¡El Universo! Ese gran desconocido para el gran público. Por eso, el Nodo Español, a cuyo frente está la Doctora en Astrofísica, Doña Motserrat Villar, tiene la misión de mostrar nuestro Universo a todos, y, para ello, con un equipo de cientos de personas especializadas y miles de volunhtarios colaboradores enamorados del cielo y de los objetos que lo pueblan, están aquí luchando, día a día, para que ese desconocimiento sea invertido. Todos deben conocer las maravillas que en el Cosmos están presentes y, conocer las fuerzas que lo rigen y como funciona.

Hemos estado exponiendo aquí, desde hace ya tres meses, cada día, lo que es el Universo, lo que en él ocurre, los objetos que lo pueblan y las maravillas que pueden surgir de las estrellas. De hecho, nosotros mismos podemos estar aquí gracias a que, los materiales de los que estamos hecho, se fabricaron en las estrellas.

Para comprender todo esto, hemos elaborado un Glosario que explica el significado de palabras y conceptos que, para el no versado, puede ser incomprensible, así procuramos que entiendan y sepan lo que se les explica.

Hoy continuamos con las letras Q y R.

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 espaciotiempo 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.

Como ese ejemplo podríamos aportar miles y miles. 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.

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.

¿Cómo podremos evitar las radiaciones gamma y ultravioletas?

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

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

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.

Sabemos que 1 año luz es la distancia recorrida por la luz en un año trópico a través del espacio vacio, 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 Centauro, 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.

El primero será 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?

Son 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, la simple observación de lo que encierra nos causará asombro, 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.

Ensimismado en mis pensamientos me asombro del enorme talento que tenía Einstein. Su gravedad es una predicción de las supercuerdas; sus ecuaciones surgen de esta nueva teoría como por arte de magia, nadie las ha llamado, pero aparecen. Dicha aparición espontánea es una pista importante a favor de esta nueva teoría que aspira a contestar alguna de las preguntas pendientes. Por otra parte, las supercuerdas originan la idea de la supersimetría, considerada uno de los grandes descubrimientos en física.

En el CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas), situado cerca de Ginebra, los países europeos han construído un nuevo acelerador de partículas, el LHC, y en él se buscará esta supersimetría, la partícula de Higgs que proporciona la masa a todas las partículas, y tratará de despejar interrogantes que en los aceleradores actuales no pueden ser contestados. El día 10 de éste mes de Septiembre tendrá lugar la puesta en marcha con la primera prueba. Veremos que nos puede traer, las esperanzas son grandes.

Pero volviendo al tema principal, tendremos que convenir todos en el hecho innegable de que, en realidad, estas nuevas teorías que pretenden explicarlo todo, en realidad, como digo, están todas basadas en la teoría de la relatividad general de Einstein.

La han ampliado elevándola a más dimensiones que les permite añadir más factores, pero las ecuaciones de campo de Einstein subyacen en la base de todas estas teorías, desde la que expusieron Kaluza-Klein en la 5ª dimensión, hasta estas otras más recientes de 10, 11 y 26 dimensiones.

Lo que realmente podemos constatar en nuestra experiencia cotidiana es que las dimensiones espaciotemporales del mundo en que vivimos son tres de espacio y una de tiempo. Sin embargo, muchos propugnan otro esquema en el que el universo tiene más dimensiones que, en el primer segundo del comienzo del tiempo, cuando se produjo el Big Bang, quedaron compactificadas y no pudieron expandirse como las otras tres (longitud, anchura y altura), sino que se quedaron en la longitud de Planck, inmóviles, mientras que sus compañeras se expandían y se hacían más y más grandes. Estas estructuras conceptuales, la más famosa (por ser la primera), la teoría de Kaluza que más tarde perfeccionó Klein y pasó a llamarse de Kaluza-Klein, más tarde inspiró otras teorías hasta llegar a las supercuerdas y a la teoría M, la más avanzada y completa. Sin embargo, es importante recordar que Kaluza se inspiró en la teoría de Einstein para formular su teoría, a la que añadió otra dimensión de espacio que le permitió incluir dentro de la nueva teoría, además de las ecuaciones de Einstein, las de Maxwell; uniendo así la gravedad con el electromagnetismo.

