El Hiperespacio y la Teoría del Todo

¿Qué se extiende más allá de nuestras 4 dimensiones?

Michio Kaku

Cuando era niño solía visitar en Jardín de Té Japonés en San Francisco. Pasaba horas fascinado por la carpa que vivía en un estanque poco profundo solo unas pulgadas bajo las azucenas, justo bajo mis dedos, completamente ajena al Universo que había sobre ella.

Me hacía a mí mismo una pregunta que solo un niño podría hacer: ¿Cómo sería ser una carpa? ¡Qué mundo tan extraño sería! Me imaginaba que el estanque sería como el Universo, un espacio de dos dimensiones. La carpa sólo podría nadar hacia adelante y hacia atrás, y a izquierda y derecha. Pero imaginaba que el concepto de “arriba”, más allá de las azucenas, sería totalmente extraño a ella. Cualquier científico carpa que se atreviese a hablar de “hiperespacio”, es decir, la tercera dimensión sobre el estanque, sería inmediatamente etiquetado como un chiflado. Me pregunto qué pasaría si pudiésemos bajar y capturar un científico carpa y subirlo al hiperespacio. ¡Pensaba en la maravillosa historia que contaría a los demás! La carpa balbucearía sobre unas nuevas e increíbles leyes de la Física: seres que podían moverse sin aletas. Seres que podían respirar sin agallas. Seres que podían emitir sonidos sin burbujas. Entonces me pregunté: ¿Cómo podría un científico carpa conocer nuestra existencia? Un día que llovía, pude ver las gotas de lluvia formar suaves ondas en la superficie del estanque.

Comprendí

La carpa podría ver las sombras de las ondas en la superficie del estanque. La tercera dimensión podría ser invisible para ellos, pero las vibraciones de la tercera dimensión podrían ser claramente visibles. Incluso la carpa podría sentir estas ondas e inventar un simple concepto, para describirlas, llamado “fuerza”. Podría incluso darle a estas “fuerzas” bonitos nombres como luz y gravedad. Nos reiríamos de ellos, porque, por supuesto, sabemos que no hay “fuerzas” después de todo, solo las ondas en el agua.

Hoy día, muchos científicos creen que nosotros somos la carpa que nada en nuestro diminuto estanque, completamente feliz, inconsciente de los invisibles y desconocidos Universos que planean justo sobre nosotros en el hiperespacio. Pasamos nuestra vida en tres dimensiones espaciales, confiados en que lo que vemos con nuestros telescopios es todo lo que existe, ignorantes de la posibilidad de un hiperespacio de 10 dimensiones. Aunque estas dimensiones superiores son invisibles, sus “ondas” se pueden ver y sentir con toda claridad. Llamamos a estas ondas luz y gravedad. La teoría del hiperespacio, sin embargo, languideció durante décadas por la escasez de pruebas físicas o aplicaciones. Pero la teoría, una vez considerada el área de los excéntricos y místicos, está siendo revitalizada por una simple razón: puede ser la llave para la mayor teoría de todos los tiempos, la “Teoría del Todo”.

Einstein pasó sus últimos 30 años en una inútil persecución de esta teoría, el Santo Grial de la Física. Quería una teoría que pudiese explicar las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan el Universo: gravedad, electromagnetismo, y las dos fuerzas nucleares (débil y fuerte). Supuso que sería el mayor descubrimiento de la ciencia en los últimos 2 000 años, desde que los griegos se preguntaron cómo se hizo el mundo. Estaba buscando una ecuación, tal vez de no más de una pulgada de largo que pudiese colocar en una camiseta, pero era demasiado grandioso poder explicar todo, desde el Big Bang y las explosiones estelares a átomos y moléculas, o las flores del campo.

Quería leer la mente de Dios. Finalmente, Einstein falló en su misión. De hecho, fue rechazado por muchos de sus compatriotas más jóvenes, que se mofarían de él con la frase, “Lo que Dios ha separado, ningún hombre puede unirlo”. Pero tal vez Einstein se esté tomando ahora su venganza. Durante la última década, ha habido una furiosa búsqueda para la unión de estas cuatro fuerzas fundamentales en una única teoría, especialmente una que mezcle la Relatividad General (que explica la gravedad) con la Teoría Cuántica (que explica las dos fuerzas nucleares y el electromagnetismo).

El problema es que la relatividad y la teoría cuántica son totalmente opuestas. La Relatividad General es una teoría de lo muy grande: galaxias, quasar, agujeros negros, e incluso el Big Bang. Se basa en curvar el maravilloso tejido de cuatro dimensiones del espacio y del tiempo. La Teoría Cuántica, por el contrario, es una teoría de lo muy pequeño, es decir, el mundo de las partículas subatómicas. Se basa en diminutos paquetes de energía discretos llamados cuantos. En los últimos 50 años, se han realizado muchos intentos de unir estos polos opuestos, y han fallado. El camino hacia una Teoría de Campo Unificado, la Teoría del Todo, está cubierto con los cadáveres de los intentos fallidos. La clave de este puzzle puede ser el hiperespacio. En 1915, cuando Einstein dijo que el espacio-tiempo tenía cuatro dimensiones y se curvaba y ondulaba, mostró que estas curvaturas producían una “fuerza” llamada gravedad. En 1921, Theodr Kaluza escribió que las ondas de la quinta dimensión podrían ser vistas en forma de luz. Al igual que el pez que mira las ondas del hiperespacio moviéndose en su mundo, muchos físicos creen que la luz se crea por ondas en un espacio-tiempo de cinco dimensiones.

Qué؟ pasa con las dimensiones superiores a la 5?

En principio, si añadimos más y más dimensiones, podemos ondularlas y doblarlas de distintas formas, y de este modo crear más fuerzas. En 10 dimensiones, de hecho, ¡podemos acomodar las cuatro fuerzas fundamentales!. En realidad, esto no es tan simple. Debido a la falta de experiencia en 10 dimensiones, también introdujimos una legión de inconsistencias matemáticas esotéricas (por ejemplo infinitos y anomalías) que han acabado con todas las teorías previas. La única teoría que ha sobrevivido a cada reto impuesto es la llamada Teoría de Supercuerdas, en la cual este Universo de 10 dimensiones está habitado por minúsculas cuerdas.

De hecho, en una pasada, esta teoría de cuerdas de 10 dimensiones nos da una simple y convincente unificación de todas las fuerzas. Como la cuerda de un violín, estas diminutas cuerdas pueden vibrar y crear resonancias o “notas”. Esto explica por qué hay tal cantidad de partículas subatómicas: son solo notas de una supercuerda. (Esto parece simple, pero en los años 50, los físicos estaban abrumados por la avalancha de partículas subatómicas. J.R. Oppenheimer, quien ayudó a construir la bomba atómica, incluso

llegó a decir, totalmente frustrado, que el Premio Nobel debería ir a un físico que ¡NO descubriese una partícula cada año!). De la misma forma, cuando la cuerda se mueve en el espacio y el tiempo, curva el espacio a su alrededor tal como predijo Einstein. De esta manera, en un marco extraordinariamente simple, podemos unificar la gravedad (como curvatura del espacio causado por el movimiento de cuerdas) con las otras fuerzas cuánticas (ahora vistas como vibraciones de cuerdas).

Por supuesto, cualquier teoría con esta potencia y majestuosidad tendría un problema. Esta teoría, debido a que es una Teoría del Todo, es en verdad una Teoría de la Creación. Por lo tanto, para probar por completo la teoría, ¡debemos recrear la Creación!. En principio, esto parece ser desesperadamente imposible. Apenas podemos abandonar la débil gravedad de la Tierra, ni mucho menos crear Universos en un laboratorio. Pero hay una salida a este aparentemente intratable problema. Una teoría del todo es también una teoría del día a día. Por lo tanto, esta teoría, cuando sea enteramente completada, será capaz de explicar la existencia de protones, átomos, moléculas e incluso el ADN. Así pues, la clave está en resolver completamente la teoría y comprobarla con las propiedades conocidas del Universo. En la actualidad, nadie en la Tierra es lo bastante inteligente como para completar la teoría. La teoría está perfectamente bien definida, pero por lo que se ve, la Teoría de Supercuerdas es física del siglo XXI que cayó accidentalmente en el siglo XX. Se descubrió por accidente, cuando dos jóvenes físicos ojeaban un libro de Matemáticas. La teoría era tan elegante y potente que no estábamos destinados a verla en el siglo XX. El problema es que las Matemáticas del siglo XXI aún no se han inventado. Pero debido a que los físicos están genéticamente dispuestos al optimismo, confío en que resolveremos la teoría en un día no muy lejano. Quizá algún joven que lea este artículo será inspirado por esta historia de tal modo que el o ella concluyan la teoría. ¡No puedo esperar!

La Hermandad de la Cuerda

100 años después de que Einstein cambiara la física para siempre, Alok Jha, cronista de The Guardian, visita un frondoso rincón de Princeton para conocer a sus herederos intelectuales, los que todavía están a la caza de una “teoría del todo”.

Edward Witten habla con tal suavidad que a veces su voz amenaza con desvanecerse completamente. Su escritorio es un revoltijo de papeles y su pizarrón un embrollo de ecuaciones. Pero las palabras que musita van directamente al punto e infunden entendimiento y pasión.

Las tranquilas maneras de Witten no demuestran su status. En su papel de científico en jefe de facto de la teoría de las cuerdas, este Profesor Charles Simonyi de física matemática del Instituto de Estudios Avanzados (IAS = Institute of Advanced Study) de Princeton, es indudablemente el heredero del título de Albert Einstein como el más grande de los físicos vivos. Si Einstein viviera hoy, sería probablemente un teórico de cuerdas, comprometido con una notable pero todavía muy controvertida teoría que reclama ser capaz de explicar absolutamente todo lo que nos rodea.

