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

Casi todo lo que ocurre a nuestro alrededor puede explicarse con tan solo dos teorías físicas: la Teoría de la Relatividad General y la Mecánica Cuántica. Hasta hoy, todo intento de unificación de ambas teorías ha sido infructuoso. Sin embargo, físicos de las Universidades de Varsovia y Cracovia, ambas en Polonia, han podido dar con la clave que podría, por fin, unificarlas. Si aciertan, estaríamos ante la mayor revolución de la física, la unificación soñada. Antes de ver cómo lo han hecho, pongámonos en antecedentes.

Las dos grandes teorías de la física

A principios del siglo XX hicieron aparición las dos teorías con las que los físicos somos capaces de explicar el funcionamiento del universo, tanto a grandes escalas (Relatividad General) como a escalas atómicas (Mecánica Cuántica).

La Teoría de la Relatividad General

La primera fue gestada por Albert Einstein y puesta en conocimiento del resto del mundo entre 1915 y 1916.

La Teoría de la Relatividad General está ligada a la Ley de Gravitación Universal que Sir Isaac Newton dictó en 1687, pero va mucho más allá. Establece que el espacio y el tiempo son dimensiones con igual consideración y que la atracción gravitatoria no es una fuerza como tal, sino una perturbación o deformación de la geometría del entramado espacio-tiempo, producida por la masa.

A mayor masa, mayor deformación, o lo que es lo mismo en términos newtonianos, mayor atracción. Los objetos más masivos conocidos son los agujeros negros y, por lo tanto, son los que más distorsionan el espacio-tiempo y mayor atracción gravitatoria producen.

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Una de las revelaciones más interesantes de la teoría es que los astros u objetos siguen siempre líneas “rectas” pero estas pueden estar inmersas en geometrías curvas, y esa curvatura la generan los objetos con masa.

Un ejemplo clásico para poder entender este concepto es el siguiente. Si yo me encuentro sobre la superficie de la Tierra y deseo ir del polo norte al polo sur, el camino más corto será una línea recta siguiendo un meridiano, pero ¿es realmente recta? Si otra persona me está observando desde el espacio verá que lo que estoy recorriendo es realmente una curva, porque la superficie sobre la que me desplazo es una curva, la superficie terrestre. A estás “líneas rectas” o de menor longitud entre dos puntos se les denomina geodésicas.

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La Mecánica Cuántica

Al otro extremo nos encontramos con la Mecánica Cuántica. Esta teoría comenzó a gestarse a finales del siglo XIX cuando el físico alemán Max Planck propuso que la radiación electromagnética era absorbida y emitida por la materia en cantidades fraccionadas y finitas que llamó “cuantos”, explicando de esta manera el patrón de radiación del cuerpo negro y los espectros de absorción/emisión, entre otros fenómenos.

En las teorías anteriores a esta, la energía se trataba como una magnitud continua, lo que en esta teoría se sustituye por una energía cuantizada.

Aunque Einstein, detractor confeso de la teoría cuántica, se valió del concepto de cuanto para explicar el efecto fotoeléctrico en 1905, no fue hasta más allá de 1920 cuando empezó a desarrollarse dicha teoría, un proceso en el que participaron grandes mentes como Louis de Broglie, Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg, entre otros. Sus postulados explican el comportamiento de la materia a escalas atómicas y subatómicas, así como las interacciones a esas escalas, excepto la gravitatoria.

La Ecuación de Schrödinger tiene el papel en Mecánica Cuántica que las Leyes de Newton y de conservación de la energía tienen en Mecánica Clásica. Describe cómo un sistema cuántico no relativista evoluciona en el tiempo. En el caso relativista, si la velocidad de la partícula es comparable con la velocidad de la luz, se debe acudir a otras ecuaciones más complejas, como la de Dirac o la de Klein-Gordon.

La incompatibilidad de ambas teorías

Y si estas dos teorías funcionan tan bien en sus dominios, ¿por qué no pueden aplicarse satisfactoriamente al mismo sistema? La principal diferencia entre ambas es que la primera es determinista y la segunda probabilística, y eso las hace (o hacía) incompatibles.

Intentos de unificación

Quizá, la teoría de unificación más conocida por el gran público es la Teoría de Cuerdas y es que Sheldon Cooper en la serie The Big Bang Theory trabajaba en ella y la defendía a capa y espada. Esta se basa en suponer que las partículas fundamentales no son partículas sin estructura interna, sino estados vibracionales de un objeto más básico llamado cuerda.

Cada partícula se manifiesta mediante un estado vibracional diferente de la cuerda. Para que funcione, además de las cuatro dimensiones clásicas (tres espaciales y una temporal), se necesitan seis más, inobservables en la práctica, aunque, de funcionar, esto no sería ningún inconveniente.

La segunda teoría unificadora que más adeptos tiene es la Gravedad Cuántica de Lazos o de Bucles, defendida en The Big Band Theory por Leslie Winkle, conocida archienemiga de Sheldon Cooper. Aun encontrándose inacabada, ha cosechado algunos éxitos. Plantea que el espacio-tiempo tiene una estructura discreta a escalas minúsculas, del orden de la longitud de Planck.

Otras teorías que persiguen la unificación de 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 twistorial, la gravedad cuántica inducida o la teoría de variables cuánticas gravitatorias.

Todas ellas trabajan en la línea de cuantificar la Relatividad General para que funcione a escalas atómicas y aunque algunas de ellas han conseguido éxitos, quedan lejos de convertirse en la teoría del todo.

Una herramienta hacia la unificación: el Tensor Alena

La mayor parte de los esfuerzos llevados a cabo 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 los físicos de las Universidades de Varsovia y Cracovia, es un tensor que han llamado “Tensor Alena”. Adopta un enfoque completamente opuesto: transforma el espacio-tiempo curvado en un espacio-tiempo plano (como estirar la cáscara de una naranja) de manera que se mantengan matemáticamente los resultados que la Relatividad General y, a continuación, aplican sobre este espacio plano las herramientas conocidas de la mecánica cuántica.

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

Resulta que estas ecuaciones coinciden con las tres principales ecuaciones cuánticas 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 habíamos sabido verlo.

Todo esto continuará, y seguiremos contándolo.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation, un sitio de noticias sin fines de lucro dedicado a compartir ideas de expertos académicos.

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Francisco José Torcal Milla no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.