Cuadernos Manchegos
Cuadernos Manchegos

Todos conocemos a Sheldon Cooper, el misántropo protagonista de la aclamada serie televisiva The Big Bang Theory. También sin duda todos sabemos que es científico de profesión. Y al igual, y por los mismos motivos que todos sabemos que realmente es Bart Simpson quien se esconde tras El Barto, sabremos seguro también que, durante la mayor parte de su carrera científica, Sheldon se dedicó al estudio de la Teoría de Cuerdas.
Y, estimados amigos, de eso vamos a hablar hoy.

Je, je, cada vez te lo curras menos. ¿Con esa intro pretendes que nos chupemos un artículo que ya huele a seso desde kilómetros de distancia? Estás tú listo…
Pues sí, no lo niego. No he sido capaz de nada mejor. Y es que para adentrarnos (con el debido cuidado, superficialidad, y respeto), en este terreno, es necesario disponer, ya de partida, de una pizca de curiosidad. No todo lo puedo poner yo…
¡Anda, tira por ahí! ¿Por qué iba yo a sentir curiosidad por eso? ¿En qué me ayuda?
Bueno, gracias por el pie. Con esto ya podemos hacer algo. Vamos a intentarlo.

El mundo de la física se describe, en esencia1, bajo dos marcos conceptuales diferentes y complementarios: la Teoría de la Relatividad, y la Mecánica Cuántica. Hablamos un poco sobre ellos en dos artículos anteriores: El Planeta de los Simios, y Física Cuántica (I).
Las consideraciones principales que hoy necesitaremos saber sobre cada una de ellas son muy sencillas y concretas: la primera, explica el universo macro, a escala grande. Explica con una exquisitez y nivel de precisión enormes aquello que es grande y pesado. Desde el escupitajo de un futbolista, hasta el comportamiento de toda una galaxia. Tal es su poder.
La segunda, explica el universo micro, o a escalas muy pequeñas. Desde el átomo hacia abajo.

Espera, espera, ya estamos otra vez. ¿Qué es eso de más pequeño que el átomo? ¿El átomo no era lo más pequeño que había?
Vale, entiendo. No. Recordad que un átomo se compone de protones, neutrones, y electrones, por lo que tiene sentido la afirmación. Por tanto, la mecánica cuántica explica, incluso con más precisión (y menos elegancia, lo reconozco) que la relatividad, cómo funciona todo aquello más pequeño que un átomo, que un protón, que un neutrón… ¡Espera! ¡Que me pierdo! ¿¿¿Cómo que más pequeño que un protón???
Sí, muy bien visto. Justo aquí empieza nuestro viaje. Como siempre, antes de llegar al destino, tendremos que subirnos al tren en el punto de partida y mirar por la ventana durante un rato. Sólo así llegaremos a nuestra actual estación de destino, La Teoría de Cuerdas, y sabremos que estamos allí. Sólo así el viaje habrá tenido un sentido.

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1 Ya empezamos con las licencias y las ausencias. Esto es así de una forma muy general, pero en esencia, así es. La afirmación es eminentemente cierta.

¡¡Quieto parao!! Que te pierdes. Recuerda: ¿de qué me vale a mí esto? Que el que quiere hacer el viaje eres tú, no nos líes a nosotros…
Cierto, perdón. Pues hombre, mientras ellos estudiaban, a ti, la verdad, no te servía de nada. En eso tienes toda la razón.
Pero cuando ellos acabaron de hacerlo, te compraste un ordenador, te compraste un GPS, te hiciste un TAC y te salvaron ellos a ti la vida, y todo un larguísimo etcétera. Necesitaríamos toda la extensión del artículo sólo para enumerar las aplicaciones prácticas que cualesquiera que las dos han aportado a nuestra sociedad actual, y coincidiréis conmigo en lo innecesario de ese trabajo.
Pero, más allá de este espíritu pragmático, muy necesario, a veces es también muy recomendable trabajar partiendo de la simple curiosidad. De la noble intención del saber por qué, del intentar dar un paso más allá. Es la mezcla de ambas actitudes lo que ha permitido que la Humanidad estemos hoy donde estamos, sea cual sea ese lugar.
Así que hoy, sin trampa ni cartón, os pediré un poco de curiosidad. A cambio, prometo un desarrollo (lo más) ameno (de lo que sea capaz) y (lo más) sencillo (de lo que sea capaz). ¿Os parece un buen trato?
Venga, anda, tira.
¡Gracias! A por ello.

Como adelantábamos hace un rato, gracias a la bien lanzada pregunta de ¿qué hay más pequeño que un protón o que un neutrón?, la física clásica explica el Universo en base a una concepción muy básica: éste no es otra cosa que una serie de partículas esenciales que interactúan entre sí.
De esta forma, un protón y un neutrón se juntan en un núcleo atómico, llaman a un electrón, y entre los tres forman un átomo de hidrógeno.
Por otro lado, ocho protones se juntan con ocho neutrones2, llaman a ocho electrones, y forman un átomo de oxígeno.
Luego, por algún motivo, dos de los primeros y uno de los segundos, se encuentran, se juntan, y forman una molécula de agua. Y así sucesivamente vamos pasando, de una forma escalonada, ordenada, predecible, elegante, y cómoda, desde una escala micro a una escala macro, y podemos así explicar a un niño cómo desde los protones pasamos a tener océanos, de forma que el chaval pueda vislumbrar la magia subyacente al hecho de estar en la playa jugando con la arena. Y de paso, despertar un pelín su curiosidad y su capacidad de maravillarse hasta con lo más cotidiano.

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2 O con 4 también, por ejemplo. Hay varios isótopos estables de oxígeno.

 

Teoría de Cuerdas 1

Ilustración 1 - Si quieres saber algo más acerca de qué es un átomo, y cómo estos se forman, en nuestro artículo "Polvo de Estrellas" hablamos sobre ellos. Vaya, vaya, cómo estamos hoy con el autobombo, nos están viniendo todas rodadas...
 