“Los críticos de la teoría de las cuerdas dicen que podría ser un paso demasiado grande. La mayoría de los físicos de otros campos es simplemente agnóstica, y hace bien”, dice Witten. “No es una teoría establecida. Mi opinión personal es que existen razones circunstanciales que permiten sospechar que estamos en el camino correcto”.

Por el valor que puedan tener las opiniones personales, Witten hace que otros científicos se detengan y escuchen. Sus ideas en el desarrollo de la teoría de las cuerdas son legendarias.

“No hay dudas sobre la extraordinaria calidad de los logros intelectuales de Witten”, dice el renombrado físico Roger Penrose en su último libro, “El Camino Hacia la Realidad”. “Hacia donde vaya Witten, no pasa mucho tiempo para que el resto lo siga”.

El propio Witten no aprueba este culto a la celebridad, y mantiene un perfil público relativamente bajo. Fuera del arcano mundo de la física teórica, son pocos los que han oído de él. Pero ha sido clave en el desarrollo de una teoría que algún día puede ser la forma en que los libros de texto describan al universo. Lo que selló su reclamo a la corona de la física teórica fue una exposición en la Universidad de California del Sur en 1995, donde presentó al mundo la teoría-M.

Llegó en un momento en que la teoría de las cuerdas estaba muy alicaída Propuesta inicialmente como una forma de describir la interacción nuclear fuerte en la década de 1960, pero luego abandonada, la teoría de las cuerdas había sido desarrollada por varios físicos en cinco ideas competidoras, cada una de las cuales declaraba ser la teoría fundamental de la naturaleza.

Con los consiguientes argumentos y críticas provenientes de fuera de que la teoría sencillamente no era parte de la ciencia, la comunidad de la cuerda quedó quebrada y desmoralizada por décadas.

La exposición de Witten llegó como una muy necesitada inyección en el brazo. Arguyó que las cinco teorías contendientes no eran nada más que aspectos diferentes de una idea única, aún más fundamental. Su Teoría-M unió inmediatamente a los físicos y llevó a un interés hacia la teoría de las cuerdas que nunca antes había existido. Incidentalmente, Witten dejó sin definición a la "M", y los teóricos de las cuerdas han pasado muchas horas libres especulando sobre qué quiere decir: han concluido con una gran variedad de posibilidades que incluyen a matriz, misterio, membrana, monstruosa, madre o magia... incluso algunos científicos creen que es la W de Witten puesta cabeza abajo.

Nathan Seiber, un colega de Witten en el IAS, utiliza la analogía de los hombres ciegos que examinan a un elefante, para explicar el curso de la teoría de las cuerdas hasta 1995. “Uno lo describe tocando una pata, otro lo hace tocando el tronco, y otro describe las orejas”, dice. “Concluyen con descripciones diferentes, pero son incapaces de ver la imagen total. Hay un elefante único y ellos están describiendo diferentes partes del mismo”.

Como era predecible, Witten es modesto sobre su logro. “Es una exageración decir que yo creé la Teoría-M”, dice. “Logramos pequeños trozos, pero hay una larga historia detrás de ella”. Dondequiera que corresponda el crédito, no hay duda de que la Teoría-M llevó el ya extraño mundo de la teoría de cuerdas hasta un territorio aún más desconcertante.

Antes de la Teoría-M, las cuerdas existían en un mundo de 10 dimensiones. Estas incluían una dimensión de tiempo, las tres dimensiones espaciales familiares, y además

otras seis dimensiones extra, enrolladas tan compactamente que son invisibles. La Teoría-M demandaba una dimensión espacial extra, llevando el total a 11.

Estas dimensiones extra eran necesarias para satisfacer las ecuaciones diseñadas por Witten en su formulación de la Teoría-M. Pero hubo sorpresas: la teoría sugería, por ejemplo, que este mundo de 11 dimensiones no contenía solamente cuerdas sino también objetos que se parecían más a superficies o membranas. Estas “branas” podían existir en tres o más dimensiones y, con la energía suficiente, podían crecer hasta alcanzar tamaños enormes, quizás tan grandes como el mismo universo.

Lo que resultó más peculiar fue que Witten sugirió que nuestro universo podía estar ubicado sobre una brana en algún espacio dimensional superior. Brian Greene, un teórico de cuerdas de la Universidad de Columbia, describe su idea como algo similar a sentarse en una rebanada de pan contenida en una hogaza. “Esa es nuestra candidata para la súper-unificación de las leyes de la naturaleza”, dice Witten. “No la comprendemos, no podemos jurar que sea correcta, todavía estamos andando a tientas en la oscuridad. Es muy emocionante comprender que aquí tenemos esta teoría fascinante que posee todas estas propiedades increíbles. Cuando suceden cosas agradables como ésta, hace que uno se convenza de que está en el camino correcto”.

Witten puede darse el lujo de tener incluso sus ideas más esotéricas, una libertad consagrada, en parte, por el IAS, un instituto de investigación casi único basado en lo que parece ser un tranquilo hogar campestre frente a un bosque de 800 acres en Princeton. Armado en 1930 como un lugar para que los investigadores realizaran su trabajo sin la distracción de la enseñanza o de la burocracia de la universidad, es probablemente muy famoso por haber sido el lugar donde Einstein pasó sus últimos años.

Luego de pasar la primera parte del siglo XX presentando la relatividad general y sembrando las semillas para la física cuántica, Einstein se convenció de que había una teoría fundamental única que debía describir la naturaleza. Muchos de sus colegas de todo el mundo sintieron que él estaba perdiendo su tiempo pero la investigación inteligente, aún cuando no produzca ningún resultado útil, es parte de los principios fundadores del instituto.

Einstein murió en 1955 sin haber cumplido su sueño, pero la pregunta que estuvo haciendo fue la inspiración de lo que ahora ha llegado a ser la teoría de las cuerdas.

“Ahora comprendemos que en los tiempos de Einstein era realmente prematuro embarcarse en un proyecto de tan largo plazo, en parte por las cosas que sucedieron

en las décadas siguientes”, dice Seiberg. “Una gran cantidad de desarrollos que él no pudo haber visto dio forma a nuestra comprensión sobre la física de las partículas, principalmente las fuerzas que actúan dentro del núcleo y lo que son las partículas elementales. Estas son ideas que se desarrollaron luego del trabajo de Einstein”.

Albert Einstein, cuando todavía era un empleado de la oficina de patentes en Berna, Suiza.

El mismo Einstein no tenía idea de que las fuerzas fundamentales de la naturaleza todavía esperaban ser descritas totalmente, y que mucho menos podían ser unidas en una teoría única. Gastó su tiempo intentando unir el electromagnetismo con la gravedad; las interacciones nucleares fuerte y débil fueron formalizadas por los teóricos y descubiertas por los aceleradores atómicos recién después de que hubiera fallecido.

Por lo tanto, la mayor parte de su trabajo fue en la dirección equivocada, pero el espíritu del físico indudablemente continúa viviendo. “Estar en el lugar en que estuvo Einstein fue realmente una idea inspiradora”, dice Seiberg.

Sin embargo, el IAS no es un museo. “Si no hubiera habido una buena pregunta con la que trabajar, entonces no habría habido aquí un equipo trabajando en el asunto”, dice Seiberg. “Creo que este sitio permanecerá enfocado en lo más emocionante que esté sucediendo, en lugar de estar preservando un legado”.

La teoría de las cuerdas se ha estado moviendo particularmente rápido a lo largo de la década transcurrida desde que la Teoría-M apareció en escena. Hace justo un año, Witten volvió con otra gran idea: utilizando otra idea de 40 años de antigüedad llamada la teoría de los “twistores” originalmente desarrollada por Penrose en la Universidad de Oxford, mostró que podía ser que después de todo las cuerdas no necesitaran todas esas dimensiones extra. Motivó un montón de artículos por parte de sus compañeros teóricos y el interés continúa creciendo. La semana pasada, los teóricos de las cuerdas de todo el mundo se

encontraron en Oxford para discutir sus progresos. Witten todavía no está convencido. “Creo que la teoría de las cuerdas-twistores es algo que solamente funciona de modo parcial”, dice.

El futuro de los teóricos de las cuerdas parece brillante, pero todavía quedan algunas preguntas básicas que esperan ser respondidas por los físicos. La primera es simple: ¿qué describe la teoría?. “Esto no es como la relatividad general, en la que Einstein delineó los principios y luego derivó las consecuencias”, dice Seiberg. “Estamos en una situación muy extraña y sin precedentes en la que sabemos como derivar algunas de las consecuencias, pero no conocemos cuáles son los principios fundamentales”.

La segunda falla (y para algunos críticos la mayor) es la carencia de datos experimentales para probar la teoría de las cuerdas. Para ésto, Witten y sus colegas están esperando el nuevo acelerador de partículas que está en construcción en Cern, Suiza. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC = Large Hadron Collider) operará con energías tan grandes que podrían aparecer algunas de las cosas predichas por la teoría de las cuerdas. Una es la supersimetría, la idea de que las partículas fundamentales (tales como los electrones y los quarks) tienen todos ellos compañeros supersimétricos a altas energías (en estos casos, los llamados selectrones y squarks). Si el LHC los encuentra, indudablemente por todo el mundo saltarán los corchos de champagne en los grupos de investigación de la teoría de las cuerdas.

Roger Penrose

Pero en última instancia la naturaleza es una bestia engañosa. Aún si se demostrara que la teoría de las cuerdas es correcta, ¿podría quizás haber todavía algo más fundamental?.

“La mayoría de los teóricos de cuerdas somos muy arrogantes”, dice Seiberg con una sonrisa. “Si hay algo más allá de la teoría de las cuerdas, lo llamaremos teoría de las cuerdas”.

