Los extremos de las eslacalas del Universo

El mundo de la Física tiene planteado un gran problema y los físicos son muy conscientes de ello, conocen su existencia desde hace décadas. El problema es el siguiente:

Existen dos pilares fundamentales en los cuales se apoya toda la física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que nos proporciona el marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo.

El otro pilar es la mecánica cuántica, que en un primer momento vislumbro Max Planck y posteriormente fue desarrollada por W. Heisemberg, Schrödinger, el mismo Einstein, Dirac, Niels Bohr y otros, que nos ofrece un marco teórico para comprender el universo en su escala mínima: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y quarks.

Durante años de investigación, los físicos han confirmado experimentalmente, con una exactitud casi inimaginable, la practica totalidad de las predicciones que hacen las dos teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos nos llevan a una conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez.

Nos encontramos con que las dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante el último siglo (avances que han explicado la expansión de los cielos y la estructura fundamental de la materia) son mutuamente incompatibles. Cuando se juntan ambas teorías, aunque la formulación propuesta parezca lógica, aquello explota; la respuesta es un sinsentido que nos arroja un sin fin de infinitos a la cara.

Así que si tú, lector, no has oído nunca previamente hablar de este feroz antagonismo, te puedes preguntar a que  será debido. No es tan difícil encontrar la respuesta. Salvo en algunos casos muy especiales, los físicos estudian cosas que son o bien pequeñas y ligeras (como los átomos y sus partes constituyentes), o cosas que son enormes y pesadas (como estrellas de neutrones y agujeros negros), pero no ambas al mismo tiempo. Esto significa que sólo necesitan utilizar la mecánica cuántica, o la relatividad general, y pueden minimizar el problema que se crea cuando las acercan demasiado; las dos teorías no pueden estar juntas. Durante más de medio siglo, este planteamiento no ha sido tan feliz como la ignorancia, pero ha estado muy cerca de serlo.

No obstante, el universo puede ser un caso extremo. En las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una descomunal masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo. En el momento del Bing Bang, la totalidad del universo salió de la explosión de una bolita microscópica cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general.

Por ciertas razones, las fórmulas de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, cuando se combinan, empiezan a agitarse, a traquetear y a tener escapes de vapor como el motor de un viejo automóvil. O dicho de manera menos figurativa, hay en la física preguntas muy bien planteadas que ocasionan esas respuestas sin sentido, a que me referí antes, a partir de la desafortunada amalgama de las ecuaciones de las dos teorías.

Aunque se desee mantener el profundo interior de un agujero negro y el surgimiento inicial del universo envueltos en el misterio, no se puede evitar sentir que la hostilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general está clamando por un nivel más profundo de comprensión.

¿Puede ser creíble que para conocer el universo en su conjunto tengamos que dividirlo en dos y conocer cada parte por separado? Las cosas grandes una ley, las cosas pequeñas otra.

El tic tac de nuestras mentes debe continuar para llegar a comprender

No creo que eso pueda ser así. Mi opinión es que aún no hemos encontrado la llave que abre la puerta de una teoría cuántica de la gravedad, es decir, una teoría que unifique de una vez por todas las dos teorías más importantes de la física: mecánica cuántica + relatividad general.

La teoría de supercuerdas ha venido a darme la razón. Los intensos trabajos de investigación llevada a cabo durante los últimos 20 años demuestran que puede ser posible la unificación de las dos teorías cuántica y relativista a través de nuevas y profundas matemáticas topológicas que han tomado la dirección de nuevos planteamientos más avanzados y modernos, que pueden explicar la materia en su nivel básico para resolver la tensión existente entre las dos teorías.

En esta nueva teoría de supercuerdas se trabaja en 10, 11 ó en 26 dimensiones, se amplía el espacio ahora muy reducido y se consigue con ello, no sólo el hecho de que la mecánica cuántica y la relatividad general no se rechacen, sino que por el contrario, se necesitan la una a la otra para que esta nueva teoría tenga sentido. Según la teoría de supercuerdas, el matrimonio de las leyes de lo muy grande y las leyes de lo muy pequeño no sólo es feliz, sino inevitable.