Las supercuerdas en más dimensiones, al tener mucho más espacio disponible, puede incluir dentro de su esquema a todas las fuerzas y a todas las partículas que conforman la materia del universo, como se ve claramente en el gráfico de la página 73 que partiendo de la gravedad de Einstein pasa al electromagnetismo de Maxwell, a las fuerzas nucleares, con sus partículas transmisoras y se llega a los quarks y leptones de la materia. Es la primera teoría que ha sido capaz de unir la relatividad y la mecánica cuántica.

Hemos conseguido grandes logros y enormes conocimientos, cualquiera de ellos es suficiente para causar nuestro asombro. Por ejemplo, matemáticamente, la fuerza eléctrica fue descubierta en el año 1.785 por el ingeniero en estructuras Charles Coulomb. Ahora bien, con relación a las grandes distancias, la fuerza eléctrica y magnética actúa igual a como lo hace la gravedad: al duplicar la distancia, su magnitud disminuye a la cuarta parte. Claro que la gravedad depende de la masa y la electricidad de la carga y, mientras que la primera sólo es atractiva, la segunda puede ser atractiva cuando los objetos tienen carga diferentes (protón positiva y electrón negativa) o repulsivos cuando las cargas son iguales (protón rechaza a protón y electrón rechaza a electrón); se puede probar jugando con dos imanes que se juntarán por sus polos negativos-positivo y se rechazarán por sus polos positivo-positivo y negativo-negativo. Más tarde llegó Michael Faraday con sus experimentos eléctricos y magnéticos y, finalmente, James Clero Maxwell formuló con sus ocho ecuaciones vectoriales la teoría del electromagnetismo.

Lorentz nos descubrió que un objeto que viaje a velocidades cercanas a la de la luz, c, se achatará por la parte delantera del sentido de su marcha (contracción de Lorentz) y, mientras tanto, su masa aumentará (lo que ha sido comprobado en los aceleradores de partículas).

Max Planck nos trajo su cuanto de acción, h, que dio lugar a la mecánica cuántica al descubrir que la energía se transmite en forma discontinua mediante paquetes discretos a los que llamó cuantos. También fue obra de Planck perfeccionar las unidades de Stoney y nos dejó esas cantidades naturales de tiempo, espacio, energía y masa.

Schrödinger, con su función de onda (Y), nos dijo la manera de solucionar, en parte, el problema planteado por Heisemberg con su principio de incertidumbre, según el cual no podemos saber, al mismo tiempo, dónde está una partícula y hacia dónde se dirige; sólo estamos capacitados para saber una de las dos cosas, pero no las dos al mismo tiempo. Así que la función de onda nos dice la probabilidad que tenemos para encontrar esa partícula y en qué lugar se encuentra.

Más tarde, Stephen Hawking ha utilizado la función de onda de Schrödinger ampliándo su campo como “Función de Onda” de todo el Universo, y, él dice que, estamos inmersos en un Multiverso, es decir, una consecución de universos conectados mediante agujeros de gusano.

Estos universos no son todos iguales, en unos reinaran unas constantes y fuerzas y en otros estarán presentes otras fuerzas diferentes, habrán nacido sin vida. ¿Será así? No lo sabemos, pero lo cierto es que, no podemos negarnos a cualquier posibilidad. No sabemos tanto como para poder hacer eso.

emilio silvera

La teoría de Einstein goza de una amplia aceptación debido a los aciertos macroscópicos que han sido verificados de manera experimental. Los más recientes están referidos a los cambios de frecuencia de radiación en púlsares binarios debido a la emisión de ondas gravitacionales, que actualmente estudia Kip S. Thorne, en relación a los agujeros negros. Entre las predicciones que Einstein propugna en su teoría se encuentran, por ejemplo, la existencia de ondas gravitacionales, que el universo está en constante expansión y que, por lo tanto, tuvo un inicio: el Big Bang o los agujeros negros.

