¿Se podrán probar estos conceptos mediante la Teoría del Todo?

Por Michio Kaku


El pasado Junio, los astrónomos brindaban con copas de champán en los laboratorios de todo el mundo, saboreando su último descubrimiento. El reparado Telescopio Espacial Hubble de 2 mil millones de dólares, una de las perlas de la comunidad científica, había capturado una de las piezas más esquivas: un agujero negro. Pero el descubrimiento del Santo Grial de la astrofísica podía también avivar un viejo debate dentro de la comunidad física. ¿Qué se extiende al otro lado de un agujero negro?. Si alguien, imprudentemente, cae en un agujero negro, ¿será destrozado por su inmensa gravedad, como creen la mayoría de científicos, o será lanzado a un Universo paralelo, o emergerá en otra era temporal?. Para resolver esta compleja cuestión, los físicos están desarrollando uno de las más estrambóticos y tentadores capítulos de la física moderna. Tienen que navegar por un campo de minas de teorías potencialmente explosivas, como la posibilidad de los “agujeros de gusano”, “agujeros blancos”, máquinas del tiempo, ¡e incluso la décima dimensión!. Esta controversia puede confirmarse por la irónica observación de J.B.S. Haldane sobre que el Universo “no solo es tan extraño como suponemos, sino que es mucho más extraño de lo que suponemos.” Esta deliciosa polémica, que encanta a los físicos teóricos pero que alucina a los simples mortales, es el tema de mi último libro, Hiperespacio.

Agujeros Negros: Estrellas Colapsadas

Un agujero negro, en pocas palabras, es una estrella muerta masiva cuya gravedad es tan intensa que incluso la luz es incapaz de escapar, de aquí su nombre. Por definición, no se pueden observar, de modo que los científicos de la NASA se centraron en el pequeño núcleo de la galaxia M87, un “motor cósmico” supermasivo a 50 millones de años luz de la Tierra. Los astrónomos entonces mostraron que el núcleo de consistía en un feroz remolino de gas de hidrógeno supercaliente girando a 1,9 millones de kilómetros por hora. Para mantener este disco de gas girando tan violentamente en todas direcciones, tendría que tener una colosal masa concentrada en el centro, ¡con un peso de 2 a 3 mil millones de soles!. Un objeto con tal asombrosa cantidad de masa sería lo bastante masivo como para impedir que la luz escapase. Luego, un agujero negro.

El Puente Einstein-Rosen

Pero esto también reaviva una actual controversia sobre los agujeros negros. La mejor descripción de un agujero negro giratorio se dio en 1963 por el matemático neozelandés Roy Kerr, usando las ecuaciones de la gravedad de Einstein. Pero existe una extraña propiedad en esta solución. Predice que si uno cae en el agujero negro, podría ser absorbido a través de un túnel (llamado “puente de Einstein-Rosen") y disparado a través de un “agujero blanco” ¡en un Universo paralelo!. Kerr mostró que un agujero negro giratorio colapsaría no en un punto, sino en un “anillo de fuego”. Debido a que el anillo giraría muy rápidamente, las fuerzas centrífugas lo mantendría a salvo del colapso. Extraordinariamente, una sonda espacial enviada directamente a través del anillo no sería aplastada, sino que emergería intacta en el otro lado del puente Einstein-Rosen, en un Universo paralelo. Este “agujero de gusano” conectaría dos Universos paralelos, o incluso zonas distantes del mismo Universo.

A través del Espejo

La forma más simple de visualizar un agujero de gusano de Kerr es pensar en el Espejo de Alicia. Cualquiera que camine a través del Espejo sería transportado instantáneamente al País de las Maravillas, un mundo donde los animales hablan con adivinanzas y el sentido común no es nada común.