Esto es sólo una parte de las buenas noticias, porque además, la teoría de las supercuerdas (abreviando teoría de cuerdas) hace que esta unión avance dando un paso de gigante. Durante 30 años, Einstein se dedicó por entero a buscar esta teoría de unificación de las dos teorías, no lo consiguió y murió en el empeño; la explicación de su fracaso reside en que en aquel tiempo, las matemáticas de la teoría de supercuerdas eran aún desconocidas.  Sin embargo, hay una curiosa coincidencia en todo esto, me explico:

Cuando los físicos trabajan con las matemáticas de la nueva teoría de supercuerdas, Einstein, sin que nadie le llame, allí aparece y se hace presente por medio de las ecuaciones de campo de la relatividad general que, como por arte de magia, surgen de la nada y se hacen presentes en la nueva teoría que todo lo unifica y también todo lo explica; posee el poder demostrar que todos los sorprendentes sucesos que se producen en nuestro universo (desde la frenética danza de una partícula subatómica que se llama quark hasta el majestuoso baile de las galaxias o de las estrellas binarias bailando un valls, la bola de fuego del Big Bang y los agujeros negros) todo está comprendido dentro de un gran principio físico en una ecuación magistral.

Esta nueva teoría requiere conceptos nuevos y matemáticas muy avanzados y nos exige cambiar nuestra manera actual de entender el espacio, el tiempo y la materia. Llevará cierto tiempo adaptarse a ella hasta instalarnos en un nivel en el que resulte cómodo su manejo y su entendimiento. No obstante, vista en su propio contexto, la teoría de cuerdas emerge como un producto impresionante pero natural, a partir de los descubrimientos revolucionarios que se han realizado en la física del último siglo. De hecho, gracias a esta nueva y magnifica teoría, veremos que el conflicto a que antes me refería existente entre la mecánica cuántica y la relatividad general no es realmente el primero, sino el tercero de una serie de conflictos decisivos con los que se tuvieron que enfrentar los científicos durante el siglo pasado, y que fueron resueltos como consecuencia de una revisión radical de nuestra manera de entender el universo.

El primero de estos conceptos conflictivos, que ya se había detectado nada menos que a finales del siglo XIX, está referido a las desconcertantes propiedades del movimiento de la luz.

Isaac Newton y sus leyes del movimiento nos decía que si alguien pudiera correr a una velocidad suficientemente rápida podría emparejarse con un rayo de luz que se esté emitiendo, y las leyes del electromagnetismo de Maxwell decían que esto era totalmente imposible. Einstein, en 1.905, vino a solucionar el problema con su teoría de la relatividad especial y a partir de ahí le dio un vuelco completo a nuestro modo de entender el espacio y el tiempo que, según esta teoría, no se pueden considerar separadamente y como conceptos fijos e inamovibles para todos, sino que por el contrario, el espacio-tiempo era una estructura maleable cuya forma y modo de presentarse dependían del estado de movimiento del observador que lo esté midiendo.

El escenario creado por el desarrollo de la relatividad especial construyó inmediatamente el escenario para el segundo conflicto. Una de las conclusiones de Einstein es que ningún objeto (de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase) puede viajar a una velocidad superior a la de la luz. Einstein amplió su teoría en 1915 – relatividad general – y perfeccionó la teoría de la gravitación de Newton, ofreciendo un nuevo concepto de la gravedad que estaba producida por la presencia de grandes masas, tales como planetas o estrellas, que curvaban el espacio y distorsionaban el tiempo.

Tales distorsiones en la estructura del espacio y el tiempo transmiten la fuerza de la gravedad de un lugar a otro. La luna no se escapa y se mantiene ahí, a 400.000 Km de distancia de la Tierra, porque está influenciada por la fuerza de gravedad que ambos objetos crean y los mantiene unidos por esa cuerda invisible que tira de la una hacia la otra y viceversa. Igualmente ocurre con el Sol y la Tierra que, separados por 150 millones de kilómetros, están influidos por esa fuerza gravitatoria que hace girar a la Tierra (y a los demás planetas del Sistema Solar) alrededor del Sol.

El espacio-tiempo es una estructura suave, al menos así lo sugiere un nuevo estudio, anotando una posible nueva victoria para Einstein sobre los teóricos que opinaban de otra manera y trataban de rebatir su teoría del espacio-tiempo relativista con argumentos que, nunca fueron demostrados.