Sin embargo, la teoría de las cuerdas podría ser lo más fundamental. Tradicionalmente, los físicos encontraron fuerzas más fundamentales en acción, cuando más cortas eran las distancias que estudiaban. Con la teoría de las cuerdas, el concepto de distancias se rompe. El espaciotiempo es un concepto asumido, la arena de la mecánica cuántica y de la relatividad general, pero la teoría de las cuerdas no asume nada. Nuestra noción de espacio y tiempo deberá ser un resultado de ecuaciones posibles de la teoría de las cuerdas. A ese nivel, no hay ningún parámetro que pueda ser más pequeño, de modo que no existe la posibilidad de una teoría más fundamental.

Es posible que el futuro de la teoría de las cuerdas ni siquiera tenga cuerdas tales como fueron definidas al principio. Pero las branas, superficies y universos paralelos de la Teoría-M aseguran que el mundo de la física fundamental es realmente un lugar muy extraño, con las cuerdas o sin ellas.

La teoría de las cuerdas

idea para el mundo moderno

Teoría de las cuerdas es el nombre dado al arcano y endemoniadamente complicado mundo matemático que fue soñado por primera vez a fines de la década de 1960, como una forma de describir la interacción nuclear fuerte, la fuera que evita que los protones salgan disparados de los núcleos de los átomos.

Los protones están hechos de partículas aún más fundamentales llamadas quarks, y éstas se mantienen juntas gracias a otras partículas, llamadas gluones, que transmiten la interacción nuclear fuerte. El misterio era la razón por la cual los quarks y los gluones nunca eran vistos en sí mismos, aún cuando los átomos fueran destrozados en los aceleradores de partículas.

La teoría de las cuerdas fue acuñada como un modo de responder ésto (en términos simples, quizás los gluones y los quarks estuvieran en los extremos de una cuerda de energía, y no se pueden tener una cuerda con solamente un extremo), pero finalmente dio lugar a lo que llegó a ser conocido como cromodinámica cuántica, una descripción mecánico-cuántica de la interacción entre los quarks y los gluones.

Posteriormente, la teoría de las cuerdas fue utilizada no como simplemente una forma de explicar la interacción fuerte, sino para explicar todas las fuerzas fundamentales. La idea es que todo en el universo, desde la Tierra hasta el papel que está en sus manos en este momento, y todas las fuerzas que actúan sobre ellos, está hecho de diminutas hebras de energía llamadas cuerdas. La teoría es un intento de solucionar algo que ha preocupado a los científicos por todo un siglo: el hecho de que las dos grandes teorías de la naturaleza no concuerdan una con otra.

A comienzos del siglo XX, nuestro conocimiento del universo comenzó a ponerse de cabeza. Las nuevas ideas detrás de la mecánica cuántica decían que el mundo era imprevisible, que el comportamiento de todo se asentaba firmemente en las manos del azar. La relatividad general de Einstein describía cómo el espacio a nuestro alrededor era combado por la gravedad, convirtiendo a nuestras ideas sobre la fuerza en un ejercicio de geometría.

Pero estos dos conceptos comparten un problema: no están de acuerdo uno con el otro. Para responder algunas de las preguntas más importantes de la física, como por ejemplo qué sucedió en el Big Bang, este desacuerdo es un gran problema: ¿se utilizan las ecuaciones de la relatividad general porque hay una enorme cantidad de masa, o se utiliza la mecánica cuántica porque todo está en un espacio tan pequeño?.

La búsqueda de una forma de cruzar el abismo (la así llamada “teoría del todo”) ha consumido a los físicos teóricos, incluyendo a Einstein, durante décadas. Y no sin algunas controversias, la teoría de las cuerdas es el principal candidato para llevar a cabo el sueño de Einstein.

Si bien la teoría de las cuerdas es lo único que puede explicar a la vez la mecánica cuántica y la gravedad, todavía no ha sido comprobada experimentalmente. Y es tan lejana a nuestra experiencia física del mundo que algunos críticos dicen que debería ser considerada más bien un trabajo de filosofía que una definitiva descripción científica de la naturaleza.

¿Era Einstein Alienígena?

Hace cien años, Albert Einstein revolucionó la Física.

Marzo 23, 2005: Albert Einstein estaba exhausto. Por

tercera noche consecutiva, su bebé Hans, llorando,

mantuvo a la familia despierta hasta el amanecer.

Cuando Albert finalmente se durmió… era hora de

levantarse e ir a trabajar. No podía faltar ningún día.

Necesitaba el trabajo para mantener a su joven

familia.

Caminando enérgicamente hacia la Oficina de

Patentes donde era “Técnico Experto, Tercera Clase”,

Albert se preocupaba por sus padres. Se estaban

haciendo viejos y frágiles, y sus relaciones con ellos

eran tensas: sus padres no aprobaban su matrimonio

con Mileva… Albert echó un vistazo a una ventana

de la tienda por la que pasaba. Su pelo era un

Joven Albert Einstein en la

oficina de patentes.

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desorden; se había olvidado peinárselo otra vez.

Trabajo. Familia. Llegar a fin de mes. Albert sentía la presión de cualquier marido y

padre joven.

Para relajarse, revolucionó la física.

En 1905, a la edad de 26 y cuatro años antes de poder conseguir un trabajo como

profesor de física, Einstein publicó cinco de los más importantes artículos en la historia

de la ciencia – todos escritos en su “tiempo libre”. Él, probó que los átomos y las

moléculas existían. Antes de 1905, los científicos no estaban seguros acerca de ello.

Argumentaba que la luz viajaba en pequeños pedazos (más tarde llamados “fotones”) y

de esa forma estableció la fundación de la mecánica cuántica. Einstein describió su

teoría de la relatividad especial: espacio y tiempo eran hilos en una fábrica común,

proponía, que podían ser unidos, estirados y retorcidos.

Oh, y a propósito, E=mc2

Antes de Einstein, el último científico que había tenido un arranque creativo semejante

fue Sir Isaac Newton. Eso sucedió en 1666 cuando Newton se recluyó a sí mismo en la

granja de su madre para evitar el estallido de una plaga en Cambridge. Sin nada mejor

que hacer, desarrolló su Teoría de la Gravitación Universal.

Durante siglos los historiadores llamaron a 1666 el annus mirabilis de Newton, o “año

milagroso”. Ahora esas palabras tienen un significado diferente: Einstein y 1905. Las

Naciones Unidas han declarado 2005 “El Año Mundial de la Física” para celebrar el

centenario del annus mirabilis de Einstein. (Los ganadores del premio Nóbel y otros

eminentes científicos se reunirán con el público el mes próximo para discutir el trabajo

de Einstein. ¿Te gustaría unirte a ellos ?

La cultura popular moderna pinta a Einstein como un súperpensador de pelo espeso. Sus

ideas, nos dicen, no estaban probablemente muy por delante de las de otros científicos.

Debe haber venido de algún otro planeta – quizás del mismo en el que creció Newton.

“Einstein no era alienígena”, se ríe Peter Galison, físico e historiador de la ciencia de la

universidad de Harvard. “Era un hombre de su tiempo”. Todos sus artículos de 1905

desentrañaban problemas que estaban siendo estudiados, con diverso éxito, por otros

científicos”. Si Einstein no hubiera nacido, [esos artículos] habrían sido escritos de

alguna otra forma, con el tiempo, por otros”, cree Galison.

Súperpensador de pelo revuelto… hombre corriente… ¿o ambos?

Lo destacable de 1905 es que un único individuo fuera el autor de las cinco

publicaciones, además de la original e irreverente forma en que Einstein llegó a sus

conclusiones.

Por ejemplo: el efecto fotoeléctrico. Esto era un misterio a principios de 1900. Cuando

la luz golpea un metal, como el zinc, los electrones salen volando. Esto puede suceder

sólo si la luz viaja en pequeños paquetes suficientemente concentrados para golpear un

electrón y dejarlo en libertad. Una onda por separado no haría el truco fotoeléctrico.

La solución parece simple – la luz está compuesta de partículas. Por supuesto, esta es la

solución que Einstein propuso en 1905 y por la que ganó el premio Nóbel en 1921.

Otros físicos como Max Planck (trabajando en un problema relacionado: radiación de

cuerpo negro), de más titulación y experiencia que Einstein, se estaban acercando a la

respuesta, pero Einstein la obtuvo primero. ¿Por qué?

Es una cuestión de autoridad.

“En los días de Einstein, si estabas intentando decir que la luz estaba hecha de

partículas, te encontrabas a ti mismo en desacuerdo con el físico James Clerk Maxwell.

Nadie quería hacer eso”, dice Galison. Las ecuaciones de Maxwell eran enormemente

satisfactorias, unificando la física de la electricidad, el magnetismo y la óptica. Maxwell

había probado más allá de ninguna duda que la luz era una onda electromagnética.

Maxwell era una figura de autoridad.

A Einstein no le importaba un higo la autoridad. Él no se resistía a que le dijeran lo que tenía hacer, no mucho, pero odiaba que le dijeran cual era la verdad. Incluso de niño estaba constantemente dudando y haciéndose preguntas. “Su mera presencia aquí mina el respeto de la clase hacia mi”, le riñó su profesor de séptimo grado, el Dr. Joseph Degenhart. (Degenhart también predijo que Einstein “no llegaría a nada en la vida”). Este defecto del carácter tenía que ser un ingrediente clave en los descubrimientos de Einstein.

“En 1905”, comenta Galison, “Einstein acababa de recibir su Doctorado en Física. No estaba en deuda con ningún director de tesis o alguna otra figura de autoridad”. Consecuentemente, su mente era libre para discurrir.

En retrospectiva, Maxwell estaba en lo cierto. La luz es una onda. Pero Einstein también lo estaba. La luz es una partícula. Esta extraña dualidad confunde a los estudiantes de Física I de hoy igual que a Einstein en 1905. ¿Cómo es posible que la luz sea ambas cosas? Einstein no tenia ni idea.

Eso no le detuvo. Sin ningún miramiento, Einstein adoptó la intuición como herramienta básica. “Creo en la intuición y la inspiración”, escribió en 1931. “Algunas veces siento que estoy en lo cierto aunque no sepa la razón”.