Se trata de regiones donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción. Estas regiones se forman por el colapso gravitatorio de estrellas masivas en la etapa final de su existencia como estrella, acabado el combustible nuclear y no pudiendo fusionar hidrógeno en helio, fusiona helio en carbono, después carbono en neón, más tarde neón en magnesio y así sucesivamente hasta llegar a elementos más complejos que no se fusionan, lo que produce la última resistencia de la estrella contra la fuerza de gravedad que trata de comprimirla, se degeneran los neutrones como último recurso hasta que, finalmente, la estrella explota en supernova lanzando al espacio las capaz exteriores de su material en un inmenso fogonazo de luz; el equilibrio queda roto, la fuerza de expansión que contrarrestaba a la fuerza de gravedad no existe, así que, sin nada que se oponga la enorme masa de la estrella supermasiva, se contrae bajo su propio peso, implosiona hacia el núcleo, se reduce más y más, su densidad aumenta hasta lo inimaginable, su fuerza gravitatoria crece y crece, hasta que se convierte en una singularidad, un lugar en el que dejan de existir el tiempo y el espacio.

Allí no queda nada, ha nacido un agujero negro y a su alrededor nace lo que se ha dado en llamar el Horizonte de Sucesos, que es una región del espacio, alrededor del agujero negro que una vez traspasada no se podrá regresar; cualquier objeto que pase esta línea mortal, será literalmente engullida por la singularidad del agujero negro. De hecho, el telescopio espacial Hubble, ha enviado imágenes captadas cerca de Sagitario X-1, en el centro de nuestra galaxia, donde reside un descomunal agujero negro que, en las fotos enviadas por el telescopio, aparece como atrapa la materia de una estrella cercana y se la engulle.

Esta es la fuerza que se pretende unir a la Mecánica Cuántica en la teoría de supercuerdas, es decir, que Einstein con su relatividad general que nos describe el cosmos macroscópico, se pueda reunir con Max Planck y su cuanto infinitesimal del universo atómico, lo muy grande con lo muy pequeño.

Hasta el momento, Einstein se ha negado a esta reunión y parece que desea caminar solo. Las otras fuerzas están presentes en el Modelo Estándar, la gravedad no quiere estar en él, se resiste.

De hecho, cuando se ha tratado  de unir la mecánica cuántica con la gravedad, aunque el planteamiento estaba muy bien formulado, el resultado siempre fue desalentador; las respuestas eran irreconocibles, sin sentido, como una explosión entre materia y antimateria, un desastre.

Sin embargo, es preciso destacar que las nuevas teorías de supersimetría, supergravedad, supercuerdas o la versión mas avanzada de la teoría M de Ed Witten, tienen algo en común: todas parten de la idea expuesta en la teoría de Kaluza-Klein de la quinta dimensión que, en realidad, se limitaba a exponer la teoría de Einstein de la relatividad general añadiendo otra dimensión en la que se incluían las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo.

Hasta hoy no se ha logrado, ni mucho menos, inventar una teoría de campo que incluya la gravedad. Se han dado grandes pasos, pero la brecha “científicounificante” es aún muy grande. El punto de partida, la base, ha sido siempre la relatividad y conceptos en ella y con ella relacionados, por la excelencia que manifiesta esa teoría para explicar la física gravitatoria cósmica. El problema que se plantea surge de la necesidad de modificar esta teoría de Einstein sin perder por ello las predicciones ya probadas de la gravedad a gran escala y resolver al mismo tiempo el problema de la gravedad cuántica en distancias cortas y de la unificación de la gravedad con las otras fuerzas de la naturaleza. Desde la primera década del siglo XX se han realizado intentos que buscan la solución a este problema, y que han despertado gran interés.

Después de la explosión científica que supuso la teoría de la relatividad general de Einstein que asombró al mundo, surgieron a partir e inspiradas por ella, todas esas otras teorías que antes he mencionado desde la teoría Kaluza-Klein a la teoría M.

Es de enorme interés el postulado que dichas teorías expone. Es de una riqueza incalculable el grado de complejidad que se ha llegado a conseguir para desarrollar y formular matemáticamente estas nuevas teorías que, como la de Kaluza-Klein o la de supercuerdas (la una en cinco dimensiones y la otra en 10 ó 26 dimensiones) surgen de otra generalización de la relatividad general tetradimensional einsteniana que se plantea en cuatro dimensiones, tres espaciales y una temporal, y para formular las nuevas teorías se añaden más dimensiones de espacio que, aunque están enrolladas en una distancia de Planck, facilitan el espacio suficiente para incluir todas las fuerzas y todos los componentes de la materia, tratando de postularse como la Teoría de Todo.

