La búsqueda de Einstein para 'conocer los pensamientos de Dios' podría llevar milenios

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En 1925, Einstein salió a pasear con una joven estudiante llamada Esther Salaman. Mientras paseaban, compartió su principio intelectual rector fundamental: "Quiero saber cómo creó Dios este mundo. No me interesa tal o cual fenómeno, ni el espectro de tal o cual elemento. Quiero conocer Sus pensamientos; lo demás son sólo detalles".

La frase "los pensamientos de Dios" es una metáfora deliciosamente adecuada del objetivo último de la física moderna, que es desarrollar una comprensión perfecta de las leyes de la naturaleza, lo que los físicos llaman "una teoría del todo" o TOE. Idealmente, una TOE respondería a todas las preguntas, sin dejar nada sin respuesta. ¿Por qué el cielo es azul? Cubierta. ¿Por qué existe la gravedad? Eso también está cubierto. Dicho de un modo más científico, una TOE explicaría idealmente todos los fenómenos con una única teoría, un único bloque de construcción y una única fuerza. En mi opinión, encontrar una TOE podría llevar cientos o incluso miles de años. Para entender por qué, hagamos balance. [Los 18 mayores misterios sin resolver de la física].

Conocemos dos teorías que, tomadas en conjunto, dan una buena descripción del mundo que nos rodea, pero ambas están a años luz de ser una TOE.

La primera es la teoría de la relatividad general de Einstein, que describe la gravedad y el comportamiento de las estrellas, las galaxias y el universo a las escalas más grandes. Einstein describió la gravedad como la flexión literal del espacio y el tiempo. Esta idea se ha validado muchas veces, sobre todo con el descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2016.

La segunda teoría se denomina Modelo Estándar, que describe el mundo subatómico. Es en este ámbito donde los científicos han realizado los avances más evidentes hacia una teoría del todo.

Si observamos el mundo que nos rodea, el mundo de las estrellas y las galaxias, los caniches y la pizza, podemos preguntarnos por qué las cosas tienen las propiedades que tienen. Sabemos que todo está formado por átomos, y que esos átomos están formados por protones, neutrones y electrones.

Y, en la década de 1960, los investigadores descubrieron que los protones y los neutrones estaban formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks y que el electrón pertenecía a la clase de partículas llamadas leptones.

Encontrar los bloques de construcción más pequeños es sólo el primer paso para elaborar una teoría del todo. El siguiente paso consiste en comprender las fuerzas que rigen la interacción entre los componentes. Los científicos conocen cuatro fuerzas fundamentales, tres de las cuales -el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil- se comprenden a nivel subatómico. El electromagnetismo mantiene unidos los átomos y es responsable de la química. La fuerza fuerte mantiene unido el núcleo de los átomos y conserva los quarks dentro de los protones y neutrones. La fuerza débil es responsable de algunos tipos de desintegración nuclear.

Cada una de las fuerzas subatómicas conocidas tiene una partícula o partículas asociadas que portan esa fuerza: El gluón es portador de la fuerza fuerte, el fotón gobierna el electromagnetismo y los bosones W y Z controlan la fuerza débil. También existe un campo de energía fantasmal, llamado campo de Higgs, que impregna el universo y da masa a los quarks, leptones y algunas de las partículas portadoras de fuerza. En conjunto, estos bloques y fuerzas constituyen el Modelo Estándar. [Extraños quarks y muones, ¡oh, cielos! Las partículas más diminutas de la naturaleza diseccionadas].

Utilizando quarks y leptones y las partículas portadoras de fuerza conocidas, se pueden construir átomos, moléculas, personas, planetas y, de hecho, toda la materia conocida del universo. Se trata, sin duda, de un gran logro y de una buena aproximación a una teoría del todo.

Y sin embargo, en realidad no lo es. El objetivo es encontrar un único bloque de construcción y una única fuerza que puedan explicar la materia y el movimiento del universo. El Modelo Estándar tiene 12 partículas (seis quarks y seis leptones) y cuatro fuerzas (electromagnetismo, gravedad y las fuerzas nucleares fuerte y débil). Además, no se conoce ninguna teoría cuántica de la gravedad (lo que significa que nuestra definición actual sólo abarca la gravedad que afecta a cosas mayores que, por ejemplo, el polvo común), por lo que la gravedad ni siquiera forma parte del Modelo Estándar. Así pues, los físicos siguen buscando una teoría aún más fundamental y subyacente. Para ello necesitan reducir el número tanto de bloques constructivos como de fuerzas.

Encontrar un bloque de construcción más pequeño será difícil, porque para ello se necesita un acelerador de partículas más potente que el que jamás haya construido el ser humano. El horizonte temporal para la puesta en marcha de una nueva instalación aceleradora es de varias décadas y dicha instalación sólo proporcionará una mejora incremental relativamente modesta sobre las capacidades existentes. Así pues, los científicos deben especular sobre cómo podría ser un bloque de construcción más pequeño. Una idea popular es la llamada teoría de las supercuerdas, que postula que el bloque de construcción más pequeño no es una partícula, sino una "cuerda" pequeña y vibrante. Del mismo modo que una cuerda de violonchelo puede tocar más de una nota, los distintos patrones de vibración son los distintos quarks y leptones. De este modo, un único tipo de cuerda podría ser el bloque de construcción definitivo. [Las 5 razones principales por las que podríamos vivir en un multiverso].

