En 1925, Einstein salió a caminar con una joven estudiante llamada Esther Salaman. Mientras deambulaban, compartió su principio intelectual rector central: "Quiero saber cómo Dios creó este mundo. No estoy interesado en este o aquel fenómeno, en el espectro de este o aquel elemento. Quiero conocer Sus pensamientos; el resto son solo detalles ".
La frase "los pensamientos de Dios" es una metáfora deliciosamente adecuada para el objetivo final de la física moderna, que es desarrollar una comprensión perfecta de las leyes de la naturaleza, lo que los físicos llaman "una teoría de todo" o TOE. Idealmente, un TOE respondería todas las preguntas, sin dejar nada sin respuesta. ¿Porque el cielo es azul? Cubierto. ¿Por qué existe la gravedad? Eso también está cubierto. Dicho de una manera más científica, un TOE idealmente explicaría todos los fenómenos con una sola teoría, un solo bloque de construcción y una sola fuerza. En mi opinión, encontrar un TOE podría llevar cientos o incluso miles de años. Para entender por qué, hagamos un balance.
Conocemos dos teorías que, cuando se toman juntas, dan una buena descripción del mundo que nos rodea, pero ambas están a años luz de ser un TOE.
La segunda teoría se llama Modelo Estándar, que describe el mundo subatómico. Es en este dominio que los científicos han hecho el progreso más obvio hacia una teoría de todo.
Si observamos el mundo que nos rodea, el mundo de las estrellas y las galaxias, los caniches y la pizza, podemos preguntarnos por qué las cosas tienen las propiedades que tienen. Sabemos que todo está formado por átomos, y esos átomos están formados por protones, neutrones y electrones.
Y, en la década de 1960, los investigadores descubrieron que los protones y los neutrones estaban formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks y que el electrón era un miembro de la clase de partículas llamadas leptones.
Encontrar los bloques de construcción más pequeños es solo el primer paso para diseñar una teoría de todo. El siguiente paso es comprender las fuerzas que rigen cómo interactúan los bloques de construcción. Los científicos conocen cuatro fuerzas fundamentales, tres de las cuales, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles, se entienden a nivel subatómico. El electromagnetismo mantiene unidos a los átomos y es responsable de la química. La fuerza fuerte mantiene unido el núcleo de los átomos y mantiene los quarks dentro de los protones y los neutrones. La fuerza débil es responsable de algunos tipos de desintegración nuclear.
Cada una de las fuerzas subatómicas conocidas tiene una partícula o partículas asociadas que llevan esa fuerza: el gluón lleva la fuerza fuerte, el fotón gobierna el electromagnetismo y los bosones W y Z controlan la fuerza débil. También hay un campo de energía fantasmal, llamado campo de Higgs, que impregna el universo y da masa a los quarks, leptones y algunas de las partículas que transportan la fuerza. Tomados en conjunto, estos componentes y fuerzas constituyen el Modelo Estándar.
Usando quarks y leptones y las partículas conocidas que transportan la fuerza, uno puede construir átomos, moléculas, personas, planetas y, de hecho, toda la materia conocida del universo. Este es, sin duda, un logro tremendo y una buena aproximación de una teoría de todo.
Y sin embargo, realmente no lo es. El objetivo es encontrar un solo bloque de construcción y una sola fuerza que pueda explicar la materia y el movimiento del universo. El modelo estándar tiene 12 partículas (seis quarks y seis leptones) y cuatro fuerzas (electromagnetismo, gravedad y las fuerzas nucleares fuertes y débiles). Además, no existe una teoría cuántica de la gravedad conocida (lo que significa que nuestra definición actual cubre solo la gravedad que involucra cosas más grandes que, por ejemplo, el polvo común), por lo que la gravedad ni siquiera es parte del Modelo Estándar. Entonces, los físicos continúan buscando una teoría aún más fundamental y subyacente. Para hacer eso, necesitan reducir el número de bloques de construcción y fuerzas.
Encontrar un bloque de construcción más pequeño será difícil, porque eso requiere un acelerador de partículas más poderoso que los humanos han construido. El horizonte de tiempo para que una nueva instalación de acelerador entre en funcionamiento es de varias décadas y esa instalación proporcionará solo una mejora incremental relativamente modesta sobre las capacidades existentes. Por lo tanto, los científicos deben especular sobre cómo podría ser un bloque de construcción más pequeño. Una idea popular se llama teoría de supercuerdas, que postula que el bloque de construcción más pequeño no es una partícula, sino más bien una "cuerda" pequeña y vibrante. De la misma manera que una cuerda de violonchelo puede tocar más de una nota, los diferentes patrones de vibraciones son los diferentes quarks y leptones. De esta manera, un solo tipo de cadena podría ser el último bloque de construcción.
