Lo que entiendo de Cuerdas, parte I: El conflicto
Buenas!!
Estoy dando buena cuenta de los libros de navidad. Y entre ellos he terminado el libro más marciano (raro) que haya leído jamas.
Hasta ahora había sido un libro que escribió el fiscal del juicio a Charles Manson profusamente ilustrado con fotografías estilo mitad CSI y mitad Starky y Huch de los crímenes cometidos por la Familia Manson y que tenía el padre de Jose, mi colega de lo Festivales, en su casa (lamento no recordar ni el nombre del autor ni el título. Tampoco conozco la razón por la cual un catedrático de lenguas clásicas tenía un libro así).
Charles Manson
(pie de foto innecesario pero tengo costumbre ponerlo)
Pues ya no es el libro más extraño que haya leído. Ese honor recae sobre el varias veces mencionado en este blog “El Universo Elegante” de Brian Greene. Ya lo he acabado y para ello he tenido que dejaros un poco para centrarme en el librito de más de 500 páginas. (pensandolo mejor quizás eso ha sido un efecto positivo aunque temporal, como podéis comprobar).
Me ha parecido extremadamente interesante pero los esfuerzos para comprender sus conceptossobre la teoría de cuerdas han sido mayúsculos. A pesar del espléndido relato de Greene, que avanza en sus explicaciones de forma muy pausada y con ejemplos relativamente fáciles, ha exigido grandes dosis de imaginación por mi parte para seguirlo. Porque plantea una posible solución al santo grial de la física: la teoría que unifique la teoría cuántica y la teoría de la relatividad general. No podía perdermela.
Y como yo soy “asín” no puedo dejar de intentar de explicaros de la forma más comprensiva posible de que va (este será el post más difícil que haya hecho).
Ahí va. A ver en que jardín me meto.
*** ATENCION: Lo que sigue y la próxima entrada tienen mucha física teórica. No seáis cobardes y no abandonéis. La recompensa es grande***
PARTE 1: El Conflicto
El Universo que conocemos, desde el punto de vista físico, tiene dos marcos teóricos fundamentales que explican como se comporta. Ambas marcos han sido comprobados en multitud de experimentos pero entre ellos son incompatibles entre si.
Hablo de la Teoría General de la Relatividad que desarrolla la fuerza de la gravedad (Einstein otra vez) y la Mecánica cuántica (con multitud de padres, entre ellos Werner Heisenberg, Max Planck, Niels Bohr, Erwin Schrödinger y, como no, Albert Einstein) que en un formato llamado “Modelo Estandar de Partículas” desarrolla las tres fuerzas restantes: fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la nuclear débil.
Einstein de mayor y Heisenberg de joven
El universo, todo el espacio y el tiempo con todas las cosas que existen, están regidor por 4 fuerzas fundamentales. Dos de ellas son muy familiares para nosotros: la gravedad (que permite que tu y yo estemos sentados o que despierta a dormilones mediante manzanas en caída libre o que mantiene a la Tierra en la órbita del sol o) y la fuerza electromagnética (la misma que mantiene a los átomos unidos para formar nuestro DNA o la que en forma de luz nos llega del Sol o nos permite coger objetos sin atravesarlos).
Las otras fuerzas son menos evidentes para nosotros pero muy importantes. La fuerza nuclear fuerte y la nuclear débil intervienen en procesos subatómicos manteniendo unidos a los protones en el núcleo o en ciertas clases de desintegración de ciertas partículas.
Es decir, todos los procesos del Universo, todos, están regidos por estas 4 fuerzas. Todas tienen un marco teórico que las desarrolla. Unas teorías matemáticas que las explican.
Los físicos, que son una gente muy curiosa, han intentando encontrar una teoría que las englobe y explique durante el siglo XX. Sería la teoría del todo. Lo consiguieron parcialmente dentro del marco de la mecánica cuántica (es el Modelo Estandar de Partículas) con la unificación de las fuerzas nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnética pero se han encontrado una dificultad insuperable cuando lo han intentado con la gravedad (según el modelo de la Relatividad General. El mismo Einstein dedicó sus últimos años a este sueño). La búsqueda de la teoría que lo explique TODO ha sido infructuosa ¿Y por qué?