Pero ocurre, que, si bien los electrones son partículas básicas, es decir, no pueden descomponerse en nada, los protones y los neutrones sí que se pueden descomponer en partículas más básicas. Pero bueno, me diréis, esto no supone ningún problema. Pues vale, el protón y el neutrón están formados por algo más pequeño. Venga, dinos de qué, que lo estás deseando… Pues sí, jeje, gracias. Se descomponen en quarks, una partícula que, ahora sí, y por lo que hasta ahora sabemos, ya sí que es indivisible. Concretamente se componen de 3 quarks cada uno3.
Por tanto, podemos decir que, según la física clásica, un átomo de hidrógeno no está compuesto de un protón, un electrón, y un neutrón, sino que lo está de 6 quarks en su núcleo, unidos en dos paquetes, y de un electrón.

Para ser algo más precisos, diremos que la física clásica también concibe, además de partículas, campos que impregnan el espacio, y que generan sobre él algún tipo de modificación o interacción. Un ejemplo de esto es el clásico campo magnético que genera un imán, que es capaz, a distancia, de actuar sobre unas limaduras de hierro y colocarlas de una forma concreta, la cual no es otra cosa que una manifestación de su comportamiento y propiedades internas.

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3 ¿Qué por qué entonces un protón y un neutrón son diferentes, si están compuestos por la misma cantidad de lo mismo?
Buena pregunta. De este tipo de quarks, existen dos: los que se llaman quarks up, y quarks down. Más allá de los nombres, no muy intuitivos, cierto, no dejan de ser dos partículas elementales diferentes, cada una de ellas con sus propiedades únicas. Un protón está compuesto por dos quarks up, y por un quark down, mientras que un neutrón está compuesto por dos quarks down, y un quark up. Por tanto, en respuesta a tu pregunta: protón y neutrón son diferentes porque están compuestos por partículas elementales diferentes, aunque los científicos, que tienen su particular (y un poco simplón, por qué no decirlo) sentido del humor, le hayan puesto nombres muy parecidos.
¡Y no tengas vergüenza la próxima vez pregunta en voz alta, no pasa nada!

Y es determinista. Es decir, a la física clásica no le gustan los trucos. Ella solita se dice capaz de, conocida la situación actual de un sistema, predecir su evolución con absoluta garantía. Es decir, si puedes indicar la velocidad y posición de todas las partículas de un escenario dado, sea este cual sea, la física clásica dice que, aplicando sus reglas, puede decirte cuál será su evolución en cualquier momento que le pidas. Dentro de un segundo, dentro de un millón de años, o hace siete meses. Dice que puede predecirlo todo, como Rappel.
Y el caso es que lo hace, la muy c@䇗r0n@...

Con esto podemos decir que, en esencia, hemos descrito de una forma muy resumida, pero muy efectiva, lo que es la física clásica. Libros y libros. Carreras y carreras. Vidas y vidas de investigación, resumidas en un par de párrafos.
Bien, sencillo, ¿verdad? Partículas, campos, y determinismo. Hasta aquí, nada que no nos hayan enseñado en la escuela.

Teoría de Cuerdas 1

Ilustración 2 - No me negaréis que estoy haciendo un esfuerzo de síntesis importante. Intento de verdad cumplir mi parte del trato. Fuente: MemeGenerator.

Bien. Pues por el otro lado tenemos en enfoque cuántico, el que se encarga de explicar lo pequeño y ligero.
Este, en esencia, no está muy4 en desacuerdo con el enfoque clásico. También trabaja con partículas y campos, aunque con algunas diferencias.
El enfoque principal de la mecánica cuántica es que introduce el hecho de la energía se intercambia de forma discreta y no de forma continua. Esto implica que, mientras que en la física clásica, cuando una fuerza, como por ejemplo la del campo magnético, actúa sobre una partícula, pongamos la de una limadura de hierro, lo hace sin saltos, como un continuo. Por tanto, yo podría dividir siempre entre 2 ese valor, sin límite, ya que siempre habrá un trozo de fuerza magnética, por pequeña que esta sea, que pueda volver a dividir.

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4 Ejem, ejem. Bueno… Permitidme esta licencia para simplificar el argumento a su mínima expresión necesaria.

La mecánica cuántica discrepa en este sentido, y postula que ese intercambio de energía magnética se produce por paquetes, a los que llama cuantos, de ahí su nombre. Estos paquetes son discretos, y no pueden tener un tamaño aleatorio.
Esto se traduce en que, bajo el enfoque cuántico, el campo magnético5 que está actuando sobre la partícula de hierro, lo hace porque está intercambiando con ella paquetes de energía. Por tanto, si yo intento dividir la energía del campo magnético, llegará un momento en que no pueda seguir haciéndolo, dado que me encontraré con el paquete mínimo o cuanto. Y hasta ahí.

Esto tiene una implicación adicional, y es que algo puntual y concreto existe que se encarga de transportar la fuerza. Efectivamente: el cuanto. Y la mecánica cuántica lo trata como si fuese una partícula. O una onda, le da igual. Con un par.
Iguala algo tangible6, como un electrón, con algo virtual, como un trozo de interacción.
Y de esta unidad mínima de intercambio de energía, surge la constante de Planck, que en términos muy burdos, pero intuitivos, es una especie de cantidad mínima de intercambio de energía. Es decir, una especie de ladrillo fundamental sobre el que se construye cualquier intercambio de energía, sea este cual sea.
Y aunque eso suene más raro que real, quedáoslo, ya que parece ser una constante básica sobre la que se construye el Universo, al mismo nivel que lo es la velocidad de la luz o la constante gravitacional. Guardad este concepto, nos hará falta más adelante.

