Teorias Física

Capítulo 11

La Unificación de la Física

Como vimos en el primer capítulo, sería muy difícil construir de un golpe una teoría unificada completa de todo el universo. Así que, en lugar de ello, hemos hecho progresos por medio de teorías parciales, que describen una gama limitada de acontecimientos y omiten otros o los aproximan por medio de ciertos números. (La química, por ejemplo, nos permite calcular las interacciones entre átomos, sin conocer la estructura interna del núcleo de un átomo). En última instancia, se tiene la esperanza de encontrar una teoría unificada, consistente, completa, que incluiría a todas esas teorías parciales como aproximaciones, y que para que cuadraran los hechos no necesitaría ser ajustada mediante la selección de los valores de algunos números arbitrarios. La búsqueda de una teoría como ésa se conoce como «la unificación de la física». Einstein empleó la mayor parte de sus últimos años en buscar infructuosamente esta teoría unificada, pero el momento aún no estaba maduro: había teorías parciales para la gravedad y para la fuerza electromagnética, pero se conocía muy poco sobre las fuerzas nucleares. Además, Einstein se negaba a creer en la realidad de la mecánica cuántica, a pesar del importante papel que él había jugado en su desarrollo. Sin embargo, parece ser que el principio de incertidumbre es una característica fundamental del universo en que vivimos. Una teoría unificada que tenga éxito tiene, por lo tanto, que incorporar necesariamente este principio.

Como describiré, las perspectivas de encontrar una teoría como ésta parecen ser mejores ahora, ya que conocemos mucho más sobre el universo. Pero debemos guardarnos de un exceso de confianza: ¡hemos tenido ya falsas auroras! A principios de este siglo, por ejemplo, se pensaba que todo podía ser explicado en términos de las propiedades de la materia continua, tales como la elasticidad y la conducción calorífica. El descubrimiento de la estructura atómica y el principio de incertidumbre pusieron un fin tajante a todo ello. De nuevo, en 1928, el físico y premio Nóbel Max Born dijo a un grupo de visitantes de la Universidad de Gotinga, «la física, dado como la conocemos, estará terminada en seis meses». Su confianza se basaba en el reciente descubrimiento por Dirac de la ecuación que gobernaba al electrón. Se pensaba que una ecuación similar gobernaría al protón, que era la otra única partícula conocida en aquel momento, y eso sería el final de la física teórica. Sin embargo, el descubrimiento del neutrón y de las fuerzas nucleares lo desmintió rotundamente. Dicho esto, todavía creo que hay razones para un optimismo prudente sobre el hecho que podemos estar ahora cerca del final de la búsqueda de las leyes últimas de la naturaleza.

En los capítulos anteriores he descrito la relatividad general, la teoría parcial de la gravedad, y las teorías parciales que gobiernan a las fuerzas débil, fuerte y electromagnética. Las tres últimas pueden combinarse en las llamadas teorías de gran unificación, o TGU, que no son muy satisfactorias porque no incluyen a la gravedad y porque contienen varias cantidades, como las masas relativas de diferentes partículas, que no pueden ser deducidas de la teoría sino que han de ser escogidas de forma que se ajusten a las observaciones. La principal dificultad para encontrar una teoría que unifique la gravedad con las otras fuerzas estriba en que la relatividad general es una teoría «clásica», esto quiere decir que no incorpora el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Por otra parte, las otras teorías parciales dependen de la mecánica cuántica de forma esencial. Un primer paso necesario, por consiguiente, consiste en combinar la relatividad general con el principio de incertidumbre. Como hemos visto, ello puede tener algunas consecuencias muy notables, como que los agujeros negros no sean negros, y que el universo no tenga ninguna singularidad sino que sea completamente auto contenido y sin una frontera. El problema es, como se explicó en el capítulo 7, que el principio de incertidumbre implica que el espacio «vacío» está lleno de pares de partículas y antipartículas virtuales. Estos pares tendrían una cantidad infinita de energía y, por consiguiente, a través de la famosa ecuación de Einstein E=mc2, tendrían una cantidad infinita de masa. Su atracción gravitatoria curvaría, por tanto, el universo hasta un tamaño infinitamente pequeño.

De forma bastante similar, se encuentran infinitos aparentemente absurdos en las otras teorías parciales, pero en todos estos casos los infinitos pueden ser suprimidos mediante un proceso de re-normalización, que supone cancelar los infinitos introduciendo otros infinitos. Aunque esta técnica es bastante dudosa matemáticamente, parece funcionar en la práctica, y ha sido utilizada en estas teorías para obtener predicciones, con una precisión extraordinaria, que concuerdan con las observaciones. La re-normalización, sin embargo, presenta un serio inconveniente a la hora de encontrar una teoría completa, ya que implica que los valores reales de las masas y las intensidades de las fuerzas no pueden ser deducidos de la teoría, sino que han de ser escogidos para ajustarlos a las observaciones.

Al intentar incorporar el principio de incertidumbre a la relatividad general se dispone de sólo dos cantidades que pueden ajustarse: la intensidad de la gravedad y el valor de la constante cosmológica. Pero el ajuste de estas cantidades no es suficiente para eliminar todos los infinitos. Se tiene, por lo tanto, una teoría que parece predecir que determinadas cantidades, como la curvatura del espacio-tiempo, son realmente infinitas, ¡a pesar de lo cual pueden observarse y medirse como perfectamente finitas! Durante algún tiempo se sospechó la existencia del problema de combinar la relatividad general y el principio de incertidumbre, pero, en 1972, fue finalmente confirmado mediante cálculos detallados. Cuatro años después se sugirió una posible solución, llamada «súper gravedad». La idea consistía en combinar la partícula de espín 2, llamada gravitón, que transporta la fuerza gravitatoria, con ciertas partículas nuevas de espín 3/2, 1, 1/2 y 0. En cierto sentido, todas estas partículas podrían ser consideradas como diferentes aspectos de la misma «superpartícula», unificando de este modo las partículas materiales de espín 1/2 y 3/2 con las partículas portadoras de fuerza de espín 0, 1 y 2. Los pares partícula / antipartícula virtuales de espín 1/2 y 3/2 tendrían energía negativa, y de ese modo tenderían a cancelar la energía positiva de los pares virtuales de espín 2, 1 y 0.

Figura 11.1 y 11.2

Esto podría hacer que muchos de los posibles infinitos fuesen eliminados,

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