Los retos del siglo para la Física

Ecuaciones Maxwell

El verano de 2000, unos físicos culminaron una conferencia sobre teoría de supercuerdas en la Universidad de Michigan (EE UU) en la sesión Locura del milenio, en la cual eligieron los 10 problemas más intrigantes en su campo.  David Gross, físico teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara, al desvelar cuáles eran los problemas ganadores. Junto a otros jueces, Gross hizo la selección:

1. ¿Son todos los parámetros (medibles) adimensionales que caracterizan el universo físico calculables en principio o algunos están meramente determinados por accidente histórico o mecanocuántico y son incalculables? Einstein lo planteó de modo más agudo: ¿Tuvo Dios elección al crear el universo? Imagine a Dios sentado en su consola de control, preparándose para desencadenar el Big Bang: “¿A qué velocidad ajustaría yo la velocidad de la luz”; “¿Qué carga daría yo al electrón?”; “¿Qué valor daría a la constante de Planck, el parámetro que determina el tamaño de los pequeños paquetes -denominados cuantos- en que la energía sería empaquetada?”. ¿Adjudicaría cifras al azar para cumplir un plazo o los valores tendrían que ser lo que son debido a una lógica profunda escondida? Este tipo de preguntas conducen a un guirigay que implica un número misterioso llamado Alfa. Si se eleva al cuadrado la carga del electrón y se divide el resultado por la velocidad de la luz multiplicada por la constante de Planck, todas las dimensiones (masa, tiempo y distancia) se cancelan, produciendo lo que se llama un número puro -Alfa, que es ligeramente superior a 1/137-. Pero ¿por qué no es exactamente 1/137 u otro valor completamente diferente? Físicos, e incluso místicos, han intentado en vano explicar por qué.

2. ¿Cómo puede ayudar la gravedad cuántica a explicar el origen del universo? Dos de las grandes teorías de la física moderna son el modelo estándar, que utiliza la mecánica cuántica para describir las partículas subatómicas y las fuerzas de interacción entre ellas, y la relatividad general, la teoría de la gravedad. Los físicos conjeturan desde hace tiempo que la fusión de ambas en una Teoría del todo -la gravedad cuántica- proporcionaría una comprensión más profunda del universo, incluyendo cómo nació espontáneamente con el Big Bang. El mejor candidato para esta fusión es la teoría de super-cuerdas, o teoría M, como se denomina la última versión de la misma (con la M por magia, misterio o madre de todas las teorías).

3. ¿Cuál es la vida media del protón y cómo entenderla? Solía considerarse que los protones, a diferencia de, por ejemplo, los neutrones, viven indefinidamente, que nunca decaen en constituyentes más pequeños. Pero en los años setenta, los físicos teóricos se dieron cuenta de que sus candidatos para una gran teoría unificada que fundiera todas las fuerzas excepto la gravedad implicaba que los protones debían ser inestables. La cuestión es esperar suficiente tiempo y entonces, muy de vez en cuando, un protón se rompería.

La cuestión es pillarlo in fraganti. Los físicos experimentales, en laboratorios subterráneos protegidos de los rayos cósmicos y de otras interferencias, han pasado años observando grandes depósitos de agua a ver si un protón de uno de los átomos de la misma produce la señal correspondiente. Hasta la fecha el recuento de muertes de protones es cero, lo que significa que o los protones son perfectamente estables o su vida media es enorme, un mil millones de billones de billones de años o más.

4. ¿Es la naturaleza supersimétrica, y si es así, cómo se rompe la supersimetría? Muchos físicos consideran que la unificación de todas las fuerzas, incluida la gravedad, en una única teoría requeriría demostrar que dos tipos muy diferentes de partículas están de hecho íntimamente relacionadas, un fenómeno denominado supersimetría.

Las primeras, llamadas fermiones, son descritas como los bloques de construcción de la materia, como los protones, los electrones y los neutrones. Estos bloques se juntan para formar todas las cosas. Los otros, los bosones, son las partículas intermediarias de las fuerzas, como los fotones, portadores de la luz. Con la supersimetría, todo fermión tendría un gemelo bosón, y viceversa.

Los físicos, con su tendencia convulsiva a inventarse nombres divertidos, denominan a las superparejas spartículas, y así, para el electrón habría un selectrón y para el fotón un fotino. Pero dado que no se han observado spartículas en la naturaleza, los físicos tendrían también que explicar por qué, en su jerga, la simetría se rompe: la perfección matemática que existió en el momento de la creación fue destruida cuando el universo empezó a enfriarse y se solidificó en su estado actual asimétrico.

5. ¿Por qué aparentemente el universo tiene una dimensión temporal y tres espaciales? Un por que sí no se considera una respuesta aceptable. Y el hecho de que la gente no pueda imaginar el moverse en direcciones extra, más allá del arriba/abajo, derecha/izquierda y adelante/atrás no significa que el universo tuviera que ser diseñado así. Según la teoría de supercuerdas, de hecho, debe haber seis dimensiones espaciales más, cada una enrollada y demasiado diminuta para detectarla. Si esta teoría es correcta, ¿por qué sólo se desplegaron tres dimensiones, dejándonos en este escenario comparativamente claustrofóbico?

6. ¿Por qué la constante cosmológica tiene el valor que tiene? ¿Es igual a cero y es realmente una constante? Hasta hace poco los cosmólogos pensaban que el universo está expandiéndose a velocidad constante. Pero recientes observaciones indican que la expansión puede estar acelerándose. Esta leve aceleración se describe por algo llamado la constante cosmológica. Tanto si la constante resulta ser cero, como se creía antes, o si tiene algún valor muy pequeño, los físicos no saben explicar la razón. Según algunos cálculos fundamentales, debería ser grande, entre 10 y 122 veces mayor de lo observado.

El universo, en otras palabras, estaría hinchándose a saltos y como no lo está, debe haber algún mecanismo que suprime el efecto. Si el universo fuera perfectamente supersimétrico, la constante cosmológica resultaría cancelada por completo. Pero dado que la simetría, si existe después de todo, parece estar rota, la constante debería ser demasiado grande. Las cosas serán mucho más confusas aún si resulta que la constante varía en el tiempo.

7. ¿Cuáles son los grados fundamentales de libertad de la teoría M (la teoría cuyo límite de baja energía es la supergravedad de once dimensiones y que engloba las cinco teorías consistentes de supercuerdas) y describe esta teoría la naturaleza? Durante años, un gran inconveniente de la teoría de supercuerdas ha sido que había cinco versiones. ¿Cuál describía el universo, si es que alguna lo hacía? Los rivales se han reconciliado recientemente en un marco global de 11 dimensiones que es la teoría M, pero a costa de introducir complicaciones.

Antes de la teoría M se decía que todas las partículas subatómicas eran minúsculas supercuerdas. La teoría M añade a la mezcla subatómica unos objetos aún más extraños denominados branes -como membranas pero con nueve dimensiones-. La cuestión es cuál es más fundamental -¿están las cuerdas hechas de branes o viceversa? ¿O hay algo todavía más fundamental que nadie ha concebido aún? Finalmente, ¿es real algo de esto o es la teoría M sencillamente un fascinante juego mental?

8. ¿Cuál es la solución de la paradoja de la información del agujero negro? Según la teoría cuántica, la información -tanto si ésta describe la velocidad de una partícula o la forma precisa en que las marcas de tinta están ordenadas en un documento- no puede desaparecer del universo.

Pero los físicos Kip Thorpe, John Preskill y Stephen Hawking han hecho una apuesta: ¿Qué pasaría si se tira una copia de la Enciclopedia Británica por un agujero negro? No importa si hay otras copias idénticas en algún otro lugar del universo. Tal y como se define en física, la información no es lo mismo que el significado, sino que se refiere simplemente a los dígitos binarios, o cualquier otro código, utilizado para describir exactamente un objeto o patrón. Asi que parece que la información en esos libros concretos sería engullida y desaparecería para siempre. Y se supone que esto es imposible.

Hawking y Thorpe creen que la información efectivametne desaparecería y que la mecánica cuántica tendría que afrontar la cuestión. Preskill especula que la información no se desvanece en realidad: puede resultar expuesta de alguna manera en la superficie del agujero negro como en una película cósmica.

9. ¿Cómo explica la física la enorme disparidad entre la escala gravitatoria y la típica escala de la masa de las partículas elementales? En otras palabras: ¿Por qué la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas, como el electromagnetismo? Un imán puede levantar un clip aunque la gravedad de toda la Tierra esté tirando de él en sentido contrario. Según una propuesta reciente, la gravedad es, de hecho, mucho más fuerte. Sencillamente parece débil porque la mayor parte de ella está atrapada en una de esas dimensiones extra. Si toda su fuerza pudiera ser extraída con aceleradores de partículas de alta energía, sería posible crear agujeros negros minúsculos. Aunque pueda parecer interesante para la industria de los residuos sólidos, las agujeros negros probablemente se evaporarían tan pronto como se formasen.

10. ¿Podemos comprender cuantitativamente el confinamiento de quarks y gluones en la cromodinámica cuántica y la existencia de un intervalo de masa? La cromodinámica cuántica, o QCD, es la teoría que describe la fuerza nuclear fuerte. Los intermediarios de esta fuerza son las partículas llamadas gluones y es la que mantiene unidos a los quarks para formar protones y neutrones. Según la teoría, estas minúsculas partículas están permanentemente confinadas, no se puede arrancar un quark o un gluón de un protón porque la fuerza fuerte se hace cada vez más fuerte con la distancia y vuelve a colocar las partículas en su sitio.

Pero los físicos todavía tienen que demostrar de modo concluyente que los quarks y los gluones nunca pueden escapar. Cuando tratan de hacerlo, los cálculos se desmadran. Y no pueden explicar por qué todas las partículas gobernadas por la fuerza fuerte tienen que tener como mínimo una cierta cantidad de masa, aunque sea minúscula, pero que no puede ser cero. Algunos esperan encontrar una respuesta en la teoría M, que tal vez ilumine algo la naturaleza de la gravedad