El universo elegante. Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de una teoría final
Brian Greene, 1999
Las dos teorías más precisas de la física se contradicen entre sí. Brian Greene muestra dónde exactamente chocan y cómo la teoría de cuerdas intenta reconciliarlas: partículas como notas de cuerdas diminutas, dimensiones ocultas, un espacio que puede rasgarse. Es bonita, audaz y, hasta hoy, no está confirmada por ningún experimento.
Para quién es
Para quien siente curiosidad por saber de qué está hecho el mundo en lo más profundo, y quiere entender la teoría de cuerdas sin fórmulas, distinguiendo una idea bonita de un hecho comprobado.
Tal como están formuladas hoy, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser correctas a la vez.
De qué trata el libro
La física del siglo XX tiene dos grandes teorías. La relatividad general de Einstein describe la gravedad, las estrellas y la expansión del universo. La mecánica cuántica describe los átomos y las partículas. Ambas se han comprobado con enorme precisión. Y ambas, como muestra Brian Greene, no pueden ser correctas a la vez tal como están: allí donde hacen falta las dos al mismo tiempo, los cálculos dejan de dar respuestas con sentido.
Greene, físico de la Universidad de Columbia, trabaja él mismo en la teoría de cuerdas, la principal candidata a reconciliar estas dos teorías. Guía al lector casi sin fórmulas, a través de imágenes: la cuerda de un violín, una manguera de jardín, una hormiga.
Es importante desde la primera página: la teoría de cuerdas es una hipótesis. Cuando se publicó el libro, en 1999, ningún experimento la había confirmado, y tampoco está confirmada hoy. Las analogías de Greene ayudan a entender lo que propone la teoría, pero no demuestran nada. Por eso, al final de cada idea se dice aquí hasta qué punto está confirmada.
Idea 1. Dos verdades que no conviven
Para Einstein, el espacio es un tejido liso que las masas curvan con suavidad. Para la mecánica cuántica, el mundo a distancias pequeñas tiembla: cuanto más pequeña es la región que observas, más fuertes son en ella las fluctuaciones caóticas de energía. Así lo exige el principio de incertidumbre.
Greene propone observar el espacio cada vez más de cerca, como con una lupa. Al principio, todo es liso. Después aparecen ondulaciones. Y a distancias del orden de 10⁻³³ centímetros (es la llamada longitud de Planck), las ondulaciones se convierten en un hervidero. El físico John Wheeler llamó a esta imagen «espuma cuántica». Según esta imagen, el tejido liso sobre el que está construida la teoría de Einstein podría sencillamente no existir allí.
En la vida cotidiana el conflicto no se nota: las estrellas son grandes y pesadas; las partículas, pequeñas y ligeras. Pero en el centro de un agujero negro y en el comienzo mismo del universo, una masa enorme está comprimida en un volumen diminuto. Hacen falta las dos teorías a la vez, y juntas dan infinitos sin sentido.
Ambas teorías están confirmadas por las observaciones, cada una en su terreno, y su incompatibilidad es un problema reconocido por todos. La «espuma» sigue siendo una imagen: esas escalas no se han observado directamente.
Una mesa parece lisa a simple vista, pero bajo el microscopio está llena de surcos. Si, como propone Greene, sigues acercando la mirada, no quedará nada liso en ninguna parte.
El conflicto no significa que una de las teorías sea errónea. Más bien, ambas podrían ser aproximaciones a algo más profundo.
Sobre el autor
Brian Greene (nacido en 1963) es un físico teórico estadounidense, profesor de la Universidad de Columbia y especialista en teoría de cuerdas. Es uno de los divulgadores de la física más conocidos. «El universo elegante» es su primer libro de divulgación.
Todos los libros del autor: Brian Greene
Conceptos del libro
- Entropía
- Morrison
- Wheeler
- Fotón
- relatividad general
- Teoría de cuerdas
- Einstein: Albert Einstein, físico del siglo XX, autor de la teoría de la relatividad. Su teoría de un espacio liso es una de las dos teorías que la teoría de cuerdas intenta reconciliar.
- Mecánica cuántica: La teoría que describe el mundo de los átomos y las partículas. Se creó en la década de 1920; en ella, los sucesos a pequeña escala obedecen a probabilidades, no a predicciones exactas.
- Principio de incertidumbre: Una ley de la mecánica cuántica formulada por Werner Heisenberg en 1927: no se puede saber con exactitud a la vez dónde está una partícula y a qué velocidad se mueve. De ella se deduce que, a pequeña escala, la energía «tiembla» todo el tiempo.