Así las cosas, no podemos ya pensar que el espacio y el tiempo sean un telón de fondo inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo, al contrario; según la relatividad especial y la relatividad general, son actores que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de los sucesos.

El descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. Durante tres décadas desde 1.900, en que Max Planck publicó su trabajo sobre la absorción o emisión de energía de manera discontinua y mediante paquetes discretos a los que él llamo cuantos, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica en respuesta a varios problemas evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico. Así que el tercer conflicto estaba servido, la incompatibilidad manifiesta entre relatividad general y mecánica cuántica.

La forma geométrica ligeramente curvada del espacio que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica, lo cual era sin duda alguna el problema central de la física moderna.

Las dos grandes teorías de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica, infalibles y perfectas por separado, no funcionaban cuando tratábamos de unirlas resulta algo incomprensible, y, de todo ello podemos deducir que, el problema radica en que debemos saber como desarrolar nuevas teorías que modernicen a las ya existentes que, siendo buenas herramientas, también nos resultan incompletas para lo que, en realidad, necesitamos.

emilio silvera

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Lo misnmo el que el Universo, todo es dinámico y está sujeto al cambio

También nuestras mentes lo son, y a medida que el tiempo transcurre y observamos y tenemos experiencias, investigamos y experimentamos, llegamos a conclusiones más certeras de lo que las cosas son, de cómo es el mundo y todo lo que le rodea, el Universo en fin que, es todo lo que existe y del que en el pasado teníamos una noción muy vaga y, la mayor parte de las veces, equivocada.

                La engañosa sensación de que son las estrellas las que se mueven cuando las miramos

La Tierra siempre nos pareció vasta e inmóvil, a través de dos millones de años en la prehistoria de la Humanidad nos proporcionó el escenario para poder realizar toda experiencia humana, con un cielo que no parecía otra cosa que un decorado lleno de luces que se movían. La Astronomía y la observación del espacio nos ha conducido a darnos cuenta de lo contrario: El Universo es vasto y el mundo de los hombres es pequeño.

Para cualquiera que siga el movimiento del Sol día tras día, y los movimientos de la Luna y las estrellas noche tras noche, es evidente que la Tierra constituye “el centro del universo” y que los cuerpos celestes giran a su alrededor diariamente, rindiendo homenaje a la morada del hombre. Cada día el Sol atraviesa la bóveda celeste; cada noche, la Luna y las estrellas realizan su ceremoniosa procesión a través de los cielos.

               Aún perduran los nombres de algunas constelaciones de aquellos antiguos Astrónomos

En las épocas antiguas, los hombres quedaban maravillados ante este movimiento nocturno de los cuerpos celestes y se preguntaban cuál podía ser su causa. A medida que seguían las estrellas noche tras noche, llegaron a dar un paso más, advirtiendo que sus formas no cambiaban; las estrellas de la Osa Mayor atravesabanm entonces el cielo formando una unidad, un conjunto inamovible y duradero de tal manera que hoy, aún continúa manteniéndose la figura legendaria del pasado. A partir de hechos como éste, los Astrónomos primitivos decidieron que las estrellas debían encontrarse firmemente atadas a una esfera enorme que rodeaba a la Tierra. La esfera daba una vuelta completa a la Tierra cada veinticuatro horas; cuando volvía a aparecer, las estrellas aparecían con ella. En el centro de esa esfera estaba la Tierra, sólida e inmóvil, situada convenientemente en el eje del Universo.

Algunos Astrónomos de la antigüedad en Grecia creyeron que podía ser la Tierra y no el cielo, quien giraba sobre su eje cada veinticuatro horas. Esta situación podía crear un movimiento aparente del cielo. Las estrellas podían estar fijas en el espacio, pero una persona colocada en una Tierra que rotaba sobre sí misma las vería moverse en la dirección contraria a la suya, de la misma manera en que un paisaje parece que se mueve cuando uno se encuentra subido a un carrusel o tiovivo. Y un Astrónomo griego tuvo incluso el “extraño” pensamiento de que, era la Tierra la que se movía alrededor del Sol mientras giraba sobre su propio eje. Hiparco de Samos le llamaban y, desde luego, en aquel tiempo, nadie le prestó atención, tuvo que venir Copérnico, 700 años más tarde, para que todos apoyaran esa idea que, aún entonces, algunos tacharon de locura.