A pesar de que los cinco artículos de Einstein fueron publicados en un solo año, él estuvo pensando sobre física, profundamente, desde su infancia. “La ciencia era el tema de conversación a la hora de la cena en la casa de Einstein”, explica Galison. El padre de Einstein, Hermann, y su tío Jacob dirigían una compañía alemana que hacia cosas como dínamos, lámparas de arco, bombillas y teléfonos. Esta era la tecnología puntera al

principio del siglo, “como lo sería hoy una compañía de Silicon Valley”, comenta Galison. “Los intereses de Albert por la ciencia y la tecnología vinieron de forma natural”.

Los padres de Einstein a veces se lo llevaban a fiestas. No

hacia falta niñera: Albert se sentaba en el sofá, totalmente

absorbido, haciendo problemas de matemáticas en silencio

mientras otros bailaban a su alrededor. ¡Lápiz y papel eran

la GameBoy de Albert!.

Einstein tenía una capacidad de concentración

impresionante. Su hermana, Maja, recordaba “…incluso

cuando había mucho ruido, era capaz de tumbarse en el

sofá, coger un bolígrafo y un papel, equilibrando

precariamente un tintero en el respaldo y absorberse en un

El Diploma del Instituto de Einstein.

Contrariamente a la leyenda urbana,

Albert lo hizo bien en la escuela.

[ampliar imagen ]

La familia de Einstein:

Albert y su hermana Maja

(abajo a la izquierda), su

padre Hermann (arriba), y

su madre, Pauline (abajo a

la derecha).

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problema tanto que el ruido de fondo lo estimulaba mas que molestarle”.

Einstein era francamente inteligente, pero no estrambóticamente más que sus

compañeros. “No tengo talentos especiales”, afirmó, “Soy apasionadamente curioso,

nada más”. Y otra vez: “El contraste entre la valoración popular de mis capacidades… y

la realidad es simplemente grotesco”. Einstein atribuía sus descubrimientos a la

imaginación y a preguntar insistentemente, más que a la inteligencia convencional.

Mas tarde en su vida, debería ser recordado, luchó con fuerza para producir una teoría

unificada del campo, combinando la gravedad con otras fuerzas de la naturaleza.

Fracasó. La capacidad mental de Einstein no era ilimitada.

Tampoco era el cerebro de Einstein. Fue extraído sin permiso por el Dr. Thomas Harvey

en 1955, cuando Einstein murió. Probablemente esperaba hallar algo extraordinario. La

madre de Einstein, Pauline se había preocupado mucho porque la cabeza del bebe

Einstein estaba caída de un lado. (La abuela de Einstein tenia otra opinión: “¡Muy

grande!”). Pero el cerebro de Einstein era como cualquier otro, gris, arrugado, y, si

acaso, un poco mas pequeño que la media.

Son recientes y pocos los estudios detallados del cerebro de Einstein. En 1985, por

ejemplo, el profesor Marian Diamond de UC Berkeley informó de un número de células

gliales (que nutren a las neuronas) de superior calidad en áreas del hemisferio izquierdo,

encargado del control de las habilidades matemáticas. En 1999, la neurocientífica

Sandra Witelson informaba de que el lóbulo parietal inferior de Einstein, un área

relacionada con el razonamiento matemático, era un 15% mas ancho de lo normal.

Además, encontró la grieta de Slyvian, un surco que normalmente se extiende desde la

parte delantera del cerebro hasta la parte posterior, que no recorría todo el camino en el

caso de Einstein. ¿Habría podido permitir esto una mayor conectividad entre las

diferentes partes del cerebro de Einstein?

Nadie lo sabe.

No saber, hace a algunos investigadores sentirse incómodos. Esto alegraba a Einstein:

“La cosa más bella que podemos experimentar es el misterio”, decía. “Es la emoción

fundamental que pervive en la cuna del arte verdadero y la ciencia verdadera”.

Es la emoción fundamental que Einstein sentía, caminando hacia el trabajo, despierto

con el bebe, sentado a la mesa durante la cena. La maravilla venció el agotamiento, cada

día.

Física de vanguardia para todos los públicos

Galardonados con el Nobel y otros científicos de prestigio hablarán sobre la Física moderna

9 de marzo de 2005: Einstein no lo sabía todo.

Einstein entendió que la luz debe ser tanto una partícula como una onda, que ni el

espacio ni el tiempo son inmutables, que la materia puede estallar en energía. Sus ideas

sirvieron para explicar muchas cosas, pero a la vez dejaron tras de sí un rosario de

enervantes rompecabezas. Los científicos se afanaron en desentrañar las consecuencias,

con frecuencia extravagantes, de las teorías de Einstein.

Todavía están en ello.

En 1905, Einstein publicó tres artículos tan

importantes para la Ciencia que los físicos

llaman a ese año annus mirabilis, o el “año

milagroso”. Cien años después, las Naciones

Unidas han declarado 2005 como “El año

mundial de la Física”, para conmemorar la

eclosión creativa de Einstein. En todo el mundo

se están celebrando conferencias, reuniones y

talleres educativos para analizar su

pensamiento y para examinar las cuestiones

que dejó planteadas.

El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la

NASA, albergará uno de estos actos: la conferencia “La Física del Tercer Milenio: II” ,

que tendrá lugar en el centro Von Bran en Huntsville, Alabama, del 5 al 7 de abril de

2005. Los patrocinadores incluyen la NASA, el Ejército de los EE.UU. la Sociedad

Americana de Física, y la Universidad de Alabama en Huntsville.

Aunque se celebrará en “La ciudad de los cohetes”, la conferencia no versará sólo sobre

el espacio. “Hablaremos sobre las cuestiones abiertas más importantes de todas las

ramas de la Física”, explica el que será presidente de la conferencia, Ron Koczor, de la

Dirección General de Ciencia y Tecnología del Centro Marshal para Vuelos Espaciales.

Las conferencias versarán sobre cuestiones de actualidad como la naturaleza de la

energía oscura, las interacciones entre antimateria y materia, mecánica cuántica y la

formación de los agujeros negros. Entre los ponentes habrá dos premios Nobel: Leon

Lederman, que recibió el premio por su trabajo sobre los neutrinos, y Riccardo

Giacconi, cuyas contribuciones a la Astrofísica condujeron al descubrimiento de fuentes

cósmicas de rayos X. El físico Lawrence Krauss, que escribió “La física de Star Trek”

Einstein tuvo algunas ideas

disparatadas.

[más información ]

intervendrá en la comida y hablará sobre “La mayor metedura de pata de Einstein, una

historia de misterio cósmico”.

Física de vanguardia. Premios Nobel. Esta conferencia será para profesionales muy

cualificados, ¿verdad?

“Pues no”, niega Koczor. “A la conferencia podrá asistir cualquiera que esté interesado

en la Ciencia y en la Física. Los discursos serán aptos para profanos”.

Serán especialmente bienvenidos los profesores y los estudiantes. El último día de la

conferencia se dedicará específicamente a ellos, con demostraciones prácticas y un

comité de discusión sobre las diversas carreras en física. Lawrence Krauss volverá a

estar disponible para discutir sobre “La física de Star Trek” y cuestiones relacionadas

con ella. (¿Es Ud. profesor? Contacte con el coordinador de la conferencia, Mitzi

Adams , para obtener información sobre la asistencia.)

Pulse aquí para visitar el sitio web de Física para el tercer milenio.

Es importante buscar respuestas a las cuestiones que Einstein dejó planteadas, cree

Koczor. “La física que tenemos hoy día está muy limitada en lo que es capaz de hacer”,

afirma. “Nunca iremos ni a la estrella más cercana en lo que dura una vida humana

completa usando la tecnología de la que disponemos hoy. Necesitamos una física nueva.

Hay tantas cuestiones abiertas y pistas tan sugerentes por doquier…” reflexiona Koczor.

“Quizá sea posible hacer cosas de las que todavía no sabemos nada”.

¿Le gustaría saber más sobre estas cuestiones? Visite el sitio web de la conferencia en

www.wyp-ptm.org y permanezca atento a Ciencia@NASA para conocer nuevas

noticias en las semanas siguientes.

La teoría de la relatividad cumple 100 años

En 1905 Albert Einstein la publicó en los Anales de la Física e inició

una era en la ciencia. Más tarde le incluyó un suplemento con la fórmula E=mc2

Albert Einstein nació en la ciudad alemana de Ulm en 1879 y demostró sus condiciones en sus tareas en Praga y Zurich. Más tarde se desempeñó en la Universidad de Berlín y en el Instituto de Física Kaiser Wilhelm en la capital alemana, al tiempo que la Academia de la Ciencia lo eligió entre su círculo de miembros intelectuales.

La famosa teoría estudia la relación de variables como la longitud y el tiempo, y formula la relación de equivalencia entre masa y energía.

Entre las contradicciones de Einstein se destacan sus investigaciones que dieron un gran aporte al desarrollo de la era atómica, al tiempo que él siempre advertía contra los peligros de ese nuevo tipo de armamento. El genio de la física fue un pacifista.

La revista Time lo calificó en 1999 como "El hombre más destacado del siglo XX".

Albert Einstein publicó en 1916 en Berlín, durante la Primera Guerra Mundial, el estudio Teoría general de la relatividad, que luego de su verificación por parte de físicos británicos se convirtió en el documento más destacado del siglo XX.

Hiperespacio: Una Odisea Científica

Una mirada a las dimensiones superiores

Por Michio Kaku

¿Existen las dimensiones superiores?. ¿Existen mundos invisibles más allá de nuestro alcance, más allá de las Leyes normales de la Física?. Aunque las dimensiones superiores han sido exclusivamente reino de charlatanes, místicos y escritores de ciencia-ficción, muchos físicos teóricos serios creen ahora que no solo existen estas dimensiones superiores sino que pueden explicar algunos de los secretos más profundos de la naturaleza. Aunque hacemos hincapié en que no hay en la actualidad ninguna evidencia científica para estas dimensiones superiores, en principio podrían resolver el último problema de la física: la unificación final de todos los conocimientos físicos a nivel fundamental.

