Los científicos buscan una única descripción de la realidad. Pero la física moderna permite muchas descripciones diferentes, muchas equivalentes entre sí, conectadas a través de un vasto paisaje de posibilidades matemáticas.
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Esta es exactamente la perplejidad que experimentan los físicos cuánticos. Han encontrado muchos ejemplos de dos descripciones completamente diferentes del mismo sistema físico. En el caso de la física, en lugar de carnes y salsas, los ingredientes son partículas y fuerzas; las recetas son fórmulas matemáticas que codifican las interacciones; y el proceso de cocción es el procedimiento de cuantización que convierte las ecuaciones en las probabilidades de los fenómenos físicos. Al igual que Alice y Bob, los físicos cuánticos se preguntan cómo recetas diferentes conducen a los mismos resultados.
¿Tuvo la naturaleza alguna opción a la hora de elegir sus leyes fundamentales? Albert Einstein tenía la famosa creencia de que, dados algunos principios generales, existe esencialmente una única manera de construir un universo coherente y funcional. En opinión de Einstein, si sondeáramos la esencia de la física con suficiente profundidad, habría una y sólo una forma en la que todos los componentes -materia, radiación, fuerzas, espacio y tiempo- encajarían para hacer funcionar la realidad, igual que los engranajes, muelles, diales y ruedas de un reloj mecánico se combinan de forma única para dar la hora.
El actual Modelo Estándar de la física de partículas es, en efecto, un mecanismo estrechamente construido con sólo un puñado de ingredientes. Sin embargo, en lugar de ser único, el universo parece formar parte de una infinidad de mundos posibles. No tenemos ni idea de por qué esta combinación concreta de partículas y fuerzas subyace a la estructura de la naturaleza. ¿Por qué hay seis «sabores» de quarks, tres «generaciones» de neutrinos y una partícula de Higgs? Además, el Modelo Estándar viene con 19 constantes de la naturaleza -números como la masa y la carga del electrón- que tienen que medirse en experimentos. Los valores de estos «parámetros libres» parecen carecer de un significado más profundo. Por un lado, la física de partículas es una maravilla de la elegancia; por otro, es una historia sin más.
Si nuestro mundo no es más que uno de tantos, ¿cómo abordar las alternativas? El punto de vista actual puede considerarse el polo opuesto al sueño de Einstein de un cosmos único. Los físicos modernos abrazan el vasto espacio de posibilidades e intentan comprender su lógica global y su interconexión. De buscadores de oro han pasado a ser geógrafos y geólogos, que cartografían detalladamente el paisaje y estudian las fuerzas que lo han modelado.
El punto de inflexión que ha propiciado este cambio de perspectiva ha sido la teoría de cuerdas. En este momento es el único candidato viable para una teoría de la naturaleza capaz de describir todas las partículas y fuerzas, incluida la gravedad, obedeciendo al mismo tiempo las estrictas reglas lógicas de la mecánica cuántica y la relatividad. La buena noticia es que la teoría de cuerdas no tiene parámetros libres. No tiene diales que se puedan girar. No tiene sentido preguntarse cuál es la teoría de cuerdas que describe nuestro universo, porque sólo hay una. La ausencia de características adicionales conduce a una consecuencia radical. Todos los números de la naturaleza deberían estar determinados por la propia física. No hay «constantes de la naturaleza», sino variables que se fijan mediante ecuaciones (quizá intrincadamente complicadas).
Lo que nos lleva a las malas noticias. El espacio de soluciones de la teoría de cuerdas es vasto y complejo. Esto no es inusual en física. Tradicionalmente distinguimos entre leyes fundamentales dadas por ecuaciones matemáticas, y las soluciones de estas ecuaciones. Normalmente, sólo hay unas pocas leyes, pero un número infinito de soluciones. Por ejemplo, las leyes de Newton. Son nítidas y elegantes, pero describen una gama increíblemente amplia de fenómenos, desde la caída de una manzana hasta la órbita de la Luna. Si se conocen las condiciones iniciales de un sistema concreto, la potencia de estas leyes permite resolver las ecuaciones y predecir lo que va a ocurrir a continuación. No esperamos, ni exigimos, una solución única a priori que lo describa todo.
En la teoría de cuerdas, ciertas características de la física que normalmente consideraríamos leyes de la naturaleza -como partículas y fuerzas específicas- son en realidad soluciones. Están determinadas por la forma y el tamaño de dimensiones adicionales ocultas. El espacio de todas estas soluciones suele denominarse «el paisaje», pero eso es quedarse muy corto. Incluso las vistas montañosas más sobrecogedoras palidecen en comparación con la inmensidad de este espacio. Aunque su geografía sólo se conoce marginalmente, sabemos que tiene continentes de enormes dimensiones. Una de las características más tentadoras es que posiblemente todo esté conectado, es decir, que cada dos modelos estén conectados por un camino ininterrumpido. Agitando el universo con suficiente fuerza, seríamos capaces de pasar de un mundo posible a otro, cambiando lo que consideramos las leyes inmutables de la naturaleza y la combinación especial de partículas elementales que conforman la realidad.
Pero, ¿cómo explorar el vasto paisaje de modelos físicos del universo que fácilmente podría tener cientos de dimensiones? Resulta útil visualizar el paisaje como una tierra salvaje en gran parte sin desarrollar, la mayor parte oculta bajo gruesas capas de complejidad inextricable. Sólo en los bordes encontramos lugares habitables. En estos puestos avanzados, la vida es sencilla y buena. Aquí encontramos los modelos básicos que comprendemos perfectamente. Tienen poco valor para describir el mundo real, pero sirven como prácticos puntos de partida para explorar el vecindario local.
