- Figura Clave: Leonard Susskind (n. en 1940)
- Antes:
- 1914 Se propone la idea de una quinta dimensión para explicar cómo funciona la gravedad junto con el electromagnetismo.
- 1926 El físico sueco Oscar Klein desarrolla ideas acerca de dimensiones adicionales inobservables.
- 1961 Se diseña una teoría para unificar el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil.
- Después:
- 1975 Abraham Pais y Sam Treiman acuñan el término «modelo estándar».
- 1995 Edward Witten, físico estadounidense, desarrolla la teoría M, que incluye 11 dimensiones.
- 2012 El Gran Colisionador de Hadrones detecta el bosón de Higgs
Leonard Susskind
Nacido en Nueva York (EE UU) en 1940, Leonard Susskind ocupa la cátedra Felix Bloch de Física en la Universidad de Stanford en California. Se doctoró en la Universidad Cornell (Nueva York) en 1965, y se unió a la de Stanford en 1979.
En 1969 publicó la teoría por la cual es conocido: la teoría de cuerdas. Su trabajo matemático demostró que la física de partículas podía explicarse mediante cuerdas vibrantes al más pequeño nivel. En la década de 1970 desarrolló más esa idea, y en 2003 acuñó el término «paisaje de la teoría de cuerdas». Esa radical noción pretendía destacar el gran número de universos posibles que conformarían un increíble «megaverso» con, quizá, otros universos con las condiciones necesarias para la vida. Susskind es hoy una figura muy respetada en su ámbito.
- Obras principales:
- 2005 El paisaje cósmico.
- 2008 La guerra de los agujeros negros.
- 2013 El mínimo teórico.
Física de partículas
Los físicos de partículas usan la teoría llamada «modelo estándar» para explicar el universo. Desarrollado en las décadas de 1960 y 1970, ese modelo describe las partículas y las fuerzas fundamentales de la naturaleza que componen el universo y lo mantienen unido. Un problema del modelo estándar es que no encaja con la teoría de la relatividad general de Einstein, que relaciona la gravedad (una de las cuatro fuerzas) y la estructura del espacio y el tiempo y los trata como una entidad tetradimensional («espacio-tiempo»). El modelo estándar no encaja con la curvatura del espacio-tiempo propugnada por la relatividad general.
La mecánica cuántica, en cambio, explica cómo interactúan las partículas en los niveles más pequeños (a escala atómica), pero no da cuenta de la gravedad. Se ha intentado en vano unir las dos teorías; por ahora el modelo estándar solo puede explicar tres de las cuatro fuerzas fundamentales.
Partículas y fuerzas
En física de partículas, los átomos están formados por un núcleo de protones y neutrones, rodeado por electrones. El electrón y los quarks que forman los protones y los neutrones se encuentran entre los 12 fermiones (partículas de materia): las partículas elementales o fundamentales que son los componentes básicos conocidos más pequeños del universo. Los fermiones se subdividen en quarks y leptones. Junto a esos fermiones, están los bosones (partículas portadoras de fuerza) y las cuatro fuerzas de la naturaleza: electromagnetismo, gravedad, fuerza fuerte y fuerza débil. Los diferentes bosones son responsables de llevar las diferentes fuerzas entre los fermiones.
El modelo estándar permite describir lo que se conoce como campo de Higgs, un campo de energía que, según se cree, impregna todo el universo. La interacción de las partículas en el campo de Higgs les otorga su masa; y un bosón medible llamado bosón de Higgs es el portador de fuerza para el campo de Higgs. Ahora bien, ninguno de los bosones conocidos es el portador de a fuerza de gravedad; ello ha llevado a postular una partícula hipotética, aún no detectada, llamada gravitón.
Teoría de cuerdas
En 1969, en un intento de explicar la fuerza nuclear fuerte, que une protones y neutrones dentro del núcleo atómico, el estadounidense Leonard Susskind desarrolló la idea de la teoría de cuerdas. El estadounidense-japonés Yoichiro Nambu y el danés Holger Nielsen concibieron la misma idea al mismo tiempo. Según la teoría de cuerdas, las partículas (los componentes básicos del universo) no son como puntos, sino más bien algo así como diminutos y unidimensionales hilos de energía vibrantes, o cuerdas, que dan lugar a todas las fuerzas y la materia. Cuando las cuerdas chocan, se combinan y vibran juntas brevemente antes de separarse de nuevo.
Los primeros modelos de la teoría de cuerdas fueron problemáticos. Explicaban los bosones pero no los fermiones, y necesitaban que ciertas partículas hipotéticas, llamadas taquiones, viajaran más deprisa que la luz. También necesitaban muchas más dimensiones que las cuatro conocidas del espacio y el tiempo.
Supersimetría
Para sortear algunos de esos primeros problemas se ideó el principio de la supersimetría, que propone que el universo es simétrico y proporciona a cada una de las partículas conocidas del modelo estándar una compañera, o «supercompañera», no detectada; así, por ejemplo, cada fermión se empareja con un bosón, y viceversa.