El marco del Espejo corresponde al anillo de Kerr. Cualquiera que camine a través del anillo de Kerr se transportaría al otro extremo del Universo o incluso al pasado. Como dos hermanos siameses unidos por la cadera, ahora tenemos dos universos unidos a través del Espejo. Algunos físicos se han preguntado si los agujeros negros o los agujeros de gusano podrían ser usados algún día como atajos a otro sector del Universo, o incluso como una máquina del tiempo al pasado lejano (haciendo posibles las hazañas de capa y espada de Star Wars). Sin embargo, advertimos que somos escépticos. La crítica reconoce que se han encontrado cientos de soluciones de agujeros de gusano a las ecuaciones de Einstein, y por esto no pueden ser descartadas en el saco de las estupideces. Pero apuntan que los agujeros de gusano pueden ser inestables, o que su intensa radiación y fuerzas subatómicas que rodean la entrada del agujero de gusano matarían a cualquiera que se atreviese a entrar. Se han provocado enérgicos debates entre los físicos sobre el tema de los agujeros negros. Por desgracia, esta controversia no puede ser resuelta, debido a que las ecuaciones de Einstein se colapsan en el centro de los agujeros negros o agujeros de gusano, donde la radiación y las fuerzas subatómicas pueden ser lo bastante feroces como para colapsar la entrada. El problema es que la teoría de Einstein solo funciona para la gravedad, no para las fuerzas cuánticas que gobiernan la radiación y las partículas subatómicas. Lo que se necesita es una teoría que abarque tanto la Teoría Cuántica de la Radiación como la gravedad de forma simultánea. En una palabra, para resolver el problema de los agujeros negros cuánticos, ¡necesitamos una “Teoría del Todo”!.

¿Una Teoría del Todo?

Uno de los mayores descubrimientos de la ciencia en el siglo XX son que las Leyes de la Física, a nivel fundamental, pueden resumirse en dos formalismos: (1) La Teoría de la Gravedad de Einstein, que nos da una descripción cósmica de lo muy grande, es decir, galaxias, agujeros negros y el Big Bang, y (2) la Teoría Cuántica, que nos da una descripción microscópica de lo muy pequeño, es decir el microcosmos de las partículas subatómicas y la radiación. Pero la suprema ironía, y seguramente una de las bromas cósmicas de la Naturaleza, es que parecen ser desconcertantemente distintas; incluso los mejores físicos del mundo, incluyendo a Einstein y Heisenberg, fallaron al unificar estas dos teorías en una. Las dos teorías usan distintas matemáticas y diferentes principios físicos para describir el Universo en sus respectivos dominios, el cósmico y el microscópico. Por suerte, ahora tenemos un candidato para esta teoría. (De hecho, es el único candidato. Los resultados de las propuestas rivales han mostrado ser inconsistentes). Es la llamada “Teoría de Supercuerdas”, y casi sin esfuerzo une la gravedad con la teoría de la radiación, lo que se requiere para resolver el problema de los agujeros de gusano cuánticos. La Teoría de Supercuerdas puede explicar las misteriosas leyes cuánticas de la física subatómica postulando que las partículas subatómicas son en verdad sólo resonancias de la vibración de una minúscula cuerda. Las vibraciones de la cuerda de un violín corresponden a notas musicales; de la misma forma las vibraciones de una supercuerda corresponden a las partículas que encontramos en la naturaleza. El Universo entonces es una sinfonía de cuerdas vibrantes. Y una bonificación adicional es que, como una cuerda se mueve en el tiempo, curvan el tejido del espacio alrededor de ellas, produciendo agujeros negros, agujeros de gusano, y otras soluciones exóticas a las ecuaciones de Einstein. De esta forma, de un solo golpe, la Teoría de Supercuerdas une ambas, la Teoría de Einstein y la Física Cuántica en un dibujo coherente y convincente.