La Gran Teoría Unificada que todo lo explique es un largo sueño acariciado y buscado por muchos. El mismo Einstein se pasó los últimos treinta años de su vida buscando el Santo Grial de la teoría del todo en la física, unificadora de las fuerzas y de la materia. Desgraciadamente, en aquellos tiempos no se conocían elementos y datos descubiertos más tarde y, en tales condiciones, sin las herramientas necesarias, Einstein no podría alcanzar su sueño tan largamente buscado. Si aún viviera entre nosotros, seguro que disfrutaría con la teoría de supercuerdas o la teoría M, al ver como de ellas, sin que nadie las llame, surgen, como por encanto, sus ecuaciones de campo de la relatividad general.

La fuerza de la naturaleza, en el universo primitivo del Big Bang, era una sola fuerza y el estado de la materia es hoy conocido como “plasma”; las enormes temperaturas que regían no permitía la existencia de protones o neutrones, todo era como una sopa de quarks. El universo era opaco y estaba presente una simetría unificadora.

Más tarde, con la expansión, se produjo el enfriamiento gradual que finalmente produjo la rotura de la simetría reinante. Lo que era una sola fuerza se dividió en cuatro. El plasma, al perder la temperatura necesaria para conservar su estado, se trocó en quarks que formaron protones y neutrones que se unieron para formar núcleos. De la fuerza electromagnética, surgieron los electrones cargados negativamente y que, de inmediato, fueron atraídos por los protones de los núcleos, cargados positivamente; así surgieron los átomos que, a su vez, se juntaron para formar células y éstas para formar los elementos que hoy conocemos. Después se formaron las estrellas y las galaxias que sirvieron de fábrica para elementos más complejos surgidos de sus hornos nucleares hasta completar los 92 elementos naturales que conforma toda la materia conocida. Existen otros elementos que podríamos añadir a la Tabla, pero estos son artificiales como el plutonio o el einstenio.

Estos conocimientos y otros muchos que hoy posee la ciencia es el fruto de mucho trabajo, de la curiosidad innata al ser humano, del talento de algunos y del ingenio de unos pocos, todo ello después de años y años de evolución pasando los descubrimientos obtenidos de generación en generación.

¿Cómo habría podido Einstein formular su teoría de la relatividad general sin haber encontrado el Tensor métrico del matemático alemán Riemann?

¿Qué formulación del electromagnetismo habría podido hacer James C. Maxwell sin el conocimiento de los experimentos de Faraday?

La relatividad especial de Einstein, ¿habría sido posible sin Maxwell y Lorentz?

¿Qué unidades habría expuesto Planck sin los números de Stoney?

Así podríamos continuar indefinidamente, partiendo incluso, del átomo de Demócrito, hace ahora más de 2.000 años. Todos los descubrimientos e inventos científicos están apoyados por ideas que surgen desde conocimientos anteriores que son ampliados por nuevas y más modernos formulaciones.

Precisamente, eso es lo que está ocurriendo ahora con la teoría M de las supercuerdas de Witten. Él se inspira en teorías anteriores que, a su vez, se derivan de la original de A. Einstein que pudo surgir, como he comentado, gracias al conocimiento que en geometría aportó Riemann con su tensor métrico.

Y no sería extraño que, al igual que Einstein pudo salir del callejón sin salida en el que estaba metido, hasta que por fin apareció la geometría espacial curva de Riemann para salvarlo que, de la misma manera, Witten y otros, puedan salir del escollo en el que han quedado aprisionados con la teoría de supercuerdas, gracias a las funciones modulares de aquel extraño matemático llamado Ramanujan que, como Riemann, murió antes de cumplir los treinta y cinco años.

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.

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.

¿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.

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. Mi teoría partícular al respecto, es que la Materia oscura podría estar escondida en otra Dimensión, y, las fluctuaciones de vacío, al formar grietas en el espaciotiempo de la estructura del Universo, seja pasar a los veloces gravitones que nos traen los efectos de la fuerza de gravedad que ésta materia oculta genera hasta nuestra dimensión.

En realidad ¿Qué sabemos nosotros de eso que llamamos espacio vacío? ¿Qué esconde? ¿Qué energías oculta? ¿Qué son las partículas virtuales que por pares aparecen, surgidas de la “nada” y en millonésimas de segundo ya no están?

¡Sabemos aún tan poco!

emilio silvera

Los científicos quieren creer que la naturaleza prefiere la economía en sus creaciones y que siempre parece evitar redundancias innecesarias al crear estructuras físicas, biológicas y químicas. 