Bien, pues como vemos, de las tres cosas que había en la física clásica, las partículas, los campos, y el determinismo, la mecánica cuántica no comparte por completo las dos primeras: amplía el concepto de partícula, incluyendo también los trasmisores de fuerza (y viéndolas también como ondas), y establece que los campos no son un continuo, sino que son la expresión macroscópica de interacciones microscópicas basadas en intercambios discretos y puntuales de energía.
¿Y qué pasa con el determinismo? Con el determinismo, pues mire usted, mal. Muy mal. La mecánica cuántica es probabilista. ¿Eso significa que no puede hacer predicciones? No, para nada. Predice, y vaya si predice. Predice a lo bestia, y con grados de precisión brutales. Lo que realmente significa es que la cuántica no te permite, nunca, conocer el estado completo del sistema. Es decir, no puedes saber a la vez, por ejemplo, la posición de una partícula, y su velocidad. Para el caso de los campos, se define de forma equivalente: no puedes saber a la vez su estado actual, y su cambio de valor. Es decir, si sé el campo magnético en un punto concreto del espacio, no podré saber qué valor habrá en ese mismo espacio en un instante próximo, ya que desconozco su valor de cambio.
Y este es un desacuerdo fundamental. Los dos primeros son matices, salvables. Este tercero, como veremos, no.

5 Sí, electromagnético, pero esto no viene ahora al caso.
6 ¿Tangible? ¿Seguro?

Y hasta aquí el resumen de la mecánica cuántica. De nuevo una síntesis lo más certera posible y con las mínimas carencias necesarias como para poder continuar con nuestra discusión. Sigo intentando cumplir mi parte.

Pero, antes de nada: ambas teorías coinciden en que una partícula es algo que no ocupa espacio. No tiene dimensión. No ocupa lugar, es un punto adimensional. Y en este acuerdo, junto con el desacuerdo sobre el determinismo, reside su guerra.

 

Teoría de Cuerdas 1

Ilustración 3 - Comparativa a escala de la longitud de Planck. Fuente: Universidad de Nueva Gales, Sidney.

Hemos recorrido el primer tercio del viaje, así que paremos, bajemos del tren, y estiremos las piernas. ¿Alguien sabe dónde estamos?
Pues no lo tenemos muy claro, la verdad…
Sí, es normal, no os preocupéis. Pero si os pregunto, teniendo en cuenta que en este apeadero se encuentran la física clásica y la mecánica cuántica, juntas, ¿es una estación tranquila y pacífica, o alterada y tensa?
Hombre, tiene pinta de tensa, de eso estamos seguros. Exacto. Veamos por qué. Volvamos al tren. Continuemos el viaje.

Si recordáis, antes hemos estamos hablando sobre el hecho de que, la física clásica, explica increíblemente bien lo grande y pesado, y que la mecánica cuántica hace lo mismo, sino aún mejor, con lo pequeño y ligero.
Pues aquí tenemos el problema.
¿Por qué? Usemos la una para lo uno, y la otra para lo otro. Aleluya, aleluya, cada uno con la suya, ¿no?
Bueno, pues otra vez más, sí, y no.
Sí, porque es lo que venimos haciendo, y con muchísimo éxito. Todo nuestro desarrollo actual se lo debemos a la una y a la otra, aplicadas cada una de ellas a su dominio de actuación. Invitándolas sólo a aquellas fiestas en las que se pone la música que les gusta.  Y hasta aquí, bien.
Pero no tanto, porque tenemos 2 problemas. Uno, el orgullo de los científicos, que no les deja dormir sólo por saber que hay cosas que no saben. Pero bueno, con eso que vivan ellos.
Pero es que hay una cosita, muy básica, que sí que duele. Y es la explicación de qué es el Universo. Y esta no es, ni más ni menos, que la pregunta original y máxima de la Ciencia. Si pasamos de ella, habremos colgado las botas. Habremos asumido nuestra derrota intelectual. Ya no como un puñado de científicos, sino como humanidad entera.

¡Ah! Y otro motivo más. Descubrir esto supondrá, sin duda, un salto tecnológico enorme, comparable, o puede que superior a los generados por las Teorías de las Relatividad y la Mecánica Cuántica juntas.
Y eso, amigos, es dinerito, mucho dinerito. Y eso no. Eso sí que no podemos dejarlo pasar.

¿Y por qué no pueden explicar el Universo cada una por su lado? Igual la respuesta a esto está por otro sitio, ¿no puede ser?
Bien lanzada, pero no, y veamos por qué.
Resulta que nuestros modelos nos indican, y nuestros experimentos lo confirman, que todo pareció comenzar con el Big Bang. Que, por cierto, no fue una explosión, pero ese cantero es de otro pan.
Pues bien, resulta que sabemos lo que pasó desde casi el principio, pero no desde el principio. Y eso no nos vale, porque no nos permite ver el instante propiamente dicho de la creación, lo que nos deja ciegos para ver tanto el qué, como el porqué. Nos vemos obligados a dar de lado a la triple pregunta que puso en marcha el motor del pensamiento científico: quiénes somos, de dónde venimos, y adónde vamos. Y ya que Siniestro Total escribió la canción, no podemos fastidiarles las fiesta, ¿no?

El motivo es claro: justo en ese momento, toda la masa y energía se encontraban comprimidas en un tamaño muy inferior al de un átomo. Esto implica que el Universo, en ese momento, ni era grande y pesado, ni era pequeño y ligero. Era pequeño y pesado. Y mucho de las dos cosas. Por tanto, no tenemos el contexto para aplicar ni la física clásica, ni la mecánica cuántica.
Y sí, se nos ha ocurrido aplicar las dos. Y juntas, fallan. Nos sueltan auténticas burradas sin sentido. Se vuelven, literalmente, locas, incoherentes. Absurdas. Se envenenan la una a la otra, y se ponen a decir tonterías.

Teoría de Cuerdas 1

Ilustración 4 - Conocemos toda la historia del Universo desde un instante ínfimo de su creación. Sabemos qué ocurrió desde el segundo 1x〖10〗^(-32), prácticamente el inicio. Pero, antes de eso, sólo hay niebla y ninguna propuesta coherente. Oscuridad. Fuente: NASA.

Hombre, pero por algo será, ¿no? ¿Sencillamente no funcionan, y ya?
Sí, claro, tenéis toda la razón. Esto tiene su porqué, ¿nos metemos en ello?
Hombre, pues ya puestos, sí. Ahora ya no tiene sentido abandonar.
¡Perfecto! Y aunque intentaré ser lo más básico posible, ahora sí, activad el modo avanzado del cerebro, esto no va a ser fácil ni aunque omitamos todos los tecnicismos y detalles. Agarraos, que lo que queda hasta la próxima parada no viene llano.