Está claro que hoy, después de pasado el tiempo de saber lo que sabemos ahora, todas aquellas ideas nos parecen naturales y muy adecuadas para los tiempos que vivían y los conocimientos que, con sus escasos medios, podían alcanzar, y, sin embargo, los pensamientos avanzados eran, por lo general, objeto del idículo y el mayor escarnio sino de algo más grave aún.

Aunque ahora sabemos cómo se mueve la Tierra por el Espacio, para la mayoría de la gente de la época primitiva les parecía una estupidez que la masa de la Tierra pudiera girar sobre su eje como una peonza o viajar por el espacio como si de un barco se tratara. Evidentemente, todo aquello que no fuera más rápido que la Tierra quedaría siempre atrás; una flecha que lanzáramos al aire directamente hacia arriba debería caer al suelo  muchos kilómetros más allá; rocas y árboles deberían salir volando de una Tierra que girase sobre sí misma, de la misma manera que sale despedido el barro de la llanta de una rueda de vagón en movimiento. Desde el mismo momento que nadie había llegado a comprobar esos efectos, la Tierra debía encontrarse estacionaria, y el Sol, la Luna y las estrellas girarían a su alrededor diariamente. Así quedaba demostrado por toda la experiencia Humana.

Ñps antiguos observadores del cielo, al no saber lo que eran, llamaban a los planetas vistos desde la Tierra “estrellas errantes”, ya que, se movían y no mantenían una posición fija o estática.

Así, se pudieron dar cuenta de que había un hecho que no estaba de acuerdo con esa imagen de una Tierra fija rodeada por una esfera de estrellas en rotación. Cinco “estrellas” no se comportaban como estrellas ordinarias; en lugar de mantener posiciones fijas en relación con otras estrellas, vagaban por los cielos, unas veces más cerca de una estrella y, otras, más cerca de otra. Los Astrónomos griegos, asombrados por el hecho de que esos cinco misteriosos objetos fueran diferentes a cualquier otra estrella, les denominaron “Errantes”, o planètès, en griego. Aquí fueron conocidos como planetas.

Hoy día todos sabemos lo que es un planeta que significa un cuerpo esférico de roca y de hierro como la Tierra o Marte, o una gran esfera de hidrógrno como Júpiter o Satuno; pero aquellos astrónomos griegos y otros de su tiempo, que no disponían de telescopios, no tenían ni idea de que aquellos objetos a los que denominaban planetas pudieran ser cuperpos masivos como la Tierra. Para ellos y visto en la distancia, eran sencillamente puntos de luces parecidos a las estrellas y situados lejos, inalcanzables.

Asombrados por el movimiento errátivo de aquellos planetas, los astrónomos primitivos observaban cuidadosamente su posición, año tras año, y después de cierto tiempo, advirtieron que sus movimientos seguían una pauta. Cada planeta o estrella errante, , seguí un camino curvo en el cielo nocturno, que se dirigía primero de Este a Oeste y que, después, regresaba describiendo su curva de Oeste a Este.

Si los planetas se encontraban sujetos a una gran esfera que giraba en los cielos, deberian moverse atravesando el cielo solamente de Este a Oeste, en un recorrido fijo, igual que el resto de las estrellas. Evidentemente, no podían estar fijado a la esfera celestial. Debian estar situados en cualquier otro lugar del espacio. Pero ¿Dónde? ¿Y por qué iban y venían describiendo aquella especie de anillo?

Reflexionando sobre estas preguntas, dos astrónomos griegos llamados Apolonio el uno e Hiparco el otro, tuvieron la ingeniosa idea. Ellos defendían que los planetas estaban atados a la llanta de una rueda que giraba atravesando el cielo. Al girar la rueda por el cielo, el planeta describiría un camino curvo, exactamente como se podía observar en los planetas reales. Y, aunque aquella idea funcionó muy bien al principio… Cuando los astrónomos trataron de realizar la representar de las ruedas que iban rodando por el cielo según los movcimientos observados en los planetas, se encontraron conque era imposible hacer una imagen adecuada a menos que creyesen que las ruedas rodaban sobre otras ruedas. Es decir, un planeta se movía en la llanta de una rueda que, a su vez, se movía en la llanta de otra rueda.