El problema es que no hay pruebas empíricas de que las supercuerdas existan realmente. Además, la energía esperada necesaria para verlas se denomina energía de Planck, que es un cuatrillón (10 elevado a la 15ª potencia) de veces superior a la que podemos generar actualmente. La gran energía de Planck está íntimamente relacionada con lo que se conoce como longitud de Planck, una longitud insondablemente diminuta más allá de la cual los efectos cuánticos se vuelven tan grandes que es literalmente imposible medir nada más pequeño. Mientras tanto, si te alejas de la longitud de Planck (o superas la energía de Planck), los efectos cuánticos de la gravedad entre fotones, o partículas de luz, cobran importancia y la relatividad deja de funcionar. Esto hace probable que ésta sea la escala a la que se comprenderá la gravedad cuántica. Por supuesto, todo esto es muy especulativo, pero refleja nuestra mejor predicción actual. Y, de ser cierto, las supercuerdas tendrán que seguir siendo especulativas en un futuro previsible.

La plétora de fuerzas también es un problema. Los científicos esperan "unificar" las fuerzas, demostrando que no son más que diferentes manifestaciones de una única fuerza. ( Sir Isaac Newton hizo exactamente eso cuando demostró que la fuerza que hacía caer las cosas en la Tierra y la fuerza que regía el movimiento de los cielos eran una y la misma; James Clerk Maxwell demostró que la electricidad y el magnetismo eran en realidad comportamientos diferentes de una fuerza unificada llamada electromagnetismo).

En los años 60, los científicos pudieron demostrar que la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo eran en realidad dos facetas distintas de una fuerza combinada llamada fuerza electrodébil. Ahora, los investigadores esperan que la fuerza electrodébil y la fuerza fuerte puedan unificarse en lo que se denomina una gran fuerza unificada. Luego, esperan que la gran fuerza unificada pueda unificarse con la gravedad para crear una teoría del todo.

Sin embargo, los físicos sospechan que esta unificación final también tendría lugar a la energía de Planck, de nuevo porque ésta es la energía y el tamaño a los que ya no se pueden ignorar los efectos cuánticos en la teoría de la relatividad. Y, como hemos visto, se trata de una energía mucho mayor de la que podemos esperar alcanzar dentro de un acelerador de partículas a corto plazo. Para dar una idea del abismo entre las teorías actuales y una teoría del todo, si representáramos las energías de las partículas que podemos detectar como la anchura de una membrana celular, la energía de Planck es del tamaño de la Tierra. Aunque es concebible que alguien con un conocimiento profundo de las membranas celulares pueda predecir otras estructuras dentro de una célula -cosas como el ADN y las mitocondrias-, es inconcebible que pueda predecir con exactitud la Tierra. ¿Qué probabilidad hay de que puedan predecir los volcanes, los océanos o el campo magnético de la Tierra?

El simple hecho es que, con una diferencia tan grande entre la energía actualmente alcanzable en los aceleradores de partículas y la energía de Planck, concebir correctamente una teoría del todo parece improbable.

Eso no significa que todos los físicos deban jubilarse y dedicarse a pintar paisajes: aún queda mucho trabajo por hacer. Todavía tenemos que comprender fenómenos inexplicables como la materia y la energía oscuras, que constituyen el 95% del universo conocido, y utilizar esa comprensión para crear una teoría de la física más nueva y completa. Esta nueva teoría no será una TOE, pero será cada vez mejor que el marco teórico actual. Tendremos que repetir este proceso una y otra vez.

¿Decepcionado? Así que am Yo. Al fin y al cabo, he dedicado mi vida a intentar desvelar algunos de los secretos del cosmos, pero quizá convenga un poco de perspectiva. La primera unificación de fuerzas se logró en la década de 1670 con la teoría de la gravedad universal de Newton. La segunda fue en la década de 1870 con la teoría del electromagnetismo de Maxwell. La unificación electrodébil fue relativamente reciente, hace sólo medio siglo.

Dado que han transcurrido 350 años desde nuestro primer gran paso exitoso en este viaje, quizás sea menos sorprendente que el camino que nos queda por recorrer sea aún más largo. La idea de que un genio tendrá una idea que dará lugar a una teoría del todo plenamente desarrollada en los próximos años es un mito. Nos espera un largo camino, e incluso los nietos de los científicos actuales no verán el final del mismo.

Pero menudo viaje será.

Don Lincoln es investigador de física en el Fermilab. Es autor de " El Gran Colisionador de Hadrones: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind " (Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de vídeos educativos sobre ciencia . Publicado originalmente en Live Science.