Hemos visto previamente que, fruto de la cuantización de los intercambios de energía, surge una especie de paquete mínimo de energía, el cual se describe como la constante de Planck. Por razonamientos que sólo complicarían la exposición, y para los que tendríamos obligatoriamente que introducir matemáticas de por medio (¡Por favor, no! Tranquilos, no lo haré. Gracias. De nada, para eso estamos.), esta constante de Planck tiene como consecuencia inevitable que exista una longitud de Planck y un tiempo de Planck, entre otras unidades de Planck.
Para seguir de forma intuitiva nuestra discusión, basta con saber que el tiempo de Planck es la mínima unidad de tiempo posible, y que la distancia de Planck es la distancia que un rayo de luz puede recorrer en el vacío en el tiempo de Planck7. Es decir, dado que es la distancia que se puede recorrer a la máxima velocidad posible, en el mínimo tiempo posible, es la mínima distancia que tiene sentido tratar. No hay ningún motivo para que por debajo de esa longitud ocurra algo, dado que cualquier cosa que ocurra, puesto que ocurrirá a, como máximo, la velocidad de la luz, y ocurrirá como mínimo en el tiempo de Planck, no podrá afectar/interactuar/estar, o cualquier otra cosa, en longitudes más pequeñas. Sencillamente, son inaccesibles, nada puede interactuar con ellas.
Esto no es fácil, lo sé, pero es así. No es una ida de olla de ningún científico loco. Es una cualidad fundamental del propio Universo.

7 Si os fijáis, aquí ya la tenemos liada. Si para la relatividad, no existen ni el espacio ni el tiempo por separado, sino que forman parte de un mismo conglomerado, denominado espacio-tiempo; y para la mecánica cuántica tenemos magnitudes independientes para ambos, mal vamos. Ya aquí se pueden vislumbrar las profundas diferencias que hay en sus postulados más básicos, las cuales se amplifican según se avanza y profundiza en cada una de ellas, y, más aún, cuando ambas se aplican juntas.

Al igual que tu televisor tiene una unidad mínima de resolución, marcada por el tamaño y número de píxeles de que disponga, el Universo parece tener también una unidad mínima de resolución, marcada por estas unidades de Planck.
No se puede intercambiar energía por debajo de la constante de Planck, no se pueden recorrer ni estar en cantidades de espacio inferiores a la longitud de Planck, y no puede pasar el tiempo en una cantidad menor que el tiempo de Planck. Lo mínimo que me puedo mover es una longitud de Planck. Es como si el espacio fuese una malla, en la que, cuando estoy en su escala más pequeña, sobre un único hilo, el lugar más cercano posible al que puedo ir es un hilo próximo. Pero no me puedo poner entre dos hilos, es imposible. Sencillamente, ahí no hay espacio en el que estar.
Esta distancia es monstruosamente pequeña. Para ponerla en escala, si un humano estamos en la escala de los 1x10º metros, un átomo normal lo está en la escala de los 1x10-9 metros, es decir, nos separan 9 órdenes de magnitud, lo cual no es difícil de entender que es una distancia enorme, ya que nuestra experiencia cotidiana nos deja muy clara la diferencia entre nuestro tamaño, y el de un átomo.
Bien, pues la longitud de Planck se encuentra en el orden de los 1x10-34 metros, es decir, es 25 órdenes de magnitud más pequeña que un átomo. Hay casi el triple de diferencia entre los tamaños de la longitud de Planck y un átomo, que entre el tamaño de éste y el nuestro. Sencillamente no son escalas que podamos comprender.

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Ilustración 5 - Comparativa a escala de la longitud de Planck. Fuente: Universidad de Nueva Gales, Sidney.

Por otro lado, tenemos el concepto de vacío. Mentalmente, asumimos que el vacío es, sencillamente, nada. Cuando nada está en un sitio. Cuando hay ausencia absoluta de todo en un momento y lugar dados. ¿Verdad?
Hombre, pues claro. Mira que estás hoy pesao. ¿Vas a poner en duda esto?
No, yo no lo voy a poner en duda. Voy directamente a negarlo, en nombre de Heisenberg. De frente y en la cara. El vacío, sencillamente, no existe.
¡¡Venga ya!! Esto ya sí que no. ¿Qué pasa, que algún calvo solitario y pintafolios lo dijo alguna vez?
Sí. Pero eso es lo de menos. Sé de vuestro espíritu altamente empírico y pragmático, y en esto voy a jugar en vuestro terreno. Es así porque todo apunta a ello, teoría y experimentación. Cuando en algún punto no hay nada, se miden no sólo fluctuaciones de energía, sino que aparecen y desaparecen, de la nada, partículas. Literalmente.
¡NO!. Sí.

Paso, por favor, paso, que te llevo leyendo algunos artículos ya, y no había querido hablar hasta ahora. A mí, esto de la física, también me gusta. Y algo sé. Y así, de entrada, se me ocurre que esto rompe, nada más y nada menos, que el Principio de Conservación de la Energía. Esto, sencillamente, no puede ser.
¡Hombre, hola! ¡Encantado de conocerte! Muy, muy, muy, muy, pero que muy buena apreciación. Tienes todo el derecho a invocar al Grandísimo. Ni la mecánica cuántica se atreve a librar esta pelea. Con el Principio de Conservación de la Energía no se mete ni dios.

Como bien dices, todos sabemos que la energía ni se crea, ni se destruye, simplemente se transforma. Y si pares de partículas se crean de la nada, obviamente estaríamos aportando masa gratis al Universo. Y como masa y energía, como ya vimos en artículos anteriores, son lo mismo, estaríamos regalando energía al Universo, y violando por tanto el hiperextramegasuperteragigapetasagradísimo principio de Conservación de la Energía. Y por ahí, no. Muy mal. Caca.

