El lector de ciencia no iniciado, no quiere complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultaran aburridas, tediosas y lo que es peor, incomprensibles.

Los buenos escritores-divulgadores de la ciencia, deben contar los fenómenos naturales revistiéndolos de un atractivo y misterioso halo mágico que se desvela ante sus ojos produciéndoles asombro y sorpresa ante tales maravillas.

Si contamos la historia de una estrella, desde que nace a partir del gas y el polvo interestelar y el proceso que sigue hasta convertirse en otro objeto estelar diferente, al oyente le resultará atractivo o pesado, interesante o incomprensible, según quien y como lo cuente.

Me preocupa, cuando escribo, que lo que estoy contando pueda aburrir al posible lector.  En mi caso, que no superviso de manera previa mis pensamientos y tal como nacen los escribo, es posible que, en alguna ocasión pueda aburrir.  Pido perdón por ello.

Rememorando los avances que la Humanidad logró en los últimos tiempos, caigo en la cuenta de que, poco a poco hemos sido capaces de identificar una colección de números mágicos y misteriosos arraigados en la regularidad de la experiencia.

¡Son las constantes de la Naturaleza!

Dan al Universo su carácter distintivo y lo hace singular, distinto a otros que podría, nuestra imaginación, inventar.

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La llegada de Einstein, en 1905, fue para la física como el elefante que entró en la cacharrería; lo puso todo patas arriba. Los cimientos de la física temblaron con aquellos nuevos y osados conceptos que, en un primer momento, no todos pudieron comprender. Precisamente, Max Planck fue uno de esos pocos privilegiados que, al leer el artículo de Einstein sobre la relatividad especial, comprendió que a partir de ese momento habría que concebir la física bajo la base de otros principios.

Einstein, un desconocido, le decía al mundo científico que la velocidad de la luz en el vació, c, era el límite de la velocidad alcanzable en nuestro universo; nada podía ir más rápido que la luz. Además, decía que el tiempo es relativo y que no transcurre igual para todos. La velocidad del paso del tiempo depende de la velocidad a la que se viaje y de quien sea el observador.

El jefe de estación observa como para el tren que viaja a 60 km/h. Puede ver como un niño que viaja con su padre, sentado junto a él, se asoma por la ventanilla y arroja una pelota, en el mismo sentido de la marcha del tren, impulsándola con una fuerza de 20 km/h. Si el que mide la velocidad de la pelota es el jefe de estación, comprobará que ésta va a 80 km/h, los 60 km a los que viaja el tren, más los 20 km a los que el niño lanzó la pelota; ambas velocidades se han sumado. Sin embargo, si la velocidad de la pelota es medida por el padre del niño que también va viajando en el tren, la velocidad será de 20 km/h, sólo la velocidad de la pelota; no se suma la velocidad del tren, ya que quien mide está montado en él y por lo tanto esta velocidad no cuenta. La velocidad de la pelota será distinta dependiendo de quien la mida, si el observador está en reposo o en movimiento.

De la misma manera, Einstein, en su teoría, nos demostraba que el tiempo transcurre más lentamente si viajamos a velocidades cercanas a las de la luz.

Tal afirmación dio lugar a la conocida como paradoja de los gemelos.  Resulta que dos hermanos gemelos de 28 años de edad se han preparado, uno para arquitecto y el otro para astronauta. El hermano astronauta se dispone a realizar un viaje de inspección hasta Alfa Centauri y su hermano se queda en la Tierra esperando su regreso.

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El fotón, neutrino, electrón, protón, neutrón, muón, tau, kaón, sigma, omega, W y Z, gluón, quarks, gravitón, etc., son nombres muy familiares y, cada uno de ellos nos trae una imagen o un recuerdo a nuestras mentes que, los asocia a aquello de lo que forma parte.

El fotón es el cuanto de luz, radiación electromagnética de una longitud de onda comprendida entre 380 y 780 mm, que produce percepción visual. Se define como el producto de visibilidad por el poder radiante, siendo éste último la intensidad de propagación de la energía luminosa.

El fotón, como partícula, con masa en reposo nula que recorre el espacio vacío a 299.792.458 metros por segundo, puede ser considerado como una unidad de energía igual a hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Son necesarios para explicar el fenómeno fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula.

De la luz, nos podríamos estar hablando horas y horas, de sus propiedades en fotónica, fotoquímica, fotosfera y otros muchos ámbitos del saber humano con la luz relacionados, como por ejemplo, la claridad luminosa que irradian los cuerpos en combustión, ignición o incandescencia.