Mi propia fascinación por las dimensiones superiores comenzó en mi más tierna infancia. Uno de los recuerdos más felices de mi niñez era agacharme cerca del estanque del famoso Jardín de Té japonés en San Francisco, hipnotizado por las carpas brillantemente coloreadas que nadaban lentamente bajo los lirios de agua. En esos tranquilos momentos, me preguntaba a mí mismo una simple cuestión que solo un niño podría hacer: ¿Cómo vería la carpa de ese estanque el mundo que la rodea?. Pasando toda su vida en el fondo del estanque, la carpa creería que su “Universo” constaba de

agua y lirios; sería solo vagamente consciente de que podía existir un mundo extraño justo sobre la superficie. Mi mundo estaba más allá de su comprensión. Estaba fascinado ya que podía sentarme sólo a una pocas pulgadas de la carpa, y aún estaríamos separados por un inmenso abismo. Concluí que si había algún “científico” entre las carpas, se burlarían de cualquier pez que propusiese que podía existir un mundo paralelo justo sobre los lirios. Un mundo invisible más allá del estanque no tenía sentido científico. Una vez imaginé qué pasaría si bajamos y de pronto sacásemos a uno de los “científicos” carpa fuera del estanque. Me preguntaba, ¿Cómo actuaría la carpa ante esto?. El asustado “científico” carpa contaría una historia verdaderamente sorprendente, sobre cómo fue sacado de alguna forma del Universo (el estanque) y arrojado a un misterioso inframundo, a otra dimensión de luces cegadoras y objetos de extrañas formas que ninguna carpa había visto antes.

Lo más extraño de todo era que las enormes criaturas responsables de esta atrocidad, no se parecían a un pez en lo más mínimo. Sorprendentemente, no tenían aletas, pero aún así podían moverse sin ellas. Obviamente, las Leyes normales de la Física ¡no se aplicaban en este inframundo!.

La Teoría del Todo

A veces creo que somos como la carpa que vive contenta en el fondo del estanque; pasamos nuestra vida satisfechos de nuestra ignorancia sobre otros mundos que podrían coexistir con nosotros, sonriendo ante cada sugerencia de Universos paralelos.

Todo esto ha cambiado de forma drástica en los últimos años. La teoría de espacios dimensionales superiores podría convertirse en la pieza central que nos abra las puertas del origen del Universo. En el centro de esta revolución conceptual está la idea de que nuestro Universo, con sus tres dimensiones normales, es “demasiado pequeño” para describir la miríada de fuerzas que gobiernan nuestro Universo. Para describir nuestro mundo físico, con su prácticamente infinita variedad de formas, se requerirían bibliotecas completas desbordadas con montañas de revistas técnicas y pilas de oscuros libros de texto. El objetivo final de la física, según creen algunos, es tener una ecuación o expresión a partir de cuyos principios básicos podamos derivar este colosal volumen de información. Hoy día, muchos científicos creen que hemos encontrado la “Teoría de Campo Unificado” que esquivó a Einstein durante los últimos 30 años de su vida.

Aunque la teoría de espacios dimensionales superiores no ha sido verificada (y, como veremos, sería prohibitivamente costoso probarla experimentalmente), casi 5 000 artículos, según el último recuento, se han publicado dentro de la literatura física sobre estas teorías de dimensiones superiores, comenzando con los artículos pioneros de Theodore Kaluza y Oskar Klein en los años 20 y 30, pasando por la Teoría de la Supergravedad de los 70, y por fin a la Teoría de Supercuerdas de los 80 y 90. De hecho, la Teoría de Supercuerdas, que postula que la materia consiste en diminutas cuerdas vibrando en el hiperespacio, predice el número exacto de dimensiones de espacio y tiempo: 10.

¿Por qué no podemos ver la Cuarta Dimensión?

Para comprender estas dimensiones superiores, recordamos que son necesarios tres números para localizar cada objeto del Universo, desde la punta de tu nariz hasta el

confín del mundo. Por ejemplo, si quieres quedar con unos amigos en Manhattan, les dices que os encontrareis en el edificio que hace esquina en la 42 con la Quinta Avenida, en la planta 37. Se necesitan dos números para localizar tu posición en un mapa, y un número para especificar la distancia sobre el mapa. De esta manera son necesarios tres números para especificar la localización de tu almuerzo. (Si nos encontramos con nuestros amigos por la tarde, entonces se necesitan cuatro números para especificar el lugar y la hora del encuentro).

Sin embargo, aunque lo intentemos, es imposible para nuestros cerebros visualizar la cuarta dimensión espacial. Los ordenadores, por supuesto, no tienen problemas en trabajar con N dimensiones espaciales, pero las dimensiones espaciales más allá de la tercera simplemente no pueden ser conceptualizadas por nuestros débiles cerebros. (La razón para este desafortunado accidente tiene que ver con la biología más que con la física. La evolución humana puso como meta ser capaz de visualizar objetos moviéndose en tres dimensiones. Había una presión selectiva sobre los humanos que podían esquivar las embestidas de los tigres dientes de sable o arrojar lanzas contra un mamut a la carga. Dado que los tigres no nos atacan en la cuarta dimensión espacial, simplemente no era una ventaja desarrollar un cerebro con la capacidad de visualizar objetos que se movieran en cuatro dimensiones).

Encontrar un Ser de Dimensiones Superiores

Para comprender algunas de las alucinantes características de las dimensiones superiores, imagina un mundo bidimensional, llamado Planilandia (como en la célebre novela de Edwin A. Abbott) similar a un mundo existente en un tablero liso. Si uno de los Planilandios se perdiese, podríamos buscar rápidamente por toda Planilandia, tratando de ver directamente dentro de las casas, edificios, e incluso lugares ocultos. Si uno de los Planilandios se pone enfermo, podríamos alcanzar directamente su interior y realizar una operación sin cortar su piel. Si uno de los Planilandios es encerrado en la cárcel (la cual es un círculo que rodea al Planilandio) podemos simplemente “recortar” a la persona fuera de Planilandia hacia la tercera dimensión y colocar de nuevo al Planilandio en cualquier otro lugar. Si nos volvemos un poco más ambiciosos y hundimos nuestros dedos y brazos a través de Planilandia, los Planilandios solo verían círculos de carne planeando a su alrededor, cambiando constantemente de forma y uniéndose a otros círculos. Y finalmente, si arrojamos a un Planilandio a nuestro mundo tridimensional, el Planilandio solo vería dos secciones dimensionales cruzadas de nuestro mundo, es decir una alucinación de círculos, cuadrados, etc. que cambian constantemente de forma y se unen. Ahora imagina que somos seres “Planilandios tridimensionales” visitados por un ser de dimensiones superiores. Si nos perdemos, un ser de dimensiones superiores podría buscar en todo nuestro Universo de una sola vez, tratando de mirar directamente en los lugares ocultos más recónditos. Si nos ponemos enfermos, un ser de dimensiones superiores podría llegar a nuestro interior y realizar una operación sin cortar nuestra piel.

Si estamos en una cárcel de máxima seguridad a prueba de fugas, un ser de dimensiones superiores podría simplemente “arrancarnos” a una dimensión superior y redepositarnos en cualquier otro lugar. Si los seres de dimensiones superiores hundiesen sus “dedos” en nuestro Universo, parecerían ser burbujas de carne que flotan sobre nosotros y se unen y separan constantemente. Y por último, si fuésemos arrojados al hiperespacio, veríamos un conjunto de esferas, burbujas, y poliedros que aparecen de pronto, cambiando

constantemente de color y forma, y que desaparecen misteriosamente. La gente de superiores dimensiones, por esto, tendría poderes similares a los de un dios: podría caminar a través de los muros, desaparecer y aparecer a voluntad, entrar en las cámaras acorazadas, y ver a través de los edificios. Serían omniscientes y omnipotentes. No es sorprendente que la especulación sobre seres de dimensiones superiores haya suscitado un enorme interés literario y artístico en los últimos 100 años.

Místicos y Matemáticos

Fyodor Dostoyevsky, en Los Hermanos Karamazov, coloca a su protagonista Iván Karamazov especulando sobre la existencia de dimensiones superiores y geometrías no Eucledianas durante una discusión sobre la existencia de Dios. En “El Hombre Invisible” de H. G. Wells, la fuente de la invisibilidad era su capacidad de manipular la cuarta dimensión. Incluso Oscar Wilde hace referencia a la cuarta dimensión en su obra El Fantasma de Canterville como el hogar de los fantasmas.

La cuarta dimensión también aparece en trabajos literarios de Marcel Proust y Joseph Conrad; inspiró algunas obras musicales de Alexander Scriabin, Edgar Varege, y George Antheil. Fascinó a diversas personalidades como el psicólogo William James, la figura literaria Gertrude Stein, y el revolucionario socialista Vladimir Lenin. Lenin incluso mantuvo una polémica sobre la N-ésima dimensión con el filósofo Ernst Mach en su Materialismo y Empiriocriticismo. Lenin elogiaba a Mach, quien “había planteado la importante y útil de un espacio de n-dimensiones como un espacio concebible”, pero lo condenó a trabajos forzados ya que el Zar solo podía ser derrocado en la tercera dimensión.

Los artistas han estado particularmente interesados en la cuarta dimensión debido a las posibilidades de descubrir nuevas leyes de perspectiva. En la Edad Media, el arte religioso era distinto por su deliberada carencia de perspectiva. Siervos, campesinos, y reyes eran dibujados como si fuesen planos, de la misma forma en que los niños dibujan gente.

