El largo camino de la física teórica en el siglo XX

La ciencia viene buscando, desde hace más de setenta años, una respuesta final, o al menos una aproximación, a un problema que representó el mayor dolor de cabeza a Albert Einstein y otros científicos de la época: cómo unir la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad en una teoría única que agrupase a ambas, resolviendo sus incompatibilidades.

Es imposible imaginar el siglo XX y su revolución tecnológica e industrial sin dos teorías que nacieron casi a la vez, y que supusieron el final de la física clásica y el comienzo de la nueva física de partículas: la famosa teoría de la relatividad de Albert Einstein, y la mecánica cuántica, que tiene en su haber varios padres, entre ellos Böhr, Heisenberg, y el propio Einstein. Es curioso que fuese el propio Einstein el que, como uno de los impulsores de dicha teoría, trabajase durante gran parte de su vida en un vano intento de obtener una nueva teoría que la superase.

Niels Bohr y Albert Einstein, actores del famoso "Dios no juega a los dados"
Niels Bohr y Albert Einstein, actores del famoso “Dios no juega a los dados”

Dios no juega a los dados

Si algo había que Einstein no pudo soportar nunca de la mecánica cuántica, fue esa necesidad de introducir la probabilidad y la incertidumbre en el mundo físico. En 1927, un joven físico alemán, Werner Heisenberg, conmocionó al mundo de la física clásica con una idea que sería como un terremoto: la impredecibilidad de los fenómenos cuánticos, aquellos en los que intervienen las partículas subatómicas que forman la materia y la energía.

Según Heisenberg, el mundo subatómico no sigue las leyes de la física newtonianas o relativistas, ni sus fenómenos pueden ser derivados sino de ecuaciones que contengan un elemento de probabilidad. Un ejemplo: el neutrón en estado libre se desintegra. ¿En qué momento? Depende. ¿De qué? No está determinado. Podemos deducir que la vida media será de unos 11-12 minutos, a veces más, a veces menos. Pero nadie puede decir de forma absoluta cuándo lo hará.

Para Einstein, algo así no pasaba por ser un fallo de la mecánica cuántica y de las leyes que Böhr, Heisenberg, y otros habían desarrollado. “Dios no juega a los dados” era su frase predilecta, dejando claro que el universo no puede ser un juego de probabilidades. ¿Qué sentido tiene la ciencia si tiene que tratar con un universo caprichoso e imposible de determinar? Si se lanza una bola, sigue unas leyes determinadas. La mecánica cuántica debe fallar, o ser incompleta.

El determinismo y la búsqueda de la GTU (Gran Teoría Unificada)

Einstein luchó contra esta idea de indeterminación. Propuso interesantes experimentos, el más conocido como la paradoja Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), que llevó de cabeza a los físicos postulantes de la mecánica cuántica, y que, al final, sirvió en todo caso para reforzar esta teoría, justo el efecto contrario que buscaba Einstein.

El problema básico con el que se enfrentó Einstein tuvo mucho que ver con su mentalidad determinista. Como heredero de la física del siglo XIX, todo puede ser calculado y verificado, y por lo tanto, dado un sistema, se puede predecir su evolución mediante las leyes de la física. El proyectil lanzado, la piedra que cae, o cualquier otro fenómeno pueden, según esta idea, ser analizados con todo detalle. La mecánica cuántica, sin embargo, mostraba un nuevo mundo, el de las partículas, donde esas ideas, y el concepto general del determinismo, caían y se desmoronaban como un edificio de barro ante el terremoto de la mecánica cuántica.

La física de la segunda mitad del siglo XX trabajó de forma casi desesperada por encontrar una teoría nueva que fuese más allá de los viejos deterministas del siglo XIX, y de la constatación de que la relatividad, una teoría clásica, y la mecánica cuántica, una teoría probabilística, pudieran converger en una nueva teoría, conocida como GTU, o Gran Teoría Unificada. Dicha teoría resolvería los problemas encontrados en ambas teorías, mediante un modelo físico-matemático que explicase ambas, especialmente en sus límites, aquellos puntos donde sus bases dejaban de tener sentido. A pesar de ello, la GTU se resistió una y otra vez.

La teoría de cuerdas, una invitada inesperada

En los años ochenta del pasado siglo XX, aparece una teoría que explica ciertos aspectos concretos de la mecánica cuántica, y que recibe el nombre de teoría de cuerdas. El principio básico consiste en la hipótesis de que todas las formas de partículas observadas en la naturaleza, son en realidad distintas formas de unas cuerdas extremadamente pequeñas (del tamaño de la longitud de Plank), de forma bidimensional, y con una importante propiedad: dichas cuerdas son capaces de vibrar, en cierto modo de la misma forma que vibran las cuerdas de un violín. Y, en función de la frecuencia de vibración de estas cuerdas, éstas se expresan en forma de las distintas partículas que se pueden observar, sean electrones, neutrinos, quarks, o fotones. Del mismo modo que la distinta vibración de un violín provoca distintos sonidos, las vibraciones de las cuerdas provocan la aparición de distintas partículas.

El futuro es un largo camino

Sin duda el futuro de la física teórica le deberá mucho a la teoría de cuerdas. Pero aún queda un largo camino por recorrer para verificar hasta dónde es capaz de llegar para demostrar su validez. Las consecuencias que se obtienen de dicha teoría son tan revolucionarias, que algunos se preguntan si realmente es una base sobre la que trabajar, o un complejo modelo matemático que sólo muestra el deseo de la ciencia por salir del atolladero de la física teórica del siglo XX. El tiempo lo dirá, pero sin duda será apasionante seguir esta teoría y ver a dónde nos lleva, porque algunas posibilidades que presenta son, sin duda, asombrosas.

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