Hacia una teoría unificada

       “En Física, el universo entero está sometido al equilibrio de las cuatro fuerzas fundamentales del cosmos: dos de corto alcance, la fuerza nuclear débil y fuerte, y dos de largo alcance, el electromagnetismo y la gravedad. Estas fuerzas de corto y largo alcance guardan además una relación de fractalidad, ya que la interacción nuclear débil y fuerte mantiene semejanzas con la fuerza electromagnética y gravitacional. La física cuántica proporciona la mejor descripción de las fuerzas nucleares débil y fuerte, que operan dentro del núcleo atómico, y la fuerza electromagnética, que mantiene unida la estructura de la materia microscópica. Y la relatividad general solo es válida para describir la fuerza gravitacional, que permite que la materia macroscópica se una y orbite alrededor de los planetas y las estrellas. Las cuatro fuerzas no se transmiten directamente entre dos objetos, sino a través una entidad intermediaria llamada campo unificado, que crea coherencia entre los distintos campos y enlaza sus propiedades entre sí. Se supone que el bosón de Higgs, mediante su campo de energía (campo de Higgs), establece un puente entre el mundo cuántico y clásico al dotar de masa a las partículas elementales, originando la naturaleza fraccionaria del universo.

       Los niveles o escalas de organización fundamentales del universo fractal corresponden al nivel del macrocosmos, que es relativista, y al nivel del microcosmos, que es cuántico. Estos dos niveles están inmersos en el mundo que vemos a nuestro alrededor, que obedece a las leyes de la física clásica de Newton, y que comprende cualquier teoría que no sea cuántica, incluida la relatividad general. Aunque la física actual trata de unificar los niveles del macrocosmos y del microcosmos, las contradicciones teóricas entre la gravedad y el electromagnetismo hacen difícil llegar a una teoría unificada por parte de los físicos. La razón de estas incongruencias radica en que la teoría de la relatividad general se centra en la fuerza de la gravedad y en fenómenos a gran escala, como la dinámica de los planetas y las galaxias, y supone que el espacio y el tiempo son continuos; y la teoría cuántica de campos describe solo las tres fuerzas (fuerza nuclear débil, fuerte y electromagnetismo) que gobiernan el universo a pequeña escala, pues contempla el movimiento y la transformación de energía y materia a nivel atómico y subatómico, que implican valores discretos, pues la emisión de energía disponible para una partícula es discontinua. Una dice que el comportamiento de los objetos se puede predecir con exactitud, mientras que la otra afirma que no se puede saber con exactitud, solo con probabilidades. No obstante sus diferencias irreconciliables, a veces ambos niveles aparecen juntos, como en el caso de los agujeros negros, donde la gravedad extrema actúa a las escalas cuánticas de la singularidad, o en el Big Bang. De ahí que uno de los principales desafíos de la física sea descubrir cómo se pueden conciliar en una teoría del todo. Einstein trabajó durante toda su vida con el fin de desarrollar una teoría del campo unificado, pero fue incapaz de unificar las fuerzas electromagnéticas y la gravitatoria.
       A medida que ha ido avanzado la ciencia, los físicos han unificado fenómenos aparentemente opuestos guiándose por principios de belleza, simetría y armonía. Con J. C. Maxwell se dio la primera unificación al unir la electricidad y el magnetismo en una sola fuerza, la fuerza electromagnética. La fuerza electromagnética y la nuclear débil fueron también unificadas como fuerza electrodébil gracias a los trabajos de Glashow, Weinberg y Salam, y puede que la fuerza electrodébil y la fuerza nuclear fuerte pertenezcan también a la misma unificación. Pero aún no se ha podido unificar las tres fuerzas de la física cuántica con la gravedad del macronivel, debido a que las hipotéticas partículas bosónicas que la forman, los gravitones, se resisten a expresarse en el nivel microscópico. Aunque ambas teorías describen a la perfección la realidad, cada una tiene sus características y se rigen por leyes propias con métodos de investigación diferentes, incluso antagónicas. La física cuántica funciona muy bien para describir el mundo microscópico y la teoría de la gravedad para describir el otro lado del espectro, el mundo macroscópico. El objeto de estudio toma una u otra realidad según el tipo de visión que se le aplica, pero esta oposición puede también complementarse, ya que los problemas que presentan ambas teorías los podemos resolver usando el argumento analógico. El hecho de que semejantes características parecen repetirse en todos los niveles constituye un argumento analógico. Este argumento opera bajo un equilibro armónico que establece vinculaciones recursivas entre las partes y el todo, como en un fractal, lo que nos permite resolver los problemas complejos de manera sencilla. Precisamente, Einstein trabajó con la esperanza de encontrar una teoría unificada porque creía en la existencia de esa armonía universal, por la cual pudo unificar el espacio y el tiempo.

