El universo como piel de naranja: una propuesta revolucionaria para una teoría del todo

Casi todo lo que sucede a nuestro alrededor se puede explicar con sólo dos teorías físicas: la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. Hasta la fecha, todos los intentos de unificar ambas teorías han fracasado. Sin embargo, físicos de las universidades de Varsovia y Cracovia, ambas en Polonia, lograron encontrar la clave que finalmente podría unirlos. Si lo hacen bien, nos enfrentaríamos a la mayor revolución de la física, el sueño de la unificación. Antes de ver cómo lo hicieron, vayamos al fondo.

Dos grandes teorías de la física.

A principios del siglo XX aparecieron dos teorías que los físicos pueden utilizar para explicar el funcionamiento del universo, tanto a gran escala (Relatividad General) como a escala atómica (Mecánica Cuántica).

Figura 5. La Conferencia de Solvay (1927), que reunió a las mentes que produjeron las dos grandes teorías de la física. Wikipedia

Teoría de la relatividad general

El primero fue creado por Albert Einstein y anunciado al resto del mundo entre 1915 y 1916.

La teoría de la relatividad general está relacionada con la ley de gravitación universal que dictó Sir Isaac Newton en 1687, pero va mucho más allá. Establece que el espacio y el tiempo son dimensiones de igual consideración y que la atracción gravitacional no es una fuerza como tal, sino una perturbación o deformación de la geometría del sistema espacio-temporal, producida por la masa.

Cuanto mayor es la masa, mayor es la deformación o, equivalentemente en términos newtonianos, mayor es la atracción. Los objetos más masivos conocidos son los agujeros negros y, por tanto, son los que más distorsionan el espacio-tiempo y producen la mayor atracción gravitacional.

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Uno de los descubrimientos más interesantes de la teoría es que las estrellas u objetos siempre siguen líneas “rectas”, pero pueden sumergirse en geometrías curvas, y esta curvatura es creada por objetos con masa.

Un ejemplo clásico para entender este concepto es el siguiente. Si estoy en la superficie de la Tierra y quiero ir del Polo Norte al Polo Sur, el camino más corto será una línea recta siguiendo el meridiano, pero ¿es realmente una línea recta? Si otra persona me observa desde el espacio, verá que efectivamente lo que viajo es curvo, porque la superficie sobre la que me muevo es curva, la superficie de la Tierra. Estas líneas “rectas” o más cortas entre dos puntos se llaman geodésicas.

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Mecánica Cuántica

En el otro extremo encontramos la mecánica cuántica. Esta teoría comenzó a tomar forma a finales del siglo XIX cuando el físico alemán Max Planck propuso que la materia absorbe y emite radiación electromagnética en cantidades fraccionarias y finitas que llamó “cuantos”, explicando así el patrón de radiación del cuerpo negro y los espectros de absorción/emisión, entre otros fenómenos.

En teorías anteriores, la energía se trataba como una cantidad continua, que en esta teoría se reemplaza por energía cuantificada.

Aunque Einstein, oponente declarado de la teoría cuántica, utilizó el concepto cuántico para explicar el efecto fotoeléctrico en 1905, esta teoría no comenzó a desarrollarse hasta después de 1920, proceso que involucró a grandes mentes como Louis de Broglie, Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg, entre otros. Sus postulados explican el comportamiento de la materia en escalas atómicas y subatómicas, así como las interacciones en estas escalas, excepto la gravedad.

La ecuación de Schrödinger desempeña en la mecánica cuántica el papel que desempeñan las leyes de Newton y las leyes de conservación de la energía en la mecánica clásica. Describe cómo evoluciona en el tiempo un sistema cuántico no relativista. En el caso relativista, si la velocidad de la partícula es comparable a la velocidad de la luz, se deben utilizar otras ecuaciones más complejas, como la de Dirac o la de Klein-Gordon.

Incompatibilidad de ambas teorías.

Y si estas dos teorías funcionan tan bien en sus respectivos ámbitos, ¿por qué no pueden aplicarse con éxito al mismo sistema? La principal diferencia entre ambos es que el primero es determinista y el segundo probabilístico, y esto los hace (o los hace) incompatibles.

Intentos de unificación

Quizás la teoría de la unificación más conocida por el público en general sea la teoría de cuerdas, y Sheldon Cooper en The Big Bang Theory trabajó en ella y la defendió con uñas y dientes. Esto se basa en el supuesto de que las partículas fundamentales no son partículas sin estructura interna, sino estados vibratorios de un objeto más básico llamado cuerda.

Sheldon Cooper le explica la pizarra a Penny en The Big Bang Theory CBS, CC BI

Cada partícula se manifiesta a través de un estado vibratorio diferente de la cuerda. Para que funcione, además de las cuatro dimensiones clásicas (tres espaciales y una temporal), se necesitan seis más, en la práctica imperceptibles, aunque, si funcionara, no sería un problema.

Otra teoría unificadora y con más seguidores es la gravedad cuántica de bucles, defendida en The Big Band Theory por Leslie Winkle, el famoso archienemigo de Sheldon Cooper. Aunque quedó inconcluso, logró algunos éxitos. Dice que el espacio-tiempo tiene una estructura discreta a pequeñas escalas, del orden de la longitud de Planck.

Otras teorías que buscan unificar la relatividad general y la mecánica cuántica son la supergravedad, la teoría de supercuerdas, la teoría M, la teoría de la gravedad emergente, la teoría de la gravedad cuántica asintóticamente segura, la geometría no conmutativa, la teoría twitorial, la gravedad cuántica inducida o la gravedad cuántica.

Todos trabajan en la línea de cuantificar la relatividad general para que funcione a escalas atómicas y, aunque algunos de ellos han logrado el éxito, están lejos de convertirse en una teoría del todo.

Herramienta de unificación: Alena Tensor

La mayoría de los esfuerzos en la búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica se han centrado hasta ahora en intentar cuantificar la gravedad.

Sin embargo, la piedra filosofal de la propuesta publicada por físicos de las universidades de Varsovia y Cracovia es un tensor al que denominaron “Alena Tensor”. Se requiere exactamente el enfoque opuesto: transformar el espacio-tiempo curvo en espacio-tiempo plano (como estirar una cáscara de naranja) de una manera que incorpore matemáticamente los resultados de la relatividad general, y luego aplicar las herramientas familiares de la mecánica cuántica a este espacio plano.

En el artículo, los autores derivan ecuaciones cuánticas que describen todo el sistema físico, incluidas todas las fuerzas.

Resulta que estas ecuaciones coinciden con las tres ecuaciones cuánticas principales conocidas hasta ahora, y este hecho lleva a una conclusión completamente inesperada: la gravedad ha estado presente en la mecánica cuántica desde el principio y no sabíamos cómo verla.

Todo esto continuará y seguiremos hablando de ello.