- Longitud de Planck: Unos 10⁻³³ centímetros. La escala en la que, según las ideas actuales, los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven importantes.
- Espuma cuántica: La imagen de John Wheeler: a las escalas más pequeñas, debido a las fluctuaciones cuánticas, el espacio podría no ser liso, sino turbulento. Es una imagen para entender, no una observación.
- Veneziano: Gabriele Veneziano, físico teórico italiano. Su fórmula de 1968 para las colisiones de partículas fue el primer paso hacia la teoría de cuerdas.
- Interacción nuclear fuerte: La más poderosa de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Mantiene a los quarks dentro de los protones y los neutrones, y a estos dentro del núcleo atómico.
- Euler: Leonhard Euler, matemático suizo del siglo XVIII, uno de los más prolíficos de la historia. La fórmula de Veneziano se basaba en una función que Euler había estudiado dos siglos antes.
- Scherk: Joël Scherk, físico teórico francés. En 1974, junto con John Schwarz, propuso considerar las cuerdas como una teoría que incluye la gravedad.
- Schwarz: John Schwarz, físico teórico estadounidense, uno de los fundadores de la teoría de cuerdas. En 1974, junto con Joël Scherk, observó en las cuerdas la partícula de la gravedad.
- Gravitón: Una partícula hipotética portadora de la gravedad, igual que el fotón es el portador de la luz. Todavía no se ha detectado.
- Quark: Una de las partículas más pequeñas de las que están hechos los protones y los neutrones del núcleo atómico. En la naturaleza no aparece aislada.
- Kaluza: Theodor Kaluza, matemático y físico alemán. En 1919 propuso añadir una dimensión más al espacio para unificar la gravedad y el electromagnetismo.
- Klein: Oskar Klein, físico sueco. En 1926 explicó por qué la dimensión extra de Kaluza pasa desapercibida: está enrollada en un aro diminuto.
- Dimensiones enrolladas: Las dimensiones adicionales del espacio que exige la teoría de cuerdas. Según la hipótesis, están enrolladas con tanta fuerza que no se pueden notar. Todavía no se han encontrado indicios de que existan.
- Calabi-Yau: Figuras complejas de seis dimensiones, llamadas así por los matemáticos Eugenio Calabi y Shing-Tung Yau. En la teoría de cuerdas son candidatas a la forma de las dimensiones ocultas.
- Aspinwall: Paul Aspinwall, físico teórico, coautor con Greene de un trabajo de 1993 según el cual, en la teoría de cuerdas, el espacio puede rasgarse sin catástrofe.
- Witten: Edward Witten, físico teórico estadounidense, uno de los principales especialistas en teoría de cuerdas. Es el único físico que ha recibido la Medalla Fields, el máximo galardón de los matemáticos. En 1995 propuso la teoría M.
- Teoría M: Una teoría más profunda, propuesta por Edward Witten en 1995, en la que las cinco variantes de la teoría de cuerdas podrían resultar casos particulares. No está formulada por completo.
- Strominger: Andrew Strominger, físico teórico estadounidense. En 1996, junto con Cumrun Vafa, calculó con la teoría de cuerdas la entropía de ciertos agujeros negros.
- Vafa: Cumrun Vafa, físico teórico estadounidense de origen iraní, coautor, con Andrew Strominger, del cálculo de 1996 de la entropía de los agujeros negros.
- Bekenstein: Jacob Bekenstein, físico israelí. En 1972 propuso que un agujero negro tiene una entropía que depende del área de su superficie.
- Hawking: Stephen Hawking, físico teórico británico. En 1974 demostró que los agujeros negros emiten una débil radiación y precisó la fórmula de la entropía de Bekenstein.
- Supercompañeros: Dobles pesados hipotéticos de las partículas conocidas, predichos por la supersimetría. En el Gran Colisionador de Hadrones todavía no se han detectado.
- Supersimetría: La hipótesis según la cual cada partícula conocida tiene un compañero más pesado. Forma parte de la teoría de supercuerdas, pero no está confirmada experimentalmente.
- Gran Colisionador de Hadrones: El acelerador de partículas más potente del mundo: un anillo subterráneo de unos 27 km bajo Ginebra, en el CERN. Empezó a funcionar en 2008, y en 2012 se descubrió en él el bosón de Higgs.
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