Cuando el bosón de Higgs, predicho en 1964 por el británico Peter Higgs, fue detectado en 2012 por el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, resultó ser más ligero de lo esperado. Los físicos de partículas creían que sería más pesado debido a sus interacciones en el campo de Higgs con las partículas del modelo estándar, a las que daba masa. Pero no era así. La idea de las supercompañeras, unas partículas capaces de anular potencialmente algunos de los efectos del campo de Higgs y producir un bosón de Higgs más ligero, permitió a los científicos abordar ese problema. También les permitió descubrir que puede que tres de las cuatro fuerzas de la naturaleza (es decir, el electromagnetismo, la fuerza fuerte y la débil) existieran con las mismas energías en el Big Bang, un paso crucial hacia la unificación de esas fuerzas en una Gran Teoría Unificada.
Teoría de las supercuerdas
Juntas, la teoría de cuerdas y la supersimetría dieron lugar a la teoría de las supercuerdas, en la que todos los fermiones y bosones y sus partículas supercompañeras son resultado de cuerdas vibrantes de energía. En la década de 1980, el estadounidense John Schwarz y el británico Michael Green desarrollaron la idea de que las partículas elementales como electrones y quarks son las manifestaciones exteriores de «cuerdas» vibrando en la escala de la gravedad cuántica.
Así como las diferentes vibraciones de la cuerda de un violín producen diferentes notas, propiedades como la masa son el resultado de diferentes vibraciones del mismo tipo de cuerda. Un electrón es un segmento de cuerda que vibra de cierta manera, mientras que un quark es un segmento idéntico de cuerda que vibra de una manera diferente Schwarz y Green observaron que la teoría de cuerdas predecía una partícula sin masa similar al hipotético gravitón. La existencia de semejante partícula podría explicar por qué la gravedad es tan débil en comparación con las otras tres fuerzas, pues los gravitones entrarían y saldrían de la decena aproximada de dimensiones requeridas por la teoría de cuerdas. Así, apareció por fin algo que Einstein buscó mucho tiempo, una teoría capaz de describirlo todo en el universo, una «teoría del todo».
Una teoría unificadora
Los físicos en busca de una teoría que lo englobe todo encuentran problemas cuando se enfrentan a los agujeros negros, donde la teoría de la relatividad general se une a la mecánica cuántica tratando de explicar lo que pasa cuando una cantidad inmensa de materia se ve comprimida en un espacio muy reducido. Según la relatividad general, cabría decir que el núcleo de un agujero negro (su singularidad) tiene esencialmente un tamaño cero. Sin embargo, según la mecánica cuántica, eso es imposible porque nada puede ser infinitamente pequeño. De acuerdo con el principio de incertidumbre concebido por el alemán Werner Heisenberg en 1927, no es posible llegar a niveles infinitamente pequeños porque una partícula siempre puede existir en múltiples estados. Teorías cuánticas fundamentales como la superposición y el entrelazamiento también determinan que las partículas pueden estar en dos estados a la vez. Tienen que producir un campo gravitatorio, lo cual sería coherente con la relatividad general, pero no parece ser así según la teoría cuántica.
Si la teoría de las supercuerdas pudiera resolver algunos de esos problemas, se convertiría en la teoría unificadora que buscan los físicos. Sería posible demostrarla haciendo colisionar partículas. Algunos científicos creen que, a energías más elevadas, quizá se vean gravitones disolviéndose en otras dimensiones, lo cual supondría una prueba fundamental en favor de la teoría.
Desenredar la idea
Algunos científicos, como el estadounidense Sheldon Glashow, creen que la investigación en teoría de cuerdas es inútil porque nadie podrá demostrar nunca si las cuerdas que describe existen. Tratan de energías tan elevadas (más allá de la medida llamada energía de Planck) que nos resulta imposible detectarlas, y puede que siga resultando imposible en el futuro inmediato. Nuestra incapacidad de diseñar un experimento que ponga a prueba la teoría de cuerdas llevó a algunos científicos como Glashow a preguntarse si es en realidad una teoría científica. Hay quienes disienten y señalan que hay en marcha experimentos que intentan encontrar algunos de esos efectos y proporcionar una respuesta. El experimento Super-Kamiokande, en Japón, por ejemplo, podría demostrar aspectos de la teoría de cuerdas estudiando la desintegración del protón (la teorizada desintegración de un protón a lo largo de escalas temporales extremadamente largas), un fenómeno predicho por la supersimetría.
La teoría de las supercuerdas puede explicar gran parte del universo desconocido –por ejemplo, por qué el bosón de Higgs es tan ligero y por qué la gravedad es tan débil–, y quizá pueda explicar la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura. Algunos científicos creen incluso que la teoría de cuerdas podría proporcionar información sobre el destino del universo, y si seguirá o no expandiéndose de modo indefinido.
El texto y las imágenes de esta entrada son un fragmento de: “El libro de la física”