Por conceptos incompatibles. Para la Relatividad General el espacio y el tiempo están intrincados en la propia estructura del Universo. El espacio-tiempo se “deforma” en presencia de una masa. Esa deformación es fuerza de atracción gravitatoria, la gravedad. La masa, como una canica pesada sobre un globo no muy hinchado, “hunde” la estructura del espacio (y del tiempo) produciendo un efecto de “caida” a otras masas cercanas (otras canicas). Si esas canicas tuvieran un movimiento recto, se desviarían hacia el “hundimiento” que provoca la canica más pesada y con suerte daría algunas vueltas alrededor de ella. Hasta podría entrar en “orbita” si continua dando vueltas. Esa es la explicación de como orbita la Tierra alrededor del Sol. Estos efectos son más perceptibles cuanto más grande es la masa. Las estrellas que componen una galaxia están “pegadas” con el pegamento de la gravedad.
Una canica "hunde" la superficie del globo.
O una masa "dobla" el espacio-tiempo.
Claro que (y llegamos al meollo 1) si no hubiera ninguna masa el espacio-tiempo para la Relatividad General está vacío y liso.
Por otro lado está la mecánica cuántica, algo que Feynman decía que “no entendía nadie”. Tiene un pincipio matemático llamado de incertidumbre que en esencia dice que no puedes conocer completamente el estado exacto de algo a la escala súbatómica *. El ejemplo clásico es el de una partícula de la cual no se puede conocer su posición y su velocidad a la vez. O lo uno o lo otro. Es como si durante un viaje en coche pudieras decir cuando vas a llegar pero no donde estas y viceversa. Es así de extraño.
Este principio de incertidumbre (más otros que no vienen al caso) tiene una serie de consecuencias físicas comprobadas una y otra vez. Y extraños efectos. Por ejemplo, en el espacio vacío, sin un solo átomo ni campo, si nos acercáramos mucho mucho mucho con un detector de energías tipo Star Trek (un tricorder, vamos) detectaríamos unas débiles fluctuaciones de energia y masa. Energía y masa de la nada, derivada del principio de incertidumbre (ya lo dijo el tio Feynman, no lo entiende nadie).
Vamos que para la mecánica cuántica el espacio (y el tiempo) está lleno y es rugoso (y este es el meollo 2).
Y por fin EL CONFLICTO. Para el meollo 1 el espacio HA DE SER LISO y en el meollo 2 el espacio ESTÁ LLENO. Es abiertamente contradictorio. Este es un ejemplo fácil (!) sobre la incompatibilidad de esas teorías. Hay muchos más. Si se intentan unir matemáticamente ambas teorías aparecen “infinitos” en todos los rincones (y eso es malo, malísimo). Es una callejón sin salida.
Resumiendo, tenemos dos teorías archicomprobadas, una para las supergrandes distancias y masas y otra para las ultrachiquititas distancias y partículas, que formal y matemáticamente chocan como trenes de las películas mudas. ¿Como es posible que en el mismo universo convivan teorías ciertas y necesarias pero incompatibles entre si? Algo no funciona en los fundamentos de la física.
Aparentemente, como los de lo muy pequeño o los de lo muy grande no coinciden en lo que estudian el conflicto entre sus teorías no aparece.
Y es verdad. Pero al menos hay dos casos en los que la física de lo muy pequeño y de lo muy grande se unen.
- El primero caso es el de los agujeros negros. En un lugar pequeño existe una masa gigantesca. En estas condiciones las formulas matemáticas de la Relatividad General dan como resultado “infinito” (vanos, no dicen nada o de que algo no funciona o que hay un error de planteamiento o...). Por esa razón no se sabe nada (o casi nada) de lo que pasa en el interior del agujero (no podemos mirar dentro tampoco).
Por ejemplo el chorro de materia que un agujero negro
emite con sus campos magnéticos.
En este caso el agujero del centro dela galaxia M87.
- El segundo caso es el del origen del universo. Ya sabéis que el universo está en expansión. Se hace más grande (literalmente, es el espacio el que crece). Lo que significa que antes era más pequeño. Cuanto más joven era el universo más pequeño resultaba. Tanto tanto que todo la materia y energía que existe en todo el cosmos era un diminuto puntito. Y pasa lo mismo que con las matemáticas del agujero negro.
Esquema de la expansión del Universo.
Al inicio hay una singularidad y conforme
pasa el tiempo el universo aumenta de tamaño.
Parece claro que cuando se puedan unir la teoría de la gravedad y la mecánica cuántica se podrá saber que pasa dentro de los agujeros negros y, lo que es más importante, conocer como era el universo en el instante inicial.
Este era el sueño de Einstein. Y parece que se está consiguiendo últimamente.
Pero como este post me ha salido muy largo, por vuestro bien, lo dejo aquí. La segunda parte, pronto. Preparaos.
SALUT!