Sin embargo, si ocurre, porque lo medimos8, y éste no se viola, ¿qué ocurre? Bien, veamos: este principio impide aportar energía neta al Universo. Y ahí está la clave. Nada impide que en un contexto aislado esto ocurra, siempre que la energía neta global permanezca inalterable. Pero un sistema aislado sí que puede generar o perder energía, porque la tome o la entregue del entorno al que pertenece.
Y la energía neta del Universo sigue siendo la misma, principalmente por tres motivos muy claros: el primero, porque estos pares de partículas que se crean de la nada, son siempre pares de partícula y antipartícula, por lo que, de inmediato, se aniquilan, devolviendo al Universo la energía que le tomaron prestada para crearse.
Por otro lado, todo esto ocurre en unidades de tiempo realmente pequeñas, lo que por motivos bastante técnicos, impide que se viole el principio de conservación en periodos tan cortos.
Y, en tercer lugar, por la naturaleza probabilista de este fenómeno, como todos los fenómenos cuánticos. En todo momento, a lo largo de la enorme vastedad del Universo, están naciendo y aniquilándose estos pares de partículas. Parece que puede demostrarse que la contribución neta global de la suma de todas las aportaciones individuales, negativas y positivas, se anulan con bastante precisión.

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8 Hay ya algunas evidencias experimentales indirectas que aportan unas garantías experimentales ya bastante prometedoras.

Además, mirémoslo así: que el vacío no exista no es otra rareza más de la mecánica cuántica, sino una consecuencia directa de la misma.
Como vimos, el Principio de Indeterminación de Heisenberg impide conocer la posición y velocidad, en el caso de una partícula, o sus equivalentes estado actual y cambio de valor en el caso de los campos.
Si asumimos (y ahora veremos por qué) que existe todo un campo que impregna el espacio tiempo, el vacío, necesariamente, no puede existir, ya que implicaría conocer el estado actual de dicho campo (valor cero, nada, nulo, inexistencia), y a la vez su cambio de valor, el cual debería ser también cero, puesto que un instante después seguiría siendo el mismo para poder seguir vacío. Por tanto, tener un vacío tal cual intuitivamente lo conocemos no es posible según el conocimiento, tanto teórico como experimental que tenemos del Universo, ya que violaría unos preceptos teóricos cuya validez y solidez han sido, y siguen siéndolo cada vez más, contrastados.
De hecho, estas partículas fantasmales nacidas de la nada son las culpables de la Radiación de Hawking9, y por tanto, de que los agujeros negros vayan, poco a poco, perdiendo masa, haciéndose cada vez más pequeños y evaporándose con el paso de los eones, siendo esta teoría, y sus de momento parciales demostraciones, una de las evidencias indirectas más importantes de que disponemos respecto de la ausencia de vacío.

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9 Esto se produce por el mismo principio anterior. Es, de nuevo, una consecuencia más de lo mismo, no algo diferente. Si estas partículas se forman en una posición muy concreta de un agujero negro, concretamente en su horizonte de sucesos, una de ellas, la interna, no podrá escapar y será absorbida por el agujero. Por tanto, la otra no tendrá un par antipartícula con la que aniquilarse, y, aunque por las justas, conseguirá escapar. Estas partículas que escapan son las que forman la radiación de Hawking.
Puesto que el Universo no podrá devolver la energía prestada para crear este par de antipartículas, ya que no pudo destruirlas para hacerlo, y puesto que el principio de conservación de la energía impide que ésta se cree o se destruya, tiene que ser, necesariamente el agujero negro quien ceda parte de su energía, en la forma que sea, ya sea perdiendo masa, energía rotacional, o, como mucho, carga eléctrica. De no devolverla, los agujeros negros serían generadores netos de energía, y harían que el Universo fuese ganándola poco a poco, ya que al “retirar” del Universo una partícula, impidiéndole a éste devolver el préstamo energético que solicitó para generar el par, estarían en la práctica aportando nueva energía en forma de radiación con las partículas pares que no pueden aniquilarse.

Imaginemos la economía mundial. El Principio de Conservación de la Energía sólo nos impide crear o destruir dinero. El valor total mundial debe ser siempre el mismo. Pero no nos pone restricciones respecto a cómo dicho dinero debe estar repartido. Por tanto, una economía en la que todo el dinero esté en manos de un mismo individuo, y otra en la que el dinero esté repartido de forma equitativa entre todas las personas, si bien serían muy diferentes, cumplirían ambas el principio de conservación.  Es algo muy similar a esto.

Todo parece apuntar, damas, caballeros, que el problema es nuestra intuición. No podemos cambiar un comportamiento universal y comprobable (de momento, indirectamente), sencillamente porque no quepa en nuestras molleras. Guste o no, debemos rendirnos a la evidencia, la cual parece ser esta. El vacío, ni existe, ni puede existir.

 

Teoría de Cuerdas 1

Ilustración 6 - Bueno, algunas cosas sí pueden estar realmente vacías.

Pero el verdadero problema de la guerra entre ambos enfoques físicos, el clásico y el cuántico, es la gravedad. En el Universo existen 4 fuerzas fundamentales:

1. La fuerza nuclear fuerte, que se encarga de mantener unidos los núcleos atómicos. Su cuanto, o partícula transmisora de fuerza es el gluon.

2. La fuerza nuclear débil, que se encarga de mantener unidos, en esencia, los electrones a los átomos. Sus cuantos, o partículas transmisoras de fuerza son las partículas W y Z.

3. La fuerza electromagnética, responsable de la luz, las ondas de radio, las microondas, y de en general todo el espectro electromagnético, lo percibamos nosotros en la forma que lo hagamos según la parte del mismo a la que nos refiramos. Su cuanto, o partícula transmisora de fuerza es el fotón.

4. La fuerza gravitatoria, responsable de mantener unidos los grandes cuerpos, tanto en sí mismos, como entre ellos. Su cuanto o partícula transmisora de fuerza es el gravitón.

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Ilustración 7 - Un diagrama sencillito, perfecto para hacer chuletas. Fuente: Mola Saber, Carlos Pazos.

