Apuntes científicos desde el MIT

Hace unas semanas leí un artículo titulado “asustados sin sentido” (scared senseless) en el Washington Post. Era la revisión de un libro en el que el epidemiólogo Geoffrey Kabat explica varios casos de “peligros” para la salud que han sido exagerados sobremanera a partir de estudios sacados de contexto. Los hay de simplones, como la relación entre llevar tacones y la esquizofrenia, pero también analiza otros más serios, como la alarma injustificada que se generó tras la publicación de un pequeño estudio en 1979 sugiriendo que los campos electromagnéticos generados por los cables de alta tensión y los electrodomésticos podían inducir cáncer. Kabat explica cómo los medios distorsionaron esa investigación y varios grupos activistas tergiversaron los resultados, pero también cómo muchos expertos vieron un filón para conseguir más financiación en sus propias investigaciones. Los propios epidemiólogos estuvieron mucho tiempo alimentando las dudas y lanzando frases del estilo “hacen falta más estudios” a pesar de que las pruebas no iban indicando riesgo alguno y los físicos aseguraban que el temor a dicha intensidad de radiación electromagnética era absurdo. Uno dijo: “es como temer que una hoja cayendo de un árbol te fracture el cráneo”.
Y seguro que si a ese mismo físico le preguntamos: ¿la posibilidad de que una hoja te fracture el cráneo es cero? Dirá que no, que es “prácticamente nula”, pero no se atreverá a asegurar que es un suceso científicamente imposible.

Pues bien, parece todavía mucho menos probable que el LHC genere un agujero negro que se trague la Tierra. Primero, porque los agujeros negros que se podrían crear durante las colisiones de partículas tienen poco que ver con la idea que nosotros tenemos de agujeros negros astronómicos que engullen todo lo que tienen a su alrededor. Cuando los físicos dijeron que en el LHC se podrían generar agujeros negros, quizás pecaron de ingenuos. Si a “eso” le hubieran puesto otro nombre, no existiría en este momento el pánico de que el LHC acabara con nuestro planeta. Pero aún aceptando que “eso” comparte algunas propiedades matemáticas con la idea de agujeros negros que los no-científicos tenemos, hay varios matices a tener en cuenta. Importante: con las condiciones del LHC es imposible crear un agujero negro astronómico. Sí hay sin embargo la posibilidad remota que en alguna colisión se genere lo que los físicos llaman “agujeros negros microscópicos”, pero aunque se produjeran, según las leyes de la física actuales se desintegrarían inmediatamente.
Aún en el hipotético caso que nuestras teorías sobre agujeros negros estén equivocadas y se pudiera formar un agujero negro microscópico estable, éste sería totalmente inocuo. Lo más probable es que se escapara inmediatamente de la Tierra sin interactuar con nada, y aunque tuviera carga y pudiera reaccionar con algún fragmento de materia, nunca llegaría a convertirse en un agujero negro astronómico que pudiera comerse la Tierra.

Estas son las conclusiones a las que muchísimos científicos han llegado tras analizar cuidadosamente todos los escenarios posibles, incluso considerando posibles errores en sus teorías. Ahora bien, ¿es imposible que todos estén equivocados? No, claro. ¿está justificado pedir que se detenga el LHC? (como anuncia el link que Manu puso en un comentario). Las opiniones en ciencia cuentan poco, y la mía en este caso todavía menos, pero me parece un nuevo caso de ruido científico todavía más exagerado que los descritos en el artículo de Kabat. Un ejemplo buenísimo de la “amnesia de fuente” que comentamos en este post : Todos hemos oído que esto puede ocurrir, pero casi nadie recuerda dónde. De hecho es probable que muchos de los que ahora albergan dudas sobre la seguridad del LHC se hayan enterado a partir de alguno de los tantísimos desmentidos que se han publicado. Si realizáis una búsqueda en Internet, la inmensa mayoría de textos sobre el LHC y los agujeros negros son explicaciones de porqué tales temores son infundados (como la que añadía Rubén).

Pero es importante, porque la opinión pública cuenta mucho a la hora de tomar decisiones políticas. Por eso no querría interrumpir la discusión del post anterior con uno nuevo de temática diferente, sino continuarla y quizás ampliar la reflexión sobre el origen de estas “desconfianzas a lo desconocido", aun cuando los científicos nos aseguran que no debemos preocuparnos. Reconozco que tenía el tema guardado desde que leí en este mismo periódico electrónico un artículo sobre los peligros del wifi, petición de regresar a los cables incluida…

Nota añadida:

Le pedí a Gonzalo Merino, físico que participa en el LHC y autor del post anterior, que nos diera su visión sobre el riesgo que suponen los agujeros negros microscópicos sin comprometerle a escribir una entrada formal.
Aquí está su contundente respuesta:

Respecto a las especulaciones aparecidas en algunos medios acerca del posible peligro de que al encender el LHC se cree algún gran cataclismo y la tierra se destruya, simplemente diría que son totalmente falsas e infundadas. Estoy convencido que para rebatir los argumentos de carácter fatalista y supersticioso que esgrimen aquellos que profetizan que el LHC traerá el fin del mundo, lo mejor que podemos hacer es seguir haciendo lo que hacemos siempre: usar el razonamiento científico. No voy a tratar aquí de desgranar todos los argumentos científicos que se han recopilado para demostrar que las profecías cataclísmicas no son más que eso: supersticiones carentes de cualquier base científica. Este blog es un foro científico, y los que os conectáis y participáis en él lo hacéis porque tenéis intereses y sensibilidad por la ciencia. Por tanto, pienso que lo mejor es poner a vuestra disposición el siguiente enlace en el que podéis encontrar todos estos argumentos, descritos de forma entendible (en inglés, eso sí) pero con absoluto rigor científico:

http://public.web.cern.ch/Public/en/LHC/Safety-en.html

Para aquellos que os dé pereza seguir el enlace, o leer el texto en inglés, yo destacaría muy brevemente uno de los argumentos que, desde mi punto de vista, es definitivo. Las colisiones de partículas que provocaremos en el LHC una vez este se ponga en marcha, es un fenómeno que sabemos que ha sucedido (y sucede) en la naturaleza constantemente. Los rayos cósmicos son partículas que se producen en algún lugar del espacio, se aceleran hasta energías que pueden ser