Un Universo de 10 Dimensiones

La curiosa característica de las supercuerdas, sin embargo, es que solo pueden vibrar en 10 dimensiones. Esto es, de hecho, una de las razones por las que puede unificar las fuerzas conocidas del Universo: en 10 dimensiones tenemos “más espacio” para acomodar la Teoría de la Gravedad de Einstein y la Física subatómica. En cierto sentido, los intentos previos de unificar las fuerzas de la naturaleza fallaron debido a que una teoría estándar en 4 dimensiones es “demasiado pequeña” para meter todas las fuerzas en el mismo marco de trabajo matemático. Para visualizar las dimensiones superiores, piensa en un Jardín de Té japonés, donde una carpa pasa su vida entera nadando bajo un pequeño estanque. Las carpas son sólo vagamente conscientes de lo que sucede en el mundo más allá de la superficie. Para un “científico” carpa, el Universo consta solo de dos dimensiones, longitud y anchura. No hay algo similar a la altura. De hecho, son incapaces de imaginar una tercera dimensión más allá del estanque. La palabra “arriba” no tiene significado para ellos. (Imagina su angustia su de pronto fuesen sacados de su Universo bidimensional al “hiperespacio”, es decir ¡nuestro mundo!). Sin embargo, si llueve, la superficie del estanque se llena de ondas. Aunque la tercera dimensión está más allá de su comprensión, pueden ver con claridad las ondas viajando sobre la superficie del estanque. Así mismo, aunque los humanos no podemos “ver” las dimensiones superiores, podemos ver sus ondas cuando vibran. De acuerdo a esta teoría, la “luz” no es más que una vibración ondulando a lo largo de la quinta dimensión. Añadiendo dimensiones superiores, podemos acomodar fácilmente más y más fuerzas, incluyendo las fuerzas nucleares. En dos palabras: cuantas más dimensiones tengamos, más fuerzas podremos acomodar. Una crítica persistente a esta teoría, sin embargo, es que no vemos estas dimensiones superiores en el laboratorio. A día de hoy, cada evento del Universo, desde la más diminuta descomposición subatómica a las explosivas galaxias, puede ser descrito mediante 4 números (altura, anchura, profundidad, y tiempo), no 10 números. Para responder a estas críticas, muchos científicos creen (pero no pueden probar aún) que el Universo en el instante del Big Bang era de hecho completamente de dimensión 10. Solo tras el instante de la creación 6 de las 10 dimensiones se “enroscaron” en una pelota demasiado minúscula para observarla. En un sentido real, esta teoría es en verdad una Teoría de la Creación, cuando toda la potencia de un espacio-tiempo de 10 dimensiones se manifestó.

Física del Siglo 21

No es sorprendente que las matemáticas de las cuerdas de 10 dimensiones sean sobrecogedoramente maravillosas a la par que brutalmente complejas, y haya enviado ondas de choque a través de toda la comunidad matemática. Todas las nuevas áreas de las matemáticas han sido abiertas por esta teoría. Por desgracia, actualmente nadie es lo bastante inteligente como para resolver el problema de un agujero negro cuántico. Como dijo Edward Witten del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton has, “La Teoría de Cuerdas es física del siglo 21 que accidentalmente cayó en el siglo 20”. Sin embargo, las matemáticas del siglo 21 necesarias para resolver los agujeros negros cuánticos ¡no se han descubierto aún!. Aún así, las apuestas son tan altas que los equipos de iniciativas físicas no han parado de intentar resolver la Teoría de Supercuerdas. Casi 5 000 artículos se han escrito sobre este tema. Como dijo el premio Nobel Steve Weinberg, “¿Cómo podría esperar nadie que muchos de los más brillantes jóvenes teóricos no trabajarían en ello?”. Los progresos son lentos pero seguros. El año pasado, se anunció un gran avance. Varios grupos de físicos anunciaron de forma independiente que la Teoría de Cuerdas puede resolver completamente en problema de un agujero negro cuántico. (Sin embargo, los cálculos eran tan diabólicamente complejos que sólo podían desarrollarse en 2, no en 10 dimensiones). De modo que aquí es dónde estamos ahora. Muchos físicos sienten que es solo una cuestión de tiempo el que alguna iniciativa física rompa por completo este delicado problema. Las ecuaciones, aunque difíciles, están bien definidas. Por lo que hasta entonces, ¡es aún algo prematuro comprar billetes para el agujero negro más cercano para visitar la galaxia vecina o cazar dinosaurios!

Autor: Dr. Michio Kaku
Traductor: Manuel Hermán
Site: mkaku.org

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