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Geometría -> teoría de campos -> teoría clásica -> teoría cuántica

La Relatividad General tuvo una evolución normal y lógica, postula el principio de equivalencia y luego formuló este principio físico en matemáticas de una teoría de campos de Faraday y el Tensor Métrico de Riemann. Después llegaron las soluciones clásicas como los Agujeros Negros y el Big Bang.

Contrariamente, la teoría de supercuerdas ha estado evolucionando hacia atrás desde su descubrimiento accidental en 1968. Esta es la razón de que nos parezca extraña y poco familiar, estamos aún buscando un principio físico subyacente, la contrapartida del principio de equivalencia de Einstein.

La teoría nació casi por casualidad en 1968 cuando dos jóvenes físicos teóricos, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, estaban hojeando independientemente libros de matemáticas, figurense ustedes que, estaban buscando funciones matemáticas que describieran las interacciones de partículas fuertemente interactivas.

Mientras estudiaban en el CERN, el Centro Europeo de Física Teórica en Ginebra, Suiza, tropezaron independientemente con la función beta de Euler, una función matemática desarrollada en el S. XIX por el matemático Leonhard Euler. Se quedaron sorprendidos al descubrir que la función beta de Euler ajustaba casi todas las propiedades requeridas para describir interacciones fuertes de partículas elementales.

Según he leido, durante un almuerzo en el Lawrence Berkeley Laboratory en California, con una espectacular vista del Sol brillando sobre el puerto de San Francisco, Suzuki le explicó a Michio Kaku, mientras almorzaban la excitación de descubrir, prácticamente por casualidad, un resultado parcialmente importante. No se suponía que la física se pudiera hacer de ese modo casual.

Tras el descubrimiento, Suzuki, muy excitado, mostró el hallazgo a un físico veterano del CERN. Tras oir a Suzuki, el físico veterano no sé impresionó. De hecho, le dijo a Suzuki que otro físico joven (Veneziano) había descubierto la misma función unas semanas antes. Disuadió a Suzuki de publicar su resultado. Hoy, esta función beta se conoce con el nombre de modelo Veneziano, que ha inspirado miles de artículos de investigación iniciando una importante escuela de física y actualmente pretende unificar todas las leyes de la física.

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Pero… ¿somos en verdad tan insignificantes?

Los logros alcanzados hasta el momento parecen desmentir tal afirmación, el camino recorrido por la humanidad no ha sido nada fácil, los inconvenientes y dificultades vencidas, las luchas, la supervivencia, el aprendizaje por la experiencia primero y por el estudio después, el proceso de humanización (aún no finalizado), todo eso y más nos dice que a lo mejor, es posible, pudiera ser que finalmente, esta especie nuestra pudiera tener un papel importante en el conjunto del universo. De momento y por lo pronto ya es un gran triunfo el que estemos buscando respuestas escondidas en lo más profundo de las entrañas del cosmos.

Tengo la sensación muy particular, y, dentro de mi cabeza resuena, un mensaje que no sé de dónde pero que llega a mi mente que me dice de manera persistente y clara que no conseguiremos descubrir plenamente esa ansiada teoría del todo, hasta tanto no consigamos dominar la energía de Planck que hoy por hoy, es inalcanzable y sólo un sueño.

En mecánica cuántica es corriente trabajar con la constante de Planck racionalizada,  (ħ = h/2p = 1’054589×10^-34 Julios/segundo), con su ley de radiación (I_v = 2hc^-2v³/[exp(hv/KT)-1]), con la longitud de Planck, (), con la masa de Planck denotada .

Todo lo anterior son herramientas de la mecánica cuántica que en su conjunto son conocidas como unidades de Planck, que como su mismo nombre indica son un conjunto de unidades, usado principalmente en teorías cuánticas de la gravedad, en que longitud, masa y tiempo son expresadas en múltiplos de la longitud, masa y tiempo de Planck, respectivamente. Esto es equivalente a fijar la constante gravitacional (G), como la velocidad de la luz (c), y la constante de Planck racionalizada (ħ) iguales todas a la unidad.  Todas las cantidades que tienen dimensiones de longitud, masa y tiempo se vuelven adimensionales en unidades de Planck. Debido a que en el contexto donde las unidades de Planck son usadas es normal emplear unidades gaussianas o unidades de Heaviside–Lorentz para las cantidades electromagnéticas, éstas también se vuelven adimensionales, lo que por otra parte ocurre con todas las unidades naturales. Un ejemplo de esta curiosidad de adimiensionalidad, está presente en la constante de estructura fina (2pe²/hc) de valor 137 (número adimensional) y cuyo símbolo es la letra griega a (alfa).