El matemático francés Henri Poincaré lo expresó de forma aún más franca cuando escribió: “El científico no estudia la Naturaleza porque es útil; la estudia porque disfruta con ello, y disfruta con ello porque es bella”.

       E. Rutherford, quien descubrió el núcleo del átomo (entre otras muchas cosas), dijo una vez: “Toda ciencia es o física o coleccionar sello”.  Se refería a la enorme importancia que tiene la física para la ciencia, aunque se le olvidó mencionar que la física está sostenida por las matemáticas que la explica.

Pero, a pesar de todos sus inconvenientes, el Modelo Estándar, desde su implantación, ha cosechado un éxito tras otro, con sus inconvenientes y sus diecinueve parámetros aleatorios, lo cierto es que es lo mejor que tenemos por el momento para explicar las familias de partículas que conforman la materia y cómo actúan las fuerzas de la naturaleza, todas las fuerzas menos la gravedad; esa nos la explica a la perfección y sin fisuras las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

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.  Así que retomando la teoría de Kaluza de la quinta dimensión, se propuso la teoría de supergravedad en 1.976 por los físicos Daniel Freedman, Sergio Ferrara y Peter van Nieuwenhuizen, de la Universidad del Estado de Nueva York en Stoney Brook que desarrollaron esta nueva teoría en un espacio de once dimensiones.

Para desarrollar la superteoría de Kaluza-Klein en once dimensiones, uno tiene que incrementar  enormemente las componentes del interior del Tensor métrico de Riemann (que Einstein utilizó en cuatro dimensiones, tres de espacio y una de tiempo para su relatividad general y más tarde, Kaluza, añadiendo otra dimensión de espacio, la llevó hasta la quinta dimensión haciendo así posible unir la teoría de Einstein de la gravedad, con la teoría de Maxwell del electromagnetismo), que ahora se convierte en el supertensor métrico de Riemann.

Esta nueva teoría de supergravedad pretendía la unificación de todas las fuerzas conocidas con la materia, y, como en un rompecabezas, encajarlas en el Tensor de Riemann tan solo con elevar el número de dimensiones que exigía más componentes y nos daba el espacio necesario para poder ubicar en sus apartados correspondientes, todas las fuerzas fundamentales y también la materia, la que podía satisfacer, casi en su totalidad, el sueño de Einstein.

Para visualizar esto, desarrollemos el tensor métrico y mostremos un sencillo diagrama de cómo se las arregla la supergravedad para encajar el campo de Einstein, el campo de Yang-Mills y los campos de Maxwell y de la materia, todo ello en 11 dimensiones.

    La supergravedad casi consigue satisfacer el sueño de Einstein de dar una derivación puramente geométrica de todas las fuerzas y partículas del universo. Al añadir la supersimetría al Tensor métrico de Riemann, la métrica se duplica en tamaño, dándonos la supersimetría de Riemann. Las nuevas componentes del súper tensor de Riemann corresponden a quarks y leptones, casi todas las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza: la teoría de la gravedad de Einstein, los campos de Yang-Mills y de Maxwell y los quarks y leptones. Pero el hecho de que ciertas partículas no estén en esta imagen nos obliga a buscar un formalismo más potente:

La teoría de Supercuerdas

La característica esencial de este diagrama es que la materia, junto con las ecuaciones de Yang-Mills y de Einstein, está ahora incluida en el mismo campo de supergravedad de 11 dimensiones.

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón para el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la fecha no ha sido detectado.

Antes de continuar con la teoría de supercuerdas, o con su versión más avanzada la teoría M, parece conveniente recordar que hasta el momento los ladrillos del universo eran los quarks, las partículas más pequeñas detectadas en los aceleradores del CERN y FERMILAB. Pero ¿están hechos de cosas más pequeñas?, eso no lo sabemos. El Modelo Estándar, menos avanzado que las otras teorías, nos dice que los quarks son las partículas más pequeñas y forman protones y neutrones constituyendo la formación interna del átomo, el núcleo. En la actualidad, nuestros aceleradores de partículas no tienen capacidad para ahondar más allá de los quarks y averiguar si a su vez, éstos están formados por partículas aún más pequeñas.