Llegó Ptolomeo, en el s II d. de C. y concluyó que se necesitaba como mínimo cuarenta ruedas situadas sobre otras ruedas para describir los movimientos del Sol, la Luna y los cinco planetas -que por entonces eran conocidos-. Las ruedas rodantes de Ptolomeo parecían funcionar muy bien, pero la gente creía que su modelo celeste era demasiado complicado. Cuando Alfonso X, rey de Castilla y Aragón, oyó hablar del sistema ptolemaico, afirmó:

“Si el Señor me hubiera consultado a mí, le hubiera recomendado algo mucho más sencillo.”

 

Y John Milton, que hubo de enseñar el sistema ptolemaico como profesor de escuela en el siglo XVII, escribió disgustado acerca de Ptolomeo y de sus seguidores:

“Cómo discurren

Para guardar las apariciencias, cómo disponen la Esfera

Con lo Céntrico y lo Excéntrico garabateando sobre

El Ciclo y el Epiciclo, la Rueda en la Rueda…”

 

 

Sin embargo, el cuadro del Universo que poresentaba Ptolomeo era lo mejor que la mente humana, en aquellos tiempos, había podido construir, toda vez que, no se disponía de los datos más precisos que más adelante daría la observación telescópica de los cuerpos celestes -planetas y estrellas- de nuestra vecindad en el primer momento y mucho más lejos más tarde.

Pero no adelantemos acontecimientos y, fue finalmente, alrededor del 1500, cuando un clérico polaco llamado Copérnico, se hizo con una idea de Aristarco de Samos y, vino a plantear el modelo más cercano a la realidad de que era el Sol, y no la Tierra, el que ocupaba el Centro del Sistema solar y los planetas daban vueltas a su alrededor orbitándo al cuerpo mayor.

                 ¿Cómo imaginar una Tierra sin Gravedad?

Así y todo, a pesar de sus críticos, el modelo de Copérnico echó raíces en la mente de los hombres. Se comenzó a respirar un ambiente más fresco en todo aquel farragoso asunto y, desde luego, allí se entregó la llave que dio lugar a que se pudieran abrir otras puertas cerradas, a nuevas ideas y nuevos conceptos que llegaron de la mano de Kepler y Tycho Brahe y muchos otros después.

Ahora, sabiendo lo que sabemos, nos podemos asombrar de que, aquellos Astrónomos del pasado, hubieran podido creer que los planetas podían ser como Joyas pulidas y brillantes, perfectas e inmutables, mientras que la Tierra estaba formada por una sustancia ordinaria, tales como barro y agua y rocas pero, pasó el tiempo y abrieron los ojos para asombrados ver que, todos aquellos objetos maravillosos brillantes del cielo, eran también, como la misma Tierra, de barro, roca y agua esos materiales simples que van cargado de susctancias complejas que traen la vida si la radiación del Sol las calienta.

Ahora, desde la aventura que comenzó Galileo, hemos podido dejar el ámbito localista de Ptolomeo y Copérnico y nos hemos desplazado hasta un ámbito mucho mayor, en el que podemos hablar de big bang, de supercúmulos de galaxias y fusiones. Ahora sabemos cómo nacen, viven y mueren las estrellas y de qué están hechas, sabemos que algunas estrellas son pequeñas enanas rojas, otras medianas y amaravillas y que también, existen estrellas gigantes supermasivas. Hemos llegado a saber que en las estrellas se producen las transiciones de fase de la materia simple en otras formas más complejas, y, sobre todo, hemos podido llegar a descubrir cómo funciona el Universo mediante cuatro fuerzas fundamentales que intervienen en lo que pasa por el todo el Cosmos. De la misma manera, llegamos a descubrir que todo lo grande (galaxias, estrellas y mundos), todo lo que podemos ver, está hecho de pequeños objetos que llamamos partículas y que son algunas elementales y otras complejas pero que, se unen en la manera adecuada para conformar todas las cosas que existen… ¿Incluídos nosotros!

Aunque el tema de hoy es bien conocido por “casi” todos, he pensado que muchos de los jóvenes que por aquí pasan, podrían necesitar tener una idea más amplia de cómo eran antes las cosas y lo que de ellas se pensaba y, de esa manera, me puse a escribir hasta dejar, este sencillo relato de lo que fue y hasta donde hemos podido llegar.

emilio silvera

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