Estas unidades de Planck nos llevan a la cosmología del nacimiento del universo y nos proporciona un marco elegante, coherente y manejable mediante cálculos para conocer el universo remontándonos a los primeros momentos más breves posteriores a la explosión o Big Bang. El tiempo de Planck por ejemplo, expresado por , tiene un valor del orden de 10^-43 segundos, o lo que es lo mismo, el tiempo que pasó desde la explosión hasta el tiempo de Planck fue de:

0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.010 de 1 segundo. En la fórmula, G es la constante universal de Newton, ħ es la constante de Planck racionalizada y c es la velocidad de la luz.

Es una unidad de tiempo infinitesimal, como lo es el límite de Planck que se refiere al espacio recorrido por un fotón (que viaja a la velocidad de la luz) durante una fracción de tiempo de ínfima duración y que es de 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.010 de cm.

Hasta tal punto llegan los físicos en sus cálculos para tratar de adecuar los conocimientos a la realidad por medio del experimento.

Sin embargo, cuando hablamos de estas unidades tan pequeñas, no debemos engañarnos. Precisamente, para tratar de llegar hasta esos límites tan profundos se necesitan máquinas que desarrollan inmensas energías: los aceleradores de partículas, que como el Fermilab o el CERNE, han facilitado a los físicos experimentadores entrar en las entrañas de la materia y descubrir muchos de los secretos antes tan bien guardados.

Desgraciadamente, aún no se han fabricado aceleradores tan potentes como para poder detectar la partícula de Higgs (veremos que hace el LHC), esa partícula responsable de proporcionar masa a todas las demás partículas. Y, por supuesto, más lejos queda la posibilidad de que podamos construir un acelerador que pudiera alcanzar la energía de Planck, del orden de 10¹⁹ eV (1 eV = 10^-19 julios) = 1’60210×10^-19. Hoy por hoy, ni nuestra tecnología ni todos los recursos que tenemos disponibles si empleáramos todo el presupuesto bruto de todos los países del globo unidos, ni así digo, podríamos alcanzar esta energía necesaria para comprobar experimentalmente la existencia de “cuerdas” vibrantes que confirmen la teoría de Todo.

Ante tal imposibilidad material, los físicos y matemáticos continúan por el camino de la teórica y de las comprobaciones indirectas que, aunque mucho más lenta, está dando muy buenos resultados.

La teoría de supercuerdas que pretende explicarlo todo es muy compleja y se han encontrado cinco versiones distintas.

Todas estas versiones: tipo I, tipo IIA, tipo IIB, heterótica 0 (32) y heterótica E₈×E₈, en realidad son partes de una sola teoría que las une a todas y que provisionalmente se ha dado en llamar teoría M.

Aunque todavía queda mucho trabajo por hacer, hay dos características esenciales de la teoría M que los físicos todavía no han descubierto. En primer lugar, la teoría M tiene once dimensiones (diez espaciales y una temporal). Más o menos del mismo modo que Kaluza descubrió que una dimensión espacial adicional permitía realizar una fusión inesperada de la relatividad general y el electromagnetismo (Einstein–Maxwell), los especialistas en teoría  de  cuerdas  han  constatado  que una dimensión espacial adicional dentro de dicha teoría (la teoría de cuerdas normal tiene nueve dimensiones de espacio y una de tiempo), permite realizar una síntesis profundamente satisfactoria de las cinco versiones de esta teoría.

Los resultados de la segunda revolución de las supercuerdas han demostrado que las 5 terorías de cuerdas forman parte de un solo marco unificado, llamado Teoría M.

Además, esta dimensión espacial adicional no está tirada de los pelos, al contrario; los expertos en teoría de cuerdas que con 11 dimensiones todos los razonamientos anteriores son exactas y que así se pueden completar, demostrando que la dimensión número 11 había pasado desapercibido hasta ahora.

La segunda característica que se ha descubierto respecto a la teoría M es el hecho de que contiene cuerdas vibratorias, pero también incluye otros objetos: membranas vibratorias bidimensionales, burbujas tridimensionales que se ondulan (llamadas “tri-branas”) y además una gran cantidad de otros ingredientes diversos. Como sucede con la undécima dimensión, esta característica de la teoría M se pone de manifiesto cuando los cálculos se liberan de su dependencia de las aproximaciones utilizadas allá por la década de 1.990.

Aparte de estas y otras varias ideas a las que se ha llegado recientemente, gran parte de la verdadera naturaleza de la teoría M sigue siendo un misterio. En realidad, la teoría M de cuerdas es el principal reto que tienen planteado los físicos del siglo XXI, con Edward Witten a la cabeza de todos, abriendo la marcha de un profundo y complejo entramado de conocimientos que, según se cree, nos puede llevar al origen del universo mismo, explicando todos aquellos puntos oscuros que ahora no sabemos comprender y uniendo todas las fuerzas en una sola ecuación maravillosa que responda a todo lo que le podamos preguntar.

emilio silvera

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