Por otro lado, los físicos están casi seguros de que los leptones no están compuestos de partículas más pequeñas. Sin embargo, esta sospecha no se tiene en el caso de los quarks; no se sabe qué puede haber detrás de ellos.  Tan sólo se ha llegado a desconfinarlos junto con los gluones y por un breve periodo de tiempo de los protones y neutrones que los mantenían aprisionados, formando – en esos breves instantes – una materia plasmosa. No es raro oir dentro de la comunidad científica a los físicos teóricos hablando de prequarks.

Como antes hemos comentado de pasada, el Modelo Estándar agrupa las partículas en familias:

       Y describe las interacciones que estas partículas tienen con las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, sobre todo con las nucleares fuerte y débil y la electromagnética; la gravedad se queda aparte del Modelo Estándar, ya que su incidencia con las partículas elementales es inapreciable como consecuencia de las infinitesimales masas de éstas, y ya sabemos que la gravedad se deja sentir y se hace presente cuando aparecen las grandes masas como planetas, estrellas y galaxias.

Como el Modelo Estándar es limitado, los físicos buscan desesperadamente nuevas teorías que puedan corregir y perfeccionar este modelo. Así aparecieron las teorías de supersimetría, supergravedad, supercuerdas, y ahora por último, la teoría M propuesta por Edward Witten en 1.995 y que nos quiere explicar, de manera más perfecta, el universo desde su origen, cómo y por qué está conformado ese universo, las fuerzas que lo rigen, las constantes de la naturaleza que establecen las reglas, y todo ello, a partir de pequeños objetos infinitesimales, las cuerdas, que sustituyen a las partículas del modelo estándar que creíamos elementales.

Esta nueva teoría, permite además, unificar o incluir la gravedad con las otras fuerzas, como teoría cuántica de la gravedad, todo ello mediante una teoría estructurada y fundamentada con originalidad y compactificación de las cuatro fuerzas de la naturaleza y dejando un gran espacio matemático para eliminar anomalías o perturbaciones, y se propugna con coherencia que  la cuerda es el elemento más básico de la estructura de la materia; lo que estaría bajo los quarks serían unas diminutos círculos semejantes a una membrana vibrante circular y de diferentes conformaciones.

Ed Witten, en su trabajo, presentó amplias evidencias matemáticas de que las cinco teorías obtenidas de la primera revolución, junto con la más reciente conocida como la supergravedad (supercuerda después), en 11 dimensiones, eran de hecho parte de una teoría inherentemente cuántica y no perturbativa conocida como teoría M. Las seis teorías están conectadas entre sí por una serie de simetrías de dualidad T, S, y U. Además, de la teoría propuesta por Witten se encuentran implícitas muchas evidencias de que la teoría M no es sólo la suma de las partes, sino que se vislumbra un alentador horizonte que podría concluir como la teoría definitiva tan largamente buscada.  

Las supercuerdas, en realidad, sólo es otra manera utilizada por los científicos a la búsqueda de la verdad que la Humanidad necesita y reclama para continuar con su propia evolución que, sin esos conocimientos, quedaría estancada.

Como se puede ver, las partículas implicadas en el Modelo Estándar están en un mundo microscópico de 10^{-17 cm que sí dominan nuestros aceleradores, mientras que la cuerda está en una distancia de 10-33 cm} que les está prohibida; allí no podemos llegar, no tenemos energía suficiente para ello.

Está muy claro para los físicos que, aunque teóricamente, en la TSC* se pueden unir todas las fuerzas, todavía tenemos que seguir sosteniendo que la gravedad resulta una fuerza solitaria para todos los efectos, ya que ha resistido todos los intentos para saber, con certeza, si finalmente se podrá unir a las otras fuerzas de la naturaleza. La gravedad está descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein y tiene una naturaleza esencialmente geométrica. Se entiende como la curvatura del espaciotiempo alrededor de un objeto masivo. En los gráficos, generalmente, se representa como un objeto pesado sobre una superficie fina y tensa (una pelota o bola pesada de jugar a los bolos que dejamos encima de una sábana extendida tirando de las cuatro esquinas). El peso de la bola (materia) hundirá la sábana (espaciotiempo) con mayor intensidad en la distancia más cercana a donde se encuentre su
masa.

El espacio tiempo se distorsiona allí donde residen objetos pesados como los planetas, las estrellas, galaxias y cualesquiera otros cuerpos masivos.

emilio silvera