Dado que Dios era omnipotente y por esto podía ver todas las partes del mundo a la vez, el arte tenía que reflejar su punto de vista, por esto el mundo se pintaba bidimensionalmente. El arte Renacentista fue una revolución contra esta perspectiva plana centrada en Dios. Majestuosos y realistas paisajes y gente tridimensional fueron dibujados desde el punto de vista del ojo humano, con las líneas de perspectiva desapareciendo en el horizonte. El arte del Renacimiento reflejaba el modo en que el ojo humano veía el mundo, desde el singular punto de vista del observador. En otras palabras, el arte del Renacimiento descubrió la tercera dimensión. Con el comienzo de la Edad Contemporánea y el capitalismo, el mundo artístico se volvió en contra del frío materialismo que parecía dominar la sociedad industrial. Para los Cubistas, el positivismo era una camisa de fuerza que nos confinaba a lo que podía ser medido en un laboratorio, suprimiendo los frutos de nuestra imaginación. Preguntaron: ¿Por qué el arte debe ser clínicamente “realista”?. Esta “revolución” contra la perspectiva Cubista aprovechó la cuarta dimensión debido a que tocaba la tercera dimensión desde todas las perspectivas posibles. En una palabra, el arte Cubista adoptó la cuarta dimensión. Las pinturas de Picasso son un espléndido ejemplo, mostrando un claro rechazo por la perspectiva tridimensional, con rostros de mujeres vistos desde distintos ángulos simultáneamente.

En lugar de un punto de vista único, las pinturas de Picasso muestran múltiples perspectivas, como si estuviese pintando desde la cuarta dimensión, capaz de ver todas las perspectivas a la vez. Como ha escrito la historiadora del arte Linda Henderson, “la cuarta dimensión y la geometría no Euclediana emergen como una los temas más importantes unificando gran parte de la teoría y el arte moderno”.

Unificando las Cuatro Fuerzas

Históricamente, los físicos han desechado la teoría de las dimensiones superiores debido a que no podían ser medidas, ni tenía ningún uso particular. Pero para comprender cómo añadiendo dimensiones superiores podemos, de hecho, simplificar problemas físicos, piensa en el siguiente ejemplo. Para los antiguos egipcios, el tiempo era un completo misterio. ¿Qué causaba las estaciones?. ¿Por qué hacía más calor a medida que viajabas hacia el Sur?. El tiempo era algo imposible de explicar para el limitado punto de vista de los antiguos egipcios, para quienes la Tierra parecía lisa, como un plano bidimensional.

Pero ahora imagina que enviamos a los egipcios en un cohete al espacio exterior, donde pueden ver la Tierra de forma pura y completa en su órbita alrededor del Sol. De pronto, las respuestas a sus preguntas se vuelven obvias. Desde el espacio exterior, está clara la inclinación de 23 grados de la Tierra sobre su eje en su órbita alrededor del Sol. Debido a esta inclinación, el hemisferio norte recibe mucha menos luz solar durante una parte de su órbita que durante otra. De aquí que tengamos invierno y verano. Y dado que el ecuador recibe más luz solar en media que las regiones polares norte y sur, notamos más calor cuanto más nos acercamos al ecuador.

En resumen, las confusas leyes del tiempo son fáciles de comprender una vez vista la Tierra desde el espacio. Por esto, la solución al problema es ir al espacio, a la tercera dimensión. Hechos que nos son imposibles de comprender en un mundo plano de pronto se convierten en obvios cuando vemos un dibujo unificado de una Tierra tridimensional.

Las Cuatro Fuerzas Fundamentales

De forma análoga, el actual nerviosismo sobre las dimensiones superiores es debido a que pueden tener la clave para la unificación de todas las fuerzas. La culminación de 2 000 años de meticulosas observaciones es darnos cuenta que nuestro Universo está gobernado por cuatro fuerzas fundamentales. Estas cuatro fuerzas, además, pueden ser unificadas en un espacio de dimensiones superiores. La luz, por ejemplo, puede verse como una simple vibración en la quinta dimensión. Las otras fuerzas de la naturaleza pueden verse como vibraciones en dimensiones sucesivamente superiores. A primera vista, sin embargo, las cuatro fuerzas fundamentales parecen no guardar ningún parecido entre sí. Son éstas:

La gravedad es la fuerza que mantiene nuestros pies anclados a la Tierra rotante y mantiene unido el Sistema Solar y la Galaxia. Sin gravedad, seríamos inmediatamente arrojados al espacio exterior a 1 600 kilómetros por hora. Además, sin una gravedad que mantuviese al Sol cohesionado, explotaría en un catastrófico estallido de energía.

El Electromagnetismo es la fuerza que ilumina nuestras ciudades y da energía a nuestros electrodomésticos. La revolución electrónica, que nos ha dado las bombillas, la TV, el teléfono, los ordenadores, la radio, el radar, los microondas, y lavavajillas es un subproducto de la fuerza electromagnética.

La fuerza nuclear fuerte es la fuerza que da energía al Sol. Sin la fuerza nuclear, las estrellas dejarían de brillar y los cielos se volverían oscuros. La fuerza nuclear no solo hace posible la vida en la Tierra, es también la devastadora fuerza liberada por la bomba de hidrógeno, que puede ser comparada con un trozo de Sol traído a la Tierra. La fuerza nuclear débil es la responsable de la descomposición radiactiva que involucra a los electrones. La fuerza débil es aprovechada en los hospitales modernos en forma de escáneres radiactivos usados en medicina nuclear. La fuerza débil también causó estragos en Chernobyl. Históricamente, siempre que los científicos aclararon los secretos de una de las cuatro fuerzas fundamentales, esto alteró irrevocablemente el curso de la civilización moderna, desde el dominio de la mecánica y la física Newtoniana en el siglo XVIII, al aprovechamiento del electromagnetismo del siglo XIX, y por fin el descubrimiento de la fuerza nuclear en el siglo XX. En cierto sentido, se puede encontrar el origen de algunos de los mayores avances de la historia de la ciencia por el gradual conocimiento de estas cuatro fuerzas fundamentales. Algunos incluso han proclamado que el progreso de los últimos 2 000 años de la ciencia se puede comprender como el sucesivo dominio de estas cuatro fuerzas fundamentales. Dada la importancia de estas cuatro fuerzas fundamentales, la siguiente pregunta es: ¿Pueden unirse en una Superfuerza?. ¿Son manifestaciones de una realidad más profunda?. Dada la infructuosa búsqueda que ha confundido a los ganadores del Premio Nobel del mundo durante medio siglo, la mayoría de los físicos están de acuerdo en que la Teoría del Todo debe ser un punto de partida radical para todo lo que se ha intentado previamente. Por ejemplo, Niels Bohr, fundador de la teoría atómica moderna, en una ocasión escuchó una explicación de la versión de la Teoría de Campo Unificada de Wolfgang Pauli. Frustrado, Bohr por fin se levantó y dijo, “Estamos todos de acuerdo en que su teoría es absolutamente descabellada. Pero estamos divididos sobre si su teoría es lo bastante descabellada”.

Hoy día, sin embargo, tras décadas de salidas falsas y frustrantes callejones sin salida, muchos de los principales físicos del mundo creen que por fin tenemos la teoría “lo bastante descabellada” para ser la Teoría de Campo Unificado. Hay una creencia bastante extendida (aunque de ninguna manera unánime) en los principales laboratorios de investigación del mundo de que hemos encontrado finalmente la Teoría del Todo.

Teoría de Campo en Dimensiones Superiores

Para ver cómo nos ayudan las dimensiones superiores a unificar las leyes de la naturaleza, los físicos usan la herramienta matemática llamada “Teoría de Campo”. Por ejemplo, el campo magnético de un imán se parece a una tela de araña que llena todo el espacio. Para describir el campo magnético, introducimos el campo, series de números definidos en cada punto del espacio que describen la intensidad y dirección de la fuerza en ese punto. James Clerk Maxwell, en el último siglo, demostró que la fuerza electromagnética se puede describir mediante 4 números en cada punto en un espacio-tiempo de cuatro dimensiones (marcados como A_1, A_2, A_3, A_4 ). Estos cuatro números, además, obedecen a un conjunto de ecuaciones (llamadas Ecuaciones de Campo de Maxwell).

Para la fuerza gravitatoria, Einstein demostró que el campo requería un total de 10 números en cada punto para cuatro dimensiones. Estos 10 números se pueden reunir en un vector. (Debido a que g_12 = g_21, solo 10 de los 16 números contenidos en el vector son independientes). El campo gravitatorio, además, obedece a las Ecuaciones de Campo de Einstein. La idea clave de Theodore Kaluza en los años 20 fue escribir una Teoría de la Gravedad de 5 dimensiones. En 5 dimensiones, el campo gravitacitorio tiene 15 números independientes, los cuales se pueden ordenar en un vector de 5 dimensiones. Kaluza entonces redefinió la quinta fila y columna del campo gravitatorio para que fuese el campo electromagnético de Maxwell. La característica verdaderamente maravillosa de esta construcción es que la Teoría de la Gravedad en 5 dimensiones se redujo precisamente a la Teoría de la Gravedad original de Einstein más la Teoría de la Luz de Maxwell. En otras palabras, añadiendo la quinta dimensión, habíamos unificado de forma trivial la luz y la gravedad. Eso significaba que la luz ahora era vista como vibraciones en la quinta dimensión. En cinco dimensiones, tenemos “suficiente espacio” para unificar la luz y la gravedad.