El problema es que no hay evidencia empírica de que las supercuerdas realmente existan. Además, la energía esperada requerida para verlos se llama energía de Planck, que es un billón (10 elevado a la 15ª potencia) veces más alta de lo que podemos generar actualmente. La gran energía de Planck está íntimamente conectada con lo que se conoce como la longitud de Planck, una longitud insondablemente pequeña más allá de la cual los efectos cuánticos se vuelven tan grandes que es literalmente imposible medir algo más pequeño. Mientras tanto, vaya más pequeño que la longitud de Planck (o más grande que la energía de Planck), y los efectos cuánticos de la gravedad entre fotones, o partículas de luz, se vuelven importantes y la relatividad ya no funciona. Eso hace que sea probable que esta sea la escala a la que se entenderá la gravedad cuántica. Esto es, por supuesto, todo muy especulativo, pero refleja nuestra mejor predicción actual. Y, si es cierto, las supercuerdas tendrán que seguir siendo especulativas en el futuro previsible.
La gran cantidad de fuerzas también es un problema. Los científicos esperan "unificar" las fuerzas, demostrando que son simplemente manifestaciones diferentes de una sola fuerza. (Sir Isaac Newton hizo exactamente eso cuando mostró la fuerza que hizo que las cosas cayeran sobre la Tierra y la fuerza que gobernaba el movimiento de los cielos era la misma; James Clerk Maxwell demostró que la electricidad y el magnetismo eran comportamientos realmente diferentes de una fuerza unificada llamado electromagnetismo).
En la década de 1960, los científicos pudieron demostrar que la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo eran en realidad dos facetas diferentes de una fuerza combinada llamada fuerza de electrodébil. Ahora, los investigadores esperan que la fuerza electrodébil y la fuerza fuerte puedan unificarse en lo que se llama una gran fuerza unificada. Luego, esperan que la gran fuerza unificada se pueda unir con la gravedad para hacer una teoría de todo.
Sin embargo, los físicos sospechan que esta unificación final también tendría lugar en la energía de Planck, nuevamente porque esta es la energía y el tamaño en el que los efectos cuánticos ya no se pueden ignorar en la teoría de la relatividad. Y, como hemos visto, esta es una energía mucho más alta de lo que podemos esperar lograr dentro de un acelerador de partículas en el corto plazo. Para dar una idea del abismo entre las teorías actuales y una teoría de todo, si representamos las energías de las partículas, lata detectar como el ancho de una membrana celular, la energía de Planck es del tamaño de la Tierra. Si bien es concebible que alguien con un conocimiento profundo de las membranas celulares pueda predecir otras estructuras dentro de una célula, como el ADN y las mitocondrias, es inconcebible que puedan predecir con precisión la Tierra. ¿Qué tan probable es que puedan predecir volcanes, océanos o el campo magnético de la Tierra?
El hecho simple es que con una brecha tan grande entre la energía actualmente alcanzable en los aceleradores de partículas y la energía de Planck, idear correctamente una teoría de todo parece improbable.
Eso no significa que todos los físicos deberían retirarse y comenzar a pintar paisajes; todavía queda mucho trabajo por hacer. Todavía necesitamos comprender fenómenos inexplicables como la materia oscura y la energía oscura, que constituyen el 95% del universo conocido, y usar esa comprensión para crear una teoría de la física más nueva y más completa. Esta nueva teoría no será un TOE, pero será incrementalmente mejor que el marco teórico actual. Tendremos que repetir ese proceso una y otra vez.
¿Decepcionado? Yo también. Después de todo, he dedicado mi vida a tratar de descubrir algunos de los secretos del cosmos, pero quizás sea necesaria alguna perspectiva. La primera unificación de fuerzas se logró en la década de 1670 con la teoría de la gravedad universal de Newton. El segundo fue en la década de 1870 con la teoría del electromagnetismo de Maxwell. La unificación electrodébil fue relativamente reciente, hace solo medio siglo.
Dado que han transcurrido 350 años desde nuestro primer gran paso exitoso en este viaje, quizás sea menos sorprendente que el camino que tenemos por delante sea aún más largo. La noción de que un genio tendrá una idea que da como resultado una teoría completamente desarrollada de todo en los próximos años es un mito. Nos espera un largo trabajo, e incluso los nietos de los científicos de hoy no verán el final.
Pero qué viaje será.
Don Lincoln es investigador de física en Fermilab. Es el autor de "El gran colisionador de hadrones: la historia extraordinaria del bosón de Higgs y otras cosas que te dejarán boquiabierto"(Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de educación científica videos. SIGUELO en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son suyas.
Don Lincoln contribuyó este artículo a Live Science's Voces expertas: opinión y opinión. Publicado originalmente en Live Science.