       Muchos físicos han tratado de construir modelos teóricos que permitan unir en una sola teoría la física cuántica y la relatividad general, como la teoría de la gravedad cuántica. Dentro de la teoría de gravedad cuántica entra en juego dos teorías alternativas que aún no han podido ser demostradas experimentalmente: la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles. Ambos enfoques se muestran contrarios, ya que la teoría de cuerdas se preocupa más por las interacciones de los objetos dentro del espacio-tiempo, mientras que la gravedad cuántica de bucles por las propiedades cuantificadas o discretas del espacio-tiempo. Las dos teorías parecen funcionar razonablemente bien, pero no se han llegado a integrar. No obstante, algunos físicos piensan que ambas teorías pueden llegar a complementarse con el tiempo, ya que parecen ser dos aspectos de una misma teoría. Por ahora, no se han podido unificar, pero existen indicios que podrían hacerlo con el tiempo, sobre todo después de que Maldacena fuera capaz de combinar una teoría gravitacional con una teoría cuántica de campos en la frontera límite del espacio-tiempo, que se describe como una esfera imaginaria que rodea a nuestro universo.

       Teoría de cuerdas
       El intento más serio para unificar la física cuántica con la relatividad general es la teoría de cuerdas. La teoría de cuerdas es una teoría de la gravedad cuántica que predice que las partículas materiales del universo son la expresión de diminutas cuerdas de energía, las cuales vibran con frecuencias específicas a escala de Planck. Estas cuerdas pueden ser cerradas o abiertas, pueden separarse o unirse, dando lugar a los diferentes tipos de partículas y campos que armonizan la realidad. Asimismo, la teoría de cuerdas predice que dichas cuerdas se extienden por las cuatro dimensiones espaciotemporales visibles a gran escala (alto, ancho, profundidad y tiempo), pero también por otras dimensiones adicionales a las cuatro que se ocultan a muy pequeña escala, lo que explicaría la existencia de universos paralelos. En esas dimensiones interactuarían las distintas cuerdas. Predice también la presencia de supersimetría, la cual aspira a conectar simétricamente dos tipos de partículas opuestas elementales: los fermiones (las partículas), que tienen espín fraccionario, y los bosones (los campos), con espín entero, de manera que por cada fermión debe existir un bosón y viceversa. Esta simetría de partículas se produce a lo largo de toda la jerarquía de niveles del universo (supersimetría). Para la teoría de cuerdas la gravedad es un tipo de partícula bosónica (el gravitón) provocada por una especial vibración de las cuerdas. Tanto los fermiones como los bosones estarían formados por cuerdas abiertas, pero los gravitones serían cuerdas cerradas, es decir, círculos, que interactúan con las abiertas. Dos o más cuerdas abiertas pueden unirse por sus extremos para formar gravitones, que son las partículas que producen la gravedad, tanto a escala microscópica como macroscópica, por lo cual la gravedad se unificaría con las demás fuerzas. Además, la teoría de cuerdas interpreta que las partículas y los campos serían una misma cosa; las partículas son los extremos de las cuerdas y los campos la cuerda que une esos extremos.

       Teoría de la gravedad cuántica de bucles
       La gravedad cuántica de bucles es otra alternativa para unificar la física cuántica con la relatividad general. En la teoría de la relatividad general de Einstein, el espacio y el tiempo están entrelazados en un continuo espaciotemporal, y la interacción entre la materia y la energía forma una curvatura en la geometría tiempo-espacio. Es a esta curvatura a lo que nos referimos cuando hablamos de la gravedad. La relatividad general de Einstein también predice la presencia de curvaturas infinitas o singularidades, que se encuentran en el interior de los agujeros negros o en el Big Bang. La gravedad cuántica de bucles no interpreta el espacio y el tiempo como un continuo a pequeña escala, sino como constituido por partículas discontinuas de espacio-tiempo que cuando se amplifican parecen continuas. Estas partículas están cuantificadas en volúmenes de píxeles (polígonos a escala de Planck) con una capacidad finita de almacenar materia y energía. Dicha unidad mínima no se puede curvar demasiado, con lo que se permite evitar las singularidades espaciotemporales. El conjunto de todas ellas forma una red cuántica tejida por bucles o lazos, denominada red de espín. La red de espín está configurada por líneas de entrada y salida que concurren en diferentes nodos, lo que permite que todo esté entrelazo entre sí. La materia residiría precisamente en los nodos de esa red de espín, cuyas conexiones definirían el propio tejido espaciotemporal del universo. La gravedad se explicaría por la curvatura de estas pequeñas conexiones”.

Fragmento extractado de los Principios de Estética Holofractal. Los contenidos de este blog están inscritos en el Registro General de la Propiedad Intelectual. No se permite la reproducción de los mismos sin el permiso previo del autor.

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