometedor… A finales del siglo pasado, los físicos creían que la teoría de cuerdas resolvía muchos de los problemas a los que la ciencia se había enfrentado en las últimas décadas.

Las dificultades de la teoría de cuerdas

De izquierda a derecha: W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, R. A. Millikan y Von Laue, en una cena organizada por este último en 1931, en Berlín.
Crédito: Wikipedia Commons

Sin embargo, también planteaba sus propios problemas. Algo que era necesario explicar. Por un lado, la teoría de cuerdas es solo una hipótesis. No se ha demostrado la existencia de cuerdas y hace algunas predicciones que resultan muy extrañas. Einstein, en su intento de dar con una teoría unificada, le añadió una dimensión más a las cuatro del espacio-tiempo. La teoría de cuerdas, sin embargo, plantea la existencia de muchas más dimensiones adicionales, pequeñas y ocultas.

En algunos casos, se planteó que podría haber hasta 26 dimensiones adicionales. Es la única forma de que los modelos matemáticos encajen con lo que sabemos. En tiempos más recientes, las versiones más avanzadas (y las más populares, de hecho) plantean que habría 10 dimensiones. Pero sigue siendo una cifra muy superior a las tres dimensiones que experimentamos en nuestra vida a vida (sin contar el tiempo como cuarta dimensión).

La justificación sería que esas dimensiones restantes son solo perceptibles a un nivel microscópico. Pero es una laguna de difícil explicación. Quizá por eso no sorprenda que también hayan surgido otras alternativas para intentar dar con una teoría del todo alternativa. La otra gran opción popular es la teoría de gravedad cuántica, que hace el recorrido inverso, parte desde el mundo de lo más pequeño (la mecánica cuántica) e intenta incorporar la gravedad a través de algo llamado gravedad cuántica.

La gravedad cuántica de bucles

Los objetos con masa deforman el espacio. Y eso es lo que sentimos como gravedad.
Crédito: ESA/C.Carreau

Es una teoría más sencilla que la teoría de cuerdas, pero tiene sus propios problemas. En la teoría de la gravedad cuántica de bucles vamos a lo más pequeño. En este caso, lo que se hace es dividir el espacio-tiempo en pequeños fragmentos. Cuando lo ves a gran escala, parece un todo uniforme. Pero a escala microscópica, son pequeños puntos conectados por líneas o bucles. Esas fibras, que están entrelazadas, explican la gravedad.

El problema es que la idea es tan compleja como la que plantea la teoría de cuerdas. Además, nos encontramos con que no hay ninguna evidencia que apoye su existencia. Es decir, ambas teorías parecen funcionar razonablemente bien, pero no se pueden comprobar. Quizá, por ahora, nuestro conocimiento no sea lo suficientemente avanzado como para poder crear una teoría del todo. Es posible que haya fenómenos que todavía no hemos observado.

Si es así, estaríamos intentando comprender algo que no por ahora conocemos al completo. En cierto modo, recuerda a lo que sucedió con Newton. En su época se creyó que se había descubierto todo. Ahora, nosotros, parecemos repetir ese mismo camino y pecar de ese mismo error. ¿Por qué íbamos a haber descubierto todo? De hecho, la ciencia nos dice lo contrario. Hay muchas cosas que aún no comprendemos.

Mucho conocimiento por adquirir

El anillo de oscuridad en este cúmulo galáctico, Cl 0024+17, indica la presencia de materia oscura.
Crédito: NASA, ESA, M.J. Jee y H. Ford (Johns Hopkins University)

Sin ir más lejos, no tenemos muy clara la naturaleza de la materia y la energía oscura. Sabemos que están ahí, porque explican cómo funciona el mundo a nuestro alrededor, pero no podemos decir mucho más. No es descabellado, ni mucho menos, pensar que la teoría de cuerdas y la de la gravedad cuántica de bucles no pueden ser comprobadas porque la física todavía no ha avanzado lo suficiente. Aunque eso no impide que muchos crean que la teoría de cuerdas es la más prometedora.

Es la que parece explicar mejor cómo encajaría la gravedad con el resto de fuerzas fundamentales del universo. Sin embargo, es posible que ni siquiera seamos capaces de identificar una teoría del todo. De hecho, hay una alternativa en la que las cosas se complican todavía más. La teoría de cuerdas ha tenido muchas versiones desde los años 80. No pasó mucho tiempo hasta que los científicos comprendieron que, en realidad, todas eran, en realidad, diferentes formas de explicar exactamente los mismos conceptos que ya se habían planteado.

Todo esto llevó a la teoría-M en 1995. Es una versión más compleja de la teoría de cuerdas en la que se intentan incorporar todas esas versiones. En ella solo hacen falta 11 dimensiones para explicar el universo. Pero no ofrece una sola teoría del todo, sino muchísimas. Según algunos físicos, la teoría-M permite desarrollar 10500 (eso es un 1 con 500 ceros) teorías. Todas ellas son capaces de describir de manera elegante y consistente un universo.

Una teoría del todo… que nos dejaría incompletos

Quizá el multiverso sea algo así como un gigantesco campo de canicas…

Podría parecer que, entonces, esta idea no nos puede llevar a ninguna parte, pero no es así. Se ha planteado que quizá apunte a algo aún más profundo. Algo de lo que ya he hablado en alguna que otra ocasión. El hecho de que nuestro universo podría ser uno de una cantidad elevadísima (quizá infinita) de universos… un multiverso. Bajo esa perspectiva, cada una de las posibles explicaciones de la teoría-M describiría el funcionamiento de cada uno de esos posibles universos.

Nuestro universo por tanto, sería uno de tantos, con un conjunto de leyes muy específico que permite nuestra existencia. ¿A dónde nos lleva todo esto? A una conclusión desconcertante. No podemos demostrar la existencia de otros universos. Aunque sí se ha intentado plantear hipótesis sobre la posible existencia y el origen del multiverso. Así como cuál sería el mecanismo de formación de esos universos, incluyendo el nuestro.

Por extensión, esto implicaría que la teoría de cuerdas nos podría dar una descripción perfecta de nuestro universo y, al mismo tiempo, obligarnos a aceptar la idea de que podría haber una cantidad inmensa de otros universos. Todos ellos únicos y diferentes al nuestro. Tarde o temprano llegaremos a una teoría del todo. Por lo menos, los físicos parecen confiados. Pero no esperaría que vaya a suceder pronto y no descartaría que, en nuestra búsqueda por dar con todas las respuestas, solo terminemos obteniendo una cantidad aun mayor de preguntas…

Alex Riveiro

Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la astronomía en Al-Andalus.

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1 respuesta

  1. Bonderman dice:

    Con respecto al gravitón, conocí el nombre de un supervillano de Marvel cuyo poder consistía, precisamente, en manipular la gravedad y por eso supe que ella era una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Muy interesante tu artículo, Alex, y soy el primero en leerlo.

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