Obviamente, una explicación general del Universo debe poder explicarlas todas ellas. Ninguna de las dos vertientes, aun teniendo fuertes puntos en común (generalmente casi siempre rondando el electromagnetismo), consiguen explicarlas todas por completo.
Pues bien, con mucho arte, estudio, e ingenio, se han conseguido teorías que, manteniendo la coherencia de ambos enfoques de la física, explican tres de ellas: las fuerzas nucleares fuerte y débil, y el electromagnetismo. Ejemplos de esto es la Teoría de Cuántica de Campos, actualmente todo un monstruo de la física, ya que se ha posicionado, en este marco parcial de 3 sobre 4, como una herramienta realmente potente. Bajo este enfoque, todo en el Universo son campos, y sus acciones e interacciones son las que, a nivel macro, detectamos como partículas. Llega incluso a decir que la materia no es, ni más ni menos, que un campo, ante cuya manifestación percibimos su energía en forma de materia. Este es el famoso campo de Higgs, y su cuanto o partícula trasmisora de energía es el famoso bosón de Higgs, descubierto experimentalmente en el CERN hace tan sólo unos años, y que le sirvió a su descubridor teórico el premio Nobel.
Si recordáis, masa y energía son dos manifestaciones de lo mismo. Pues este campo de Higgs explica qué son el en fondo ambas cosas: un campo con su cuanto, el bosón de Higgs, haciendo de las suyas. Según lo que haga, tú puedes tocar cosas, o no.
Si, amigos, lo que hay y lo que percibimos parecen ser dos historias muy diferentes con poco o nada en común.

De hecho, se ha llegado a demostrar que las fuerzas nuclear débil y la fuerza electromagnética son dos manifestaciones de una misma fuerza, llamada fuerza electrodébil, y se ha teorizado, y al parecer se está muy cerca de demostrar que a la fuerza nuclear fuerte le ocurre lo mismo con las dos anteriores, unificando no sólo estas tres fuerzas en un mismo marco teórico, sino, literalmente, unificando las propias fuerzas en una más general, como ya hizo Maxwell con la electricidad y el magnetismo en el SXIX.
Pero nunca, nunca, nada que incluya a la gravedad y mantenga una coherencia general para con el resto.
Bueno, sí: nuestra Teoría de Cuerdas.

Bien, acabamos de llegar a la siguiente estación. Bájense, fumen los fumadores, anden los andadores, y relájense en general. Tan sólo nos queda un último tramo, y éste no es demasiado accidentado.

¡Pasajeros, al tren! Proseguimos en busca de nuestra codiciada teoría. Nos dicen que la han visto en la próxima estación. Vamos allá. Generemos expectativas.

La teoría es tremendamente bella, sencilla, y armoniosa. Unifica todo de una manera natural, sin artificios. La unificación no se alcanza como parte del desarrollo de la misma, sino que surge como base inevitable sobre la que se apoya. Cuando esto ocurre, se dice que la teoría está autocontenida, es decir, las conclusiones no surgen como tal (lo cual ya es algo tremendo), sino que emergen como premisas necesarias para que la propia teoría se sustente.
Cuando las matemáticas te han dado este aviso, inspirándote a la fuerza tocando el timbre de tu puerta, les haces caso durante años, y ellas solitas, paso a paso, con más frustración que éxitos, acaban desenrollándote una teoría que, sin buscarlo, explica de forma conceptual, sencilla, intuitiva, y, sobre todo, necesaria, algo por lo que la física entera lleva más de un siglo peleando, ese día, tienes un buen día.

Y eso le pasó a Schwarz, cuya determinación y abnegación, junto con la de su compañero Scherk, son el principal motivo por el cual hoy tenemos esta maravillosa candidata a Teoría del Todo. Candidata a explicar, de forma única, por sí misma, y sin más ayuda, cómo funciona el Universo en cualesquiera de sus escalas, situaciones, contextos, y manifestaciones. Hala. Eso es hasta más de lo que ha hecho alguna vez Cristiano Ronaldo, multiplicado por Messi, y elevado a once veces Modrić.

Pero empecemos por el principio. Allá por finales de los años 60, un chaval cualquiera llamado Gabriele Veneziano, estudiante de postdoctorado en el CERN, se dio cuenta de que existía una correlación muy curiosa, y, además muy efectiva, entre la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidas a las partículas atómicas nucleares, y una fórmula por ahí perdida de Euler, uno de los mayores matemáticos de la historia. Pero esa fórmula trataba sobre el movimiento ondulatorio, poco o nada tenía eso que ver con la fuerza nuclear fuerte con la que tan fuertemente parecía correlacionarse.
En fin, curiosidades matemáticas. Se le prestó un poco de atención, se hicieron las revisiones mínimas pertinentes para confirmar que allí no había nada, y poco más.

Pero Schwarz no estaba de acuerdo. Efectivamente entre la fórmula del movimiento ondulatorio escrita por Euler siglos atrás, y la interacción nuclear fuerte, había coincidencias. Pero no sólo coincidencias, había mucho más que coincidencias.
Schwarz se dio cuenta de que, ciertamente, si uno intentaba ver movimientos ondulatorios como consecuencia de la fuerza nuclear fuerte, pues los veía, casi más por azar que por relación real.
Pero si intentaba ver la fuerza nuclear fuerte como consecuencia de movimientos ondulatorios, la cosa era diferente. De hecho, era muy diferente. Era tan diferente que la tortilla completa de la física, enterita, se daba la vuelta sola.
Y se puso a hacer matemáticas.
Y pasaron de él.
Y a él le dio igual, y siguió haciendo matemáticas, buscando en ellas la respuesta.
Y, tras varias decepciones más, algún éxito suelto, cinco teorías parciales, el trabajo de miles de científicos más durante décadas, y la histórica exposición de Witten en 1.995 en la que demostró que no había habido 5 teorías fracasadas, sino que cada una de ellas era la expresión parcial y límite de una teoría mayor que las unificaba a todas y las hacía válidas y convivientes, tenemos nuestra actual teoría de cuerdas, conocida como Teoría M. ¿Qué por qué la M? Preguntádselo a Witten. Bueno, mejor no lo hagáis. Ya lo han hecho otros, y no parece dispuesto dejar de bromear al respecto.