Un buen ejemplo es la QED, la teoría de la electrodinámica cuántica que describe las interacciones entre la materia y la luz. Este modelo tiene un único parámetro, denominado constante de estructura fina α, que mide la intensidad de la fuerza entre dos electrones. Numéricamente, se aproxima a 1/137. En la QED, todos los procesos pueden verse como el resultado de interacciones elementales. Por ejemplo, la fuerza de repulsión entre dos electrones puede visualizarse como un intercambio de fotones. La QED nos pide que consideremos todas las formas posibles en que dos electrones pueden intercambiar un fotón, lo que en la práctica significaría que los físicos tendrían que resolver una suma infinita de gran complejidad. Pero la teoría también ofrece una salida: Cada intercambio adicional de fotones añade un término que incluye α elevado a una potencia adicional. Como se trata de un número relativamente pequeño, los términos con muchos intercambios sólo aportan una pequeña contribución. Pueden ignorarse en una aproximación al valor «real».
Encontramos estas teorías débilmente acopladas en los puestos avanzados del paisaje. Aquí la intensidad de las fuerzas es pequeña y tiene sentido hablar de la lista de compras de partículas elementales y de la receta que calcula sus interacciones. Pero si salimos del entorno inmediato y nos adentramos más en el terreno salvaje, los acoplamientos se hacen grandes y cada término adicional en la expansión se hace más importante. Ahora ya no podemos distinguir las partículas individuales. En su lugar, se disuelven en una enmarañada malla de energía como los ingredientes de un pastel en un horno caliente.
Sin embargo, no todo está perdido. A veces, el camino a través del oscuro territorio salvaje termina en otro puesto de avanzada. Es decir, en otro modelo bien controlado, esta vez formado por un conjunto completamente distinto de partículas y fuerzas. En tales casos, hay dos recetas alternativas para la misma física subyacente, como ocurre con los platos de Alicia y Bob. Estas descripciones complementarias se denominan modelos duales, y la relación entre ellos, una dualidad. Podemos considerar estas dualidades como una gran generalización de la famosa dualidad partícula-onda descubierta por Heisenberg. Para Alice y Bob, adopta la forma de una traducción entre recetas chinas e italianas.
¿Por qué es todo esto tan emocionante para la física? En primer lugar, la conclusión de que muchos modelos, si no todos, forman parte de un enorme espacio interconectado es uno de los resultados más asombrosos de la física cuántica moderna. Es un cambio de perspectiva digno del término «cambio de paradigma». Nos dice que, en lugar de explorar un archipiélago de islas individuales, hemos descubierto un continente masivo. En cierto sentido, estudiando un modelo con suficiente profundidad, podemos estudiarlos todos. Podemos explorar cómo se relacionan estos modelos, iluminando sus estructuras comunes. Es importante subrayar que este fenómeno es en gran medida independiente de la cuestión de si la teoría de cuerdas describe el mundo real o no. Es una propiedad intrínseca de la física cuántica que está aquí para quedarse, sea cual resulte ser la futura «teoría del todo».
Una conclusión más dramática es que hay que desechar todas las descripciones tradicionales de la física fundamental. Partículas, campos, fuerzas, simetrías... son sólo artefactos de una existencia simple en los puestos avanzados de este vasto paisaje de complejidad impenetrable. Pensar la física en términos de bloques de construcción elementales parece erróneo, o al menos de alcance limitado. Tal vez exista un nuevo marco radical que unifique las leyes fundamentales de la naturaleza y prescinda de todos los conceptos conocidos. Las complejidades y consistencias matemáticas de la teoría de cuerdas son una fuerte motivación para este dramático punto de vista. Pero hay que ser sinceros. Muy pocas ideas actuales sobre lo que sustituye a las partículas y los campos son «lo bastante locas como para ser ciertas», por citar a Niels Bohr. Como Alice y Bob, la física está lista para desechar las viejas recetas y abrazar una moderna cocina de fusión.
Robbert Dijkgraaf es director y catedrático Leon Levy del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey.
Posiblemente = probablemente, quizás, acaso, seguramente. No: afirmativamente, certeramente, definitivamente, indudablemente , todo está conectado.. .
Un momento, un momento... todo está conectado...excepto nosotros: nosotros, los humanos, el antropoide vestido , capricho del universo , anómala excentricidad, el Homo habilis del cuchillo de piedra hasta el cuchillo del Armagedón nuclear , éste está desconectado; y lo sabemos, Majestad; pero tenemos que asi continuar porque no hay Marcha Atrás en este Naufragio dónde nos metió nuestra evolución "artificial" que un día, en la noche, excavó un túnel para escapar y fuímos a dar a la Gran Trampa Actúal dónde la cuerda que tenemos desafinada en la guitarra del coherente, unificado y conjuntado Mysterium Tremendum de la Sinfónica Universal, MTSU, nos impide acoplarnos a todo lo demás, a todos los músicos admitidos en esta Sinfónica dónde, cada cúal con su instrumento particular, toca y participa acopladamente en la misma y arcana melodía del pentagrama de la «teoría del todo» que, de profundis y en el arcano que nunca llegaremos a descifrar, compone este Universo dónde, excepto nosotros, expulsados de la Naturaleza desde la Trangresión Ancestral, por cada problema que resolvemos nos surgen diez mil más a solucionar...