En un artículo de la revista Quanta, el físico y matemático holandés Robbert Dijkgraaf utiliza la metáfora espacial del "paisaje" para explicar la importancia revolucionaria de la teoría de cuerdas para comprender el universo.
El principal dilema de la física cuántica
Imagina que se les pide a Alice y Bob que preparen la cena. A Alice le encanta la comida china, a Bob le encanta la italiana. Cada uno elige su receta favorita, compra en una tienda local y sigue las instrucciones claramente. Pero cuando sacan la comida del horno, ambos se sorprenden bastante. Ambos platos resultan ser exactamente iguales. Uno solo puede imaginar las preguntas existenciales que hacen Alice y Bob. ¿Cómo pueden distintos ingredientes hacer los mismos platos? ¿Qué significa cocinar comida china o italiana? ¿O se acercaron tan mal al proceso de cocción?
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Ésta es una ilustración del dilema central de los físicos cuánticos. Encontraron muchos ejemplos de cómo dos conceptos completamente diferentes pueden describir el mismo sistema físico. En el caso de la física, en lugar de carnes y salsas, las partículas y las fuerzas actúan como ingredientes, las recetas son fórmulas de interacción, y el proceso de cocción es un procedimiento de discretización que pone la probabilidad de fenómenos físicos de acuerdo con fórmulas. Al igual que Alice y Bob, los científicos están asombrados de cómo diferentes recetas conducen a los mismos resultados.
¿Tuvo la naturaleza la capacidad de elegir sus leyes fundamentales? Albert Einstein, hasta donde sabemos, creía en cierto sentido que solo había una forma, basada en unos pocos principios básicos, de construir un universo elegante y funcional. Desde su punto de vista, si investigamos la esencia de la física a un nivel suficientemente profundo, llegamos a la conclusión de que solo hay una y única forma posible de interacción de todos los engranajes del mecanismo de relojería universal: materia, radiación, fuerzas, espacio y tiempo.
La teoría de cuerdas como "teoría del todo"
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El modelo estándar actual de física de partículas es un mecanismo inerte compuesto por un escaso conjunto de ingredientes. Pero, a pesar de la aparente singularidad, nuestro Universo es solo uno de los innumerables mundos posibles. No tenemos la menor idea de por qué esta configuración particular de partículas y las fuerzas que actúan sobre ellas es la base de nuestro orden mundial.
¿Por qué hay seis "sabores" de quarks, tres "generaciones" de neutrinos y una partícula de Higgs? Además, el modelo estándar incluye diecinueve constantes físicas fundamentales (como la masa y la carga de un electrón). Los valores de estos "parámetros libres", al parecer, no tienen ningún significado profundo. Por un lado, la física de partículas es un ejemplo de elegancia. Por otro lado, es solo una hermosa teoría.
Si nuestro mundo es solo uno de muchos, ¿qué vamos a hacer con los mundos alternativos? El punto de vista actual es absolutamente opuesto a la idea de Einstein de un universo único. Los físicos modernos cubren un enorme espacio de probabilidades e intentan comprender la lógica de sus interconexiones. De buscadores de oro, se han convertido en geógrafos y geólogos, mapeando el paisaje y estudiando en detalle las fuerzas que lo formaron.
Un hito en este proceso fue el nacimiento de la teoría de cuerdas. Actualmente es la única candidata al título de "teoría del todo". La buena noticia es que no existen parámetros libres en la teoría de cuerdas. No hay duda de qué teoría de cuerdas describe nuestro universo, porque es único. La ausencia de funciones adicionales tiene consecuencias radicales. Todos los números en la naturaleza deben ser determinados por la propia física. Estas no son "constantes de la naturaleza", sino simplemente variables obtenidas de ecuaciones (a veces, aunque increíblemente complejas).
Malas noticias, caballeros. El espacio de solución para la teoría de cuerdas es vasto y complejo. Esto es normal para la física. Tradicionalmente, las leyes fundamentales se distinguen, basadas en ecuaciones matemáticas y en soluciones de estas ecuaciones. Por lo general, existen varias leyes y un número infinito de soluciones. Tomemos las leyes de Newton. Son nítidos y elegantes, pero describen una gama increíblemente amplia de fenómenos, desde una manzana que cae hasta una órbita lunar. Conociendo el estado inicial del sistema, estas leyes pueden usarse para describir su estado en el momento siguiente. No esperamos ni exigimos una solución universal que lo describa todo.
Paisaje ecuménico
En la teoría de cuerdas, algunos de los elementos que comúnmente se consideran leyes son en realidad soluciones. Están determinadas por la forma y el tamaño de las dimensiones adicionales ocultas. El espacio de todas estas soluciones a menudo se denomina "paisaje", pero esto se dice demasiado a la ligera. Incluso los paisajes montañosos más impresionantes palidecen frente a la inmensidad de este espacio. Y aunque su geografía aún no se ha estudiado completamente, se puede decir con seguridad que sus continentes son enormes.