Bueno, cuéntanos, ¿qué dice esa teoría tan elegante, tan bella, tan sublime?
Sí, perdón, tenéis razón. Se me nubla la mente y se me enciende la pluma. Vamos allá.
Esta teoría dice que, todo lo que hemos leído hasta ahora, y todo aquello que no, y que no leeremos nunca, toda esa complejidad, es innecesaria. Si bien las teorías que la necesitan predicen y funcionan bien, cada una dentro de sus dominios, la complejidad que requieren para funcionar es tan sólo debida a su parcialidad, es decir, justamente al hecho de que no pueden explicarlo todo. Por tanto, son sólo una descripción válida pero parcial, correcta pero incompleta. Y, fruto de esas carencias fundamentales, necesitan de todo un complejo andamiaje para mantenerse en pie.

La teoría de cuerdas dice que no existe nada de eso. Ni partículas, ni cuantos, ni materia, ni campos. Solo existe una única cosa: cuerdas que vibran. Y ya10. Según como vibren, percibimos una cosa u otra, exactamente igual que, según cómo vibren las cuerdas de una guitarra, percibimos unas notas u otras en unas octavas u otras, que acaban, en su conjunto, generando unas melodías u otras. Pero sólo hay cuerdas vibrando, nada más.
Si vibran de cierta forma, lo llamamos electrón. Si lo hacen de otra, lo llamamos fotón. Pueden incluso vibrar de formas aún no detectadas, que hasta aquello que aún no conocemos, queda ya explicado, contenido en la teoría.
Así de simple. Así de general. Así de bello. Y esto no se debe a la mente retorcida o poética de nadie. Son una conclusión matemática, una opción real capaz de explicar cualquier evento del Universo, independientemente de su escala y naturaleza. Genial, ¿no os parece? Para mí es, literalmente, música.

Bueno, sí, vale. Para ser rollos de estos científicos que nos metes, no esta mal, la verdad. Pero, bonito o feo, ¿me quieres explicar por qué sí esta teoría vale para explicarlo todo? ¿Cómo consigue unificar las 4 fuerzas de la naturaleza en un único marco teórico?
Bien, bien, hoy estáis estupendos. La pregunta da en la diana. Es buenísima, y reconozco que, para responderla de una forma intuitiva y sin tirar de tecnicismos ni matemáticas, he tenido que estrujarme bien la sesera. Me ha costado mucho encontrar una explicación directa y coloquial, pero creo que la tengo. Por supuesto, y como suele ser habitual, hemos de hacer algunas concesiones que pedimos se nos permitan a aquellos académicos más ortodoxos. Pero, de nuevo, considero que el resultado justifica las licencias.

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10 Bueno, y branas, pero sólo entraremos en esto en un hipotético segundo artículo sobre las cuerdas, si es que esto llega a producirse. Las dimensiones, sean las que sean, se dan por supuestas como es habitual en cualquier modelo.

Recordemos que el vacío, teóricamente, no puede existir. Y que experimentalmente parece no existir, corroborando así la empírica esta predicción teórica.

Recordemos también, que, dado que por debajo de la longitud de Planck no puede haber nada, y puesto que nada no es posible, nos encontramos una especie de amalgama, sopa, o como queramos llamarlo, en que todo parece perder su sentido. Aparecen y desaparecen partículas, ondulaciones, variaciones energéticas aleatorias, y todo un sinfín de maldades que no hay por donde coger. Puro caos y desorden.

Y recordemos también, que tanto para la física clásica, como para la cuántica, las partículas, culpables de todo lo que ocurre (aunque de formas distintas en ambas teorías), no ocupan lugar. Son puntos adimensionales. Esto hace que, en un dominio cuántico, las fuerzas nucleares fuerte (con su cuanto llamado gluon) y débil (con sus cuantos llamados W y Z), la electromagnética (con su cuanto llamado fotón), y la gravitatoria (con su cuanto llamado gravitón), tengan todas ellas cuantos, necesariamente, más pequeños que la longitud de Planck 11, ya que son simples puntos. Es decir, están dentro de los dominios de la locura y falta de sentido que hay por debajo de la longitud de Planck.

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11 Más bien incluidos en la longitud de Planck, o sujetos a la longitud de Planck, ya que al ser adimensionales no tienen tamaño, por lo que carece de sentido la comparación más pequeños que.

Como vimos, se han podido explicar bajo un mismo marco teórico (la teoría cuántica de campos), el comportamiento de 3 de estas fuerzas, quedando fuera la gravedad, y no sin, en el proceso, introducir niveles de complejidad y, en ocasiones, algunos artificios que no hacen sentir del todo cómodos a los científicos, sobre todo cuando ni siquiera consiguen del todo su objetivo unificador total.

El problema es, por tanto, que, ante un entorno tan enloquecido y aleatorio, resulta muy difícil explicarlo todo, y, dado que es el propio espacio-tiempo uno de los componentes que se retuercen o deforman o como ustedes quieran llamarlo, la gravedad, cuyo efecto se explica mediante la deformación (ordenada y predecible, eso sí) del espacio-tiempo a mayores escalas, sencillamente, no puede trabajar en escalas tan pequeñas en las que el propio espacio-tiempo ya está desecho. Es la pescadilla que se muerde la cola: si soy un gravitón, no puedo usar el espacio-tiempo como se espera que haga, si este, sencillamente, deja de existir tal y como lo necesito para poder usarlo. Y nunca podré. Este es el motivo por el cual la gravedad funciona a escalas macro, o no cuánticas, y no lo hace a escalas micro, o cuánticas.
El resto de fuerzas, aunque con bastante trabajo, se han conseguido integrar, explicando su funcionamiento a cualquier escala.
Como ya adelantamos hace unos párrafos, aquí surge la guerra: de hacer trabajar a las partículas transmisoras de fuerza (o cuantos) por debajo de la longitud de Planck, mientras que el Principio de Incertidumbre de Heisenberg nos garantiza que, bajo estas longitudes, sólo encontraremos caos, aleatoriedad, y desorden. A distancias tan cortas puede que Varón Dandy siga funcionando, pero a nosotros se nos desmonta el castillo.