Este truco se extendió con facilidad. Por ejemplo, si generalizamos la teoría a N dimensiones, entonces el campo gravitacional de la dimensión N puede separarse en diferentes partes. Ahora está surgiendo una generalización del campo electromagnético, llamada “Campo de Yang-Mills”, que se sabe que describe las fuerzas nucleares. Las fuerzas nucleares, además, pueden verse como vibraciones de un espacio de dimensión superior. En una palabra, añadiendo más dimensiones, somos capaces de describir más fuerzas. De forma análoga, añadiendo dimensiones superiores y adornando aún más esta aproximación (con algo llamado supersimetría), podemos explicar todo el zoológico de partículas que se han descubierto en los últimos 30 años, con estrambóticos nombres como quarks, neutrinos, muones, gluones, etc. Aunque las matemáticas requeridas para extender la idea de Kaluza han alcanzado cotas realmente elevadas, incluso para los matemáticos profesionales, la idea básica que subyace en la unificación sigue siendo sorprendentemente simple: las fuerzas de la naturaleza pueden verse como vibraciones en un espacio de dimensión superior.

¿Qué pasó antes del Big Bang?

Una ventaja de tener una teoría de todas las fuerzas es que podríamos ser capaces de resolver algunos de las espinosas preguntas que llevan años en la física, tales como el origen del Universo, y la existencia de “Agujeros de Gusano” e incluso máquinas del tiempo. La Teoría de Supercuerdas de 10 dimensiones, por ejemplo, nos da una explicación convincente del origen del Big Bang, la explosión cósmica que tuvo lugar hace 15 o 20 mil millones de años, y que arrojó las estrellas y galaxias en todas direcciones. En esta teoría, el Universo comenzó originalmente como un Universo perfecto de 10 dimensiones sin nada en él. Al principio, el Universo estaba completamente vacío. Sin embargo, este Universo de 10 dimensiones no era estable. El espacio-tiempo original de 10 dimensiones finalmente se “rompió” en dos partes, un Universo de 4 y 6 dimensiones. El Universo hizo el “salto cuántico” a otro Universo en el cual 6 de las 10 dimensiones colapsaron y se enroscaron en una diminuta pelota, permitiendo a las restantes 4 dimensiones explotar hacia el exterior a una enorme tasa.

El Universo de cuatro dimensiones (nuestro mundo) se expandió a gran velocidad, creando el Big Bang, mientras el Universo de se envolvía en sí mismo en una minúscula

pelota y se encogía hasta un tamaño infinitesimal. Esto explica el origen del Big Bang. La actual expansión del Universo, que podemos medir con nuestros instrumentos, es un efecto colateral de un colapso cataclísmico superior: la ruptura de un Universo de 10 dimensiones en un Universo de 4 y 6 dimensiones.

En principio, esto también explicaría por qué no podemos medir el Universo de 6 dimensiones, debido a que se ha encogido a un tamaño mucho menor que el de un átomo. De esta manera, ningún experimento de la Tierra podría medir el Universo de 6 dimensiones debido a que se ha enroscado en una pelota demasiado pequeña como para ser analizada incluso por los instrumentos más potentes. (Esto será una decepción para quienes desearían visitas estas dimensiones superiores durante su vida. Estas dimensiones son demasiado pequeñas para entrar en ellas).

¿Máquinas del Tiempo?

Otro antiguo misterio es el que concierne a los Universos paralelos y el viaje en el tiempo. De acuerdo con la Teoría de la Gravedad de Einstein, el espacio-tiempo puede visualizarse como un tejido que se estira y distorsiona por la presencia de materia y energía. El campo gravitatorio de un agujero negro, por ejemplo, puede visualizarse como un embudo, con una estrella muerta colapsada en el centro. Cualquiera lo bastante desafortunado como para acercarse demasiado al embudo cae de forma inexorable en él y es aplastado hasta la muerte. Un misterio, sin embargo, es que de acuerdo con las Ecuaciones de Einstein, el embudo de un agujero negro necesariamente conecta nuestro Universo con un Universo Paralelo. Además, si el túnel conecta nuestro Universo con nuestro mismo Universo, entonces tenemos un “Agujero de Gusano”. Estas anomalías no molestaron a Einstein debido a que se pensaba que el viaje a través del cuello del embudo, llamado “puente de Einstein-Rosen”, sería imposible (debido a que cualquiera que cayese en el agujero negro moriría).

Sin embargo, con el paso del tiempo físicos como Roy Kerr y Kip Thorne del Instituto de Tecnología de California han encontrado nuevas soluciones a las ecuaciones de Einstein en las cuales el campo gravitacional no se hace infinito en el centro, es decir, que en principio una nave podría viajar a través del puente Einstein-Rosen a un Universo alternativo (o a una zona distante de nuestro propio Universo) sin ser destrozado por el intenso campo gravitatorio. (Este agujero de gusano es, de hecho, la representación matemática del Espejo de Alicia).

Incluso más fascinante es que estos agujeros de gusano pueden verse como máquinas del tiempo. Dado que los dos extremos de un agujero de gusano pueden conectar dos eras temporales, Thorne y sus colegas han calculado las condiciones necesarias para entrar en el agujero negro en una época y salir al otro extremo en otra época distinta. (Thorne no se intimida ante el hecho de que la cantidad de energía necesaria para abrir un puente de Einstein-Rosen supera la de una estrella, y por esto está más allá de los límites de la tecnología actual. Pero para Thorne, esto es solo un pequeño detalle para los ingenieros de una civilización lo bastante avanzada ¡del espacio exterior!). Thorne incluso da la idea general de lo que parecería una máquina del tiempo cuando se construyese. (Imagina, sin embargo, el caos que se podría producir si las máquinas del tiempo fuesen tan comunes como los coches. Los libros de historia no podrían escribirse. Miles de entrometidos estarían constantemente volviendo atrás en el tiempo para eliminar a los ancestros de sus enemigos, para cambiar el resultado de la Primera y

Segunda Guerra Mundial, salvar la vida de John Kennedy y Abraham Lincoln, etc. La “historia” tal y como la conocemos sería imposible, dejando sin trabajo a los historiadores profesionales. Con cada giro del mando de la máquina del tiempo, la historia cambiaría como arena arrastrada por el viento). Otros físicos, sin embargo, como Steven Hawking, dudan del viaje en el tiempo. Argumentan que los efectos cuánticos (como los intentos campos de radiación del embudo) pueden cerrar el puente de Einstein-Rosen. Hawking incluso adelantó una “prueba” experimental de la imposibilidad de las máquinas del tiempo (es decir, sí existieran, estaríamos siendo visitados por turistas del futuro).

Esta controversia ha generado recientemente una oleada de artículos en la literatura física. El problema esencial es que aunque las ecuaciones de Einstein para la gravedad permiten el viaje en el tiempo, también colapsan cuando nos aproximamos a un agujero negro, y los efectos cuánticos, como la radiación, toman el mando. Pero para calcular si estas correcciones cuánticas son lo bastante intentas para cerrar el puente Einstein-Rosen, se necesita por fuerza una Teoría de Campo Unificado que incluya ambas, la Teoría de la Gravedad de Einstein y también la Teoría Cuántica de la Radiación. Por lo que tenemos la esperanza de que pronto estas preguntas puedan resolverse de una vez por todas mediante una Teoría de Campo Unificado. Ambos lados del debate sobre el viaje en el tiempo reconocen que finalmente esta cuestión se verá resuelta por la Teoría del Todo.

Recrear la Creación

Aunque la Teoría de Supercuerdas de 10 dimensiones ha sido reconocida como el descubrimiento más fascinante en la física teórica de las últimas décadas, sus críticos se han centrado en su punto más débil, es casi imposible de comprobar. La energía a la que las cuatro fuerzas fundamentales se unen en una sola fuerza unificada tiene lugar a la fabulosa “energía de Planck”, la cual es un trillón de veces mayor que la energía que encontramos en un protón. Incluso si todas las naciones de la Tierra estuviesen unidas y construyesen el mayor acelerador de partículas de la historia, seguiría sin ser suficiente para comprobar la teoría. Debido a esto, algunos físicos han ridiculizado la idea de que la Teoría de Supercuerdas pueda ser considerada una “teoría” legítima. El Premio Nobel Sheldon Glashow, por ejemplo, ha comparado la Teoría de Supercuerdas con el programa de la Guerra de las Galaxias del anterior Presidente Reagan (debido a que es inestable y absorbe el talento de los mejores científicos). La razón por la que la teoría no puede ser comprobada es bastante simple. La Teoría del Todo es necesariamente una Teoría de la Creación, es decir, debe explicar todo desde el origen del Big Bang hasta los lirios del campo. Toda su potencia se pone de manifiesto en el instante del Big Bang, donde todas las simetrías estaban intactas. Comprobar esta teoría, además, significa recrear la Creación en la Tierra, lo cual es imposible con la actual tecnología. (Los críticos aplican esto, de hecho, a cualquier Teoría de la Creación. El filósofo David Hume, por ejemplo, creía que una Teoría científica de la Creación era filosóficamente imposible. Esto era debido a que la Fundación de Ciencia contaba con la reproducibilidad, y la creación es un evento que nunca puede ser reproducido en el laboratorio).

Aunque es desalentador, una pieza del puzzle puede ser suministrada por el Supercolisionador de Superconducción (Superconducting Supercollider o (SSC)), el cual, si se construye, será el acelerador de partículas más grande del mundo. El SSC

(que parece que será cancelado por el Congreso) está diseñado para acelerar protones a la asombrosa energía de decenas de miles de billones de electrón-voltios. Cuando estas partículas subatómicas chocan unas con otras a estas fantásticas energías dentro del SSC, se generarán unas temperaturas que no se han visto desde el instante de la Creación. Por esto a veces es llamada “ventana a la Creación”. Con un coste de 8 a 10 mil millones de dólares, el SSC consta de un anillo de potentes imanes extendidos a lo largo de un tubo de 75 kilómetros de longitud. De hecho, uno podría colocar fácilmente la circunvalación de Washington, que rodea Washington D.C., dentro del SSC. Cuando sea construido, si lo es, los físicos esperan que encuentre exóticas partículas subatómicas para completar nuestra comprensión actual de las cuatro fuerzas. Sin embargo, también tenemos la pequeña posibilidad de que los físicos descubran partículas “supersimétricas”, que podrían ser vestigios de la Teoría de Cuerdas Original. En otras palabras, aunque la Teoría de Supercuerdas no puede ser comprobada directamente por el SSC, se espera encontrar resonancias de la Teoría de Supercuerdas entre los restos creados por los protones despedazados a energías desconocidas desde el Big Bang.