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Uno de los supuestos teóricos más sofisticados es que todo posiblemente esté interconectado. Si agitamos bien el universo, podríamos pasar de un mundo hipotético a otro, cambiando a lo que estamos acostumbrados considerando las inmutables leyes de la naturaleza, y consiguiendo una nueva combinación de partículas elementales que componen nuestra realidad.
Pero, ¿cómo exploramos el vasto paisaje de modelos físicos del universo, que fácilmente podría tener cientos de dimensiones? Piense en ello como un tramo de desierto en gran parte sin desarrollar, gran parte oculto bajo gruesas capas de complejidad irresistible. Los lugares habitables solo se pueden encontrar en las fronteras. Aquí la vida es sencilla y gratuita. Estos son los modelos básicos que entendemos perfectamente. No son muy importantes para describir el mundo real, pero sirven como un punto de partida conveniente para explorar las inmediaciones.
Un buen ejemplo es la electrodinámica cuántica (QED), una teoría que describe las interacciones entre la materia y la luz. Este modelo tiene un parámetro, llamado "constante de estructura fina", que expresa la fuerza de la interacción entre dos electrones. Numéricamente, está cerca de 1/137. En QED, se puede considerar que todos los procesos surgen de interacciones elementales. Por ejemplo, la repulsión de dos electrones se puede considerar como un intercambio de fotones. La electrodinámica cuántica propone considerar todas las formas posibles en las que dos electrones pueden intercambiar fotones.
En la práctica, esto significa que los físicos se enfrentan a la necesidad de calcular infinitas sumas de gran complejidad. Pero la teoría también ofrece una salida: cada intercambio adicional de fotones agrega una condición en la que la constante de estructura fina se eleva a la siguiente potencia. Dado que el número de estos intercambios es relativamente pequeño, las condiciones adicionales no tienen mucho impacto. Pueden descuidarse acercándolos al valor "real". Encontraremos estas teorías vagamente acopladas en los puestos avanzados del paisaje. Aquí las fuerzas son débiles y tiene sentido hablar de la lista de ingredientes (partículas elementales) y la receta para su interacción. Pero si dejamos nuestros lugares habitables y nos adentramos en zonas salvajes inexploradas, cada condición adicional será cada vez más importante. Ahora ya no distinguimos entre partículas individuales. Se disuelvenconvirtiéndose en una maraña de energía, como los ingredientes de un pastel en el horno.
Sin embargo, no todo está perdido. A veces se ve otro puesto de avanzada al final del camino. En otras palabras, otro modelo bien controlado, esta vez que consta de un conjunto de partículas y fuerzas completamente diferente. En tales casos, hay dos recetas alternativas para la misma física subyacente, como con las cenas de Alice y Bob. Estas descripciones conjugadas se denominan modelos duales y la conexión entre ellas se denomina dualidad. Estos opuestos pueden verse como una gran generalización del famoso dualismo onda-partícula descubierto por Heisenberg. En el caso de Alice y Bob, toma la forma de una conversión entre recetas chinas e italianas.
Todo esta interconectado
¿Por qué es todo tan emocionante desde el punto de vista de la física? En primer lugar, la suposición de que muchos (si no todos) modelos son partes constituyentes de un enorme espacio interconectado es uno de los descubrimientos más sorprendentes de la física cuántica moderna. Este es un cambio de perspectiva digno de ser llamado un "cambio de paradigma". En lugar de un archipiélago de islas dispersas, exploramos un vasto continente.
En cierto sentido, al estudiar un modelo con la suficiente profundidad, podremos comprenderlos todos. Podemos explorar la relación entre estos modelos centrándonos en el esquema general de su estructura. Es importante señalar que este fenómeno depende en gran medida de si la teoría de cuerdas es coherente con el mundo real. Esta propiedad es inherente a la física cuántica, que es inmutable independientemente de lo que resulte ser la "teoría del todo".
Más dramática es la conclusión de que todas las teorías tradicionales de la física fundamental deben ir al basurero de la historia. Partículas, campos, fuerzas, simetrías: todo esto no es más que artefactos de una vida libre en los puestos de avanzada de un paisaje interminable de complejidad impensable. Parece increíble, o al menos extremadamente limitado, ver la física en términos de los bloques de construcción elementales.
Quizás exista una estructura fundamentalmente nueva que une las leyes fundamentales de la naturaleza e ignora todos los conceptos a los que estamos acostumbrados. Las sutilezas matemáticas y la elegancia de la teoría de cuerdas son una motivación tentadora para aceptar este punto de vista. Pero seamos honestos. Muy pocas ideas modernas sobre lo que tomará el lugar de las partículas y los campos son "lo suficientemente locas para ser verdad", como dijo Niels Bohr.