Pues bien, señoras, señores, de nuevo gracilidad y sencillez: resulta que las matemáticas nos dicen que las cuerdas sí tienen longitud. Son unidimensionales en lugar de adimensionales, y, además, su tamaño es, como mínimo, ligeramente mayor que la longitud de Planck. Sólo con esto, ya conseguimos:

a. Que no nos tenga que preocupar lo que ocurra por debajo de la longitud de Planck. Trabajamos en otra escala. Todas nuestras partículas, cuantos, y campos necesarios para explicar el Universo, surgen como consecuencia de la vibración de un elemento que nunca caerá, ni por accidente, en esta zona prohibida.

b. Por tanto, el gravitón tiene ahora las mismas posibilidades de funcionar que los cuantos del resto de fuerzas, por lo que la unión entre todas surge de forma natural, sin artificios. Surge de forma necesaria, sin buscarla.

c. Si bien hemos encontrado al gluon, responsable de la fuerza nuclear fuerte, a las partículas W y Z responsables de la fuerza débil, y al fotón, responsable del electromagnetismo, nunca hemos encontrado al gravitón, pero todos los trabajos nos llevan a prever que tiene que tener spin 2 y masa 0. No entraremos en qué es esto ni en los porqués, ya que sería demasiado por hoy.
Pues bien, la teoría M predice la existencia de una partícula con spin 2 y masa 0, que emerge como condición necesaria de la fuerza de la gravedad. Y en las matemáticas no suelen existir casualidades.

d. No invalida ni la Relatividad General, ni la Mecánica Cuántica. Ambas entran de forma natural en la teoría M como casos particulares de la misma, como aplicaciones de esta a situaciones y dominios concretos. Es decir, las extiende, pero no las anula.Por ejemplo, no tiene ningún problema con lo que exista por debajo de la longitud de Planck. No necesita invalidar esto, lo cual se está apuntalando como cierto (o cierto en forma alguna, cuanto menos). Sencillamente, lo evita con elegancia y lo deja estar. Live and let live.

e. Más cosas que para exponerlas tendríamos que comenzar desde muy atrás, y este artículo creo que ya ha sido bastante exigente con nuestros pobres cerebros.

Teoría de Cuerdas 1

Ilustración 8 - Aquí os dejo el primer capítulo de la serie de documentales El Universo Elegante, de Brian Greene, donde lo pasaréis pipa aprendiendo más sobre relatividad, cuántica, y cuerdas. Por supuesto, os recomiendo el libro en el que se basa, un bestseller de divulgación muy ameno, pero como sé que no a todos os gusta este tipo de literatura, vamos a lo fácil. Fuente: Youtube, Brian Greene.

Jo, pues ya está, ¿no? Fin de la física, estupendo, ya lo sabemos todo.
Mmmmmmm, no es tan sencillo. De momento, esta teoría es un bonito y elegante marco teórico, muy prometedor, que ya ha pasado a lo largo de sus ya 50 años de existencia bastantes justificaciones y que, por tanto, se apoya en unos fundamentos matemáticos coherentes, y que ha conseguido integrarse con éxito (y mucho esfuerzo) dentro del contexto de la física, respetándolo y no transgrediendo ninguno de sus principios considerados inviolables. No es poco, ni mucho menos, pero le falta desarrollarse completamente como teoría, lo que implica disponer no sólo de un marco conceptual coherente y fundamentado, sino de toda una teoría matemáticamente expresable, demostrable y que la abarque por completo, de ahí que haya tantos científicos en la actualidad trabajando en ella, aportando, cada uno, su granito de arena.
Pero, de momento, ni siquiera tenemos las matemáticas necesarias para esto, por lo que hay que, previamente, desarrollarlas. En eso estamos, como Humanidad. En eso están, como científicos.

Cuando, ojalá, todo esto ocurra y tengamos toda una teoría general, con su expresión matemática completa, vendrá el último y peor de los retos a los que la teoría M se tendrá que enfrentar: su demostración experimental.
Y diréis: si es tan bonita, tan práctica, y la expresamos matemáticamente, ¿qué problema habrá en esto? Sencillamente, observemos el Universo y veamos, cómo, efectivamente, la teoría se cumple.
Y sí, normalmente sería así, pero, lamentablemente esta vez puede que no sea tan sencillo. El problema es que los experimentos necesarios como para poner a prueba la teoría, y ratificarla, requieren de una tecnología de la que hoy no disponemos, ni de la que probablemente dispongamos en un medio plazo, y dependiendo de qué experimentos hablemos, puede que no lleguemos a tener nunca. Y esto es un problema, ya que la ciencia, sin la evidencia, no da por bueno nada. Lo acepta como posibilidad si puede justificarse y demostrarse de forma teórica, pero no le otorga una validez completa hasta que no lo comprueba de forma repetida, por lo que, de no poder demostrar la teoría de forma experimental, puede que ésta acabe quedando para siempre, o al menos, durante mucho tiempo, como un bonito marco teórico, bien fundamentado y demostrado, pero sin ninguna evidencia empírica. Es decir, tendremos una bonita posibilidad.

Pero no nos preocupemos ahora por eso. Trabajemos en ella, construyámosla con nuestro mejor empeño, y ya veremos por qué derroteros nos sale.
Además, la Ciencia tiene la mala costumbre de, por cada respuesta, regalar también una gavilla de preguntas, así que…

Una vez más, esto es sólo una aproximación. Disculpen las carencias, disculpen, sobre todo, las licencias (especialmente en esta ocasión), y sean benévolos con los errores que hayamos podido cometer. Como siempre, nuestra intención es entretener, y a poder ser, generar curiosidad y respeto por la Ciencia. Y con conseguir sólo una pizca de tan sólo una de ellas, sentiremos que nuestro trabajo ha merecido, sobradamente, la pena.

¡Disfruten de la Sinfonía Universal!

¡Nos vemos!

Javier Lara

Entusiasta del software, la música, y la ciencia, llevo desde chaval metido en los tres tinglados todo lo que mi tiempo y mis capacidades me permiten. Estudié Ingeniería Técnica Informática en la Universidad de Castilla – La Mancha, Máster Universitario en Tecnologías Informáticas Avanzadas en la misma universidad, y Máster Universitario en Inteligencia Artificial por la Universidad Internacional de la Rioja, y me he dedicado al software durante toda mi vida profesional, así como a leer toda la divulgación posible sobre ciencia, especialmente en las ramas de la astrofísica y astronomía