La Física del Viaje en el Tiempo

¿Es real o solo un cuento?

Por Michio Kaku

En la novela de H.G. Wells, La Máquina del Tiempo, nuestro protagonista saltó a una silla especial con luces parpadeantes, giró unos pocos mandos, y se vio catapultado algunos cientos de miles de años al futuro, donde Inglaterra había desaparecido mucho tiempo atrás y estaba ahora habitada por extrañas criaturas llamadas Morlocks y Eloi. Esto puede haber creado una gran obra, pero los físicos siempre se han burlado de la idea de los viajes en el tiempo, considerándolo reino de excéntricos, místicos, y charlatanes, y con buenas razones.

Sin embargo, unos avances bastante importantes en la gravedad cuántica están revitalizando esta teoría; se está convirtiendo en el juguete de los físicos teóricos que escriben en las páginas de la revista Physical Review. Un persistente problema en el viaje en el tiempo es que está plagado de distintos tipos de paradojas. Por ejemplo, está la paradoja del hombre sin padres, es decir, ¿Qué pasa cuando vuelves atrás en el tiempo y matas a tus padres antes de que hayas nacido?. Pregunta: Si tus padres murieron antes de que nacieras, entonces ¿cómo podrías haber nacido para matarlos en primer lugar?.

Está también la paradoja del hombre sin pasado. Por ejemplo, digamos que un joven inventor intenta sin éxito construir una máquina del tiempo en su garaje. De pronto, un hombre mayor aparece de ninguna parte y le da al joven el secreto para construir la máquina del tiempo. El joven entonces se convierte en alguien extremadamente rico jugando en el mercado de valores, carreras, y eventos deportivos debido a que conoce el futuro. Entonces, cuando es viejo, decide hacer un viaje final hacia el pasado y darle el secreto del viaje en el tiempo a su yo más joven. Pregunta: ¿De dónde vino la idea de la máquina del tiempo?.

También tenemos la paradoja del hombre que es su propia madre (mis disculpas a Heinlein.) “Jane” es abandonada en un orfanato. Cuando “Jane” es una adolescente, se enamora de un vagabundo, que la abandona pero la deja embarazada. Entonces se dispara el desastre. Está a punto de morir dando a luz un bebé, que es misteriosamente secuestrado. El doctor advierte que Jane se está desangrando peligrosamente, pero, extrañamente, tiene ambos órganos sexuales. Por lo que, para salvar su vida, convierte a “Jane” en “Jim.”

“Jim” a partir de este momento se convierte en un loco borracho, hasta que encuentra un amistoso camarero (en realidad un viajero en el tiempo disfrazado) que lanza a “Jim” de vuelta al pasado. “Jim” conoce a una preciosa adolescente, y la deja embarazada por descuido. Consciente de su culpa, rapta al bebé y lo deja en un orfanato. Más tarde, “Jim” se une al cuerpo de viajeros en el tiempo, llevando una vida distinguida, y solo tiene un sueño: disfrazarse de camarero para encontrar a cierto borracho llamado “Jim” en el pasado. Pregunta: ¿Quién es la madre, padre, hermano, hermana, abuelo, abuela, y nietos de “Jane”?.

No es sorprendente que el viaje en el tiempo siempre haya estado considerado como un imposible. Después de todo, Newton creía que el tiempo era como una flecha; una vez disparada, permanecía en una línea recta inamovible. Un segundo en la Tierra era un segundo en Marte. Relojes dispersos por todo el Universo latirían al mismo ritmo. Einstein nos dio una imagen mucho más radical. De acuerdo con Einstein, el tiempo es más como un río, que serpentea alrededor de estrellas y galaxias, acelerando y decelerando cuando pasa alrededor de cuerpos masivos. Un segundo en la Tierra NO es un segundo en Marte. Relojes dispersos a través del Universo latirían a su propio ritmo distante.

Sin embargo, antes de que Einstein muriera, se vio frente a un embarazoso problema. El vecino de Einstein en Princeton, Kurt Goedel, quizá el Lógico Matemático más grande de los últimos 500 años, encontró una nueva solución a las propias ecuaciones de Einstein ¡que permitían el viaje en el tiempo!. El “río del tiempo” ahora tenía remolinos en los cuales podría curvarse sobre sí mismo en un círculo. La solución de Goedel era bastante ingeniosa: postuló un Universo repleto de un fluido rotante. Cualquiera que anduviese a lo largo de la dirección de rotación se encontraría de vuelta en el punto inicial, ¡pero antes en el tiempo!.

En sus memorias, Einstein escribió que estaba preocupado porque esta ecuación contenía soluciones que permitían el viaje en el tiempo. Pero por fin concluyó: el Universo no rota, se expande (es decir como en la Teoría del Big Bang) y por esto la solución de Goedel podría ser desestimada por “razones físicas”. (Aparentemente, si el Big Bang fuese rotacional, ¡sería posible viajar en el tiempo por el Universo!).

Entonces en 1963, Roy Kerr, un matemático neozelandés, encontró una solución de las ecuaciones de Einstein para un agujero negro rotacional, el cual tendría propiedades inverosímiles. El agujero negro no colapsaría en un punto (como se pensaba previamente) sino en un anillo giratorio (de neutrones). El anillo circularía tan rápidamente que la fuerza centrífuga mantendría al anillo fuera del colapso gravitacional. El anillo, entonces, actuaría como el Espejo de Alicia. Cualquiera que camine a través del anillo no moriría, sino que podría pasar a través del anillo a un Universo alternativo. Desde entonces, se han encontrado cientos de otras soluciones de

“agujeros de gusano” en las ecuaciones de Einstein. Estos agujeros de gusano conectan no solo dos regiones del espacio (de aquí su nombre) sino también dos regiones del tiempo. En principio, pueden ser usados como máquinas del tiempo.

Recientemente, los intentos de sumar la Teoría Cuántica y la gravedad (y de aquí crear la “Teoría del Todo”) nos ha dado algún entendimiento sobre los problemas de las paradojas. En la Teoría Cuántica, podemos tener múltiples estados de cualquier objeto. Por ejemplo, un electrón puede existir simultáneamente en diferentes órbitas (un hecho que es responsable de darnos las Leyes de la Química). De forma similar, el famoso gato de Schrodinger podría existir a la vez en dos posibles estados: muerto y vivo. Por esto al volver atrás en el tiempo y alterar el pasado, estamos simplemente creando un Universo paralelo. De modo que cambiaremos el pasado de alguien, digamos salvando a Abraham Lincoln de ser asesinado en el Teatro Ford, pero nuestro Lincoln permanecerá muerto. De esta forma, el río del tiempo se divide en dos ríos separados. ¿Pero esto significa que seremos capaces de saltar en la máquina de H.G. Wells, girar un mando, y lanzarnos varios cientos de miles de años a la Inglaterra del futuro?. No. Hay un número de difíciles obstáculos que superar.

Primero, el problema principal de la energía. Del mismo modo que un coche necesita gasolina, una máquina del tiempo necesita una fabulosa cantidad de energía. O se tiene la energía de una estrella, o se busca algo llamado “materia exótica” (la cual cae hacia arriba más que hacia abajo) o buscar una fuente de energía negativa. (Los Físicos pensaban que la energía negativa era imposible. Pero se han verificado experimentalmente pequeñas cantidades de energía negativa mediante algo llamado el Efecto Casimir, es decir, la energía creada por los discos paralelos). Todas estas son extremadamente difíciles de conseguir en grandes cantidades, ¡al menos por unos cuantos siglos!.

Entonces tenemos el problema de la estabilidad. El agujero negro de Kerr, por ejemplo, puede ser inestable si se cae a través de él. De forma análoga, los efectos cuánticos pueden crear y destruir el agujero negro antes de entrar en él. Por desgracia, nuestras matemáticas no son lo bastante potentes para dar respuesta a estas cuestiones de estabilidad debido a que se necesita una “Teoría del Todo” que combine ambas, las fuerzas cuántica y de la gravedad. En la actualidad, la Teoría de supercuerdas en el principal candidato para tal teoría (de hecho, es el ÚNICO candidato; no tiene rivales después de todo). Pero la Teoría de supercuerdas, que casualmente es mi especialidad, es aún difícil de resolver por completo. La teoría está bien definida, pero nadie en la Tierra es lo bastante inteligente como para resolverla.

Lo bastante interesado, Stephen Hawking en una ocasión se opuso a la idea del viaje en el tiempo. Incluso reivindicó que tenía una evidencia “empírica” contra esto. Si el viaje en el viaje en el tiempo existía, dijo, entonces tendríamos que estar siendo visitados por turistas del futuro. Dado que no vemos turistas del futuro, podemos concluir: el viaje en el tiempo es imposible. Debido a la enorme cantidad de trabajo hecho por los físicos teóricos en los últimos 5 años más o menos, Hawking ha cambiado desde entonces su pensamiento, y ahora cree que el viaje en el tiempo es posible (aunque no necesariamente práctico). (Además, quizás simplemente no somos muy interesantes para estos turistas del futuro. Cualquiera que pueda tener la energía de una estrella nos consideraría muy primitivos. Imagina a tus amigos cruzando una colina de hormigas. ¿Se agacharían hacia las hormigas y les darían regalos, medicinas, libros y energía?. ¿O

alguno de tus amigos tendría el extraño impulso de pisar algunas de ellas?). En conclusión, no rechaces a una persona que llame a tu puerta un día y diga ser tu futuro tataranieto. Puede que sea cierto.

Agujeros Negros, Agujeros de Gusano y la Décima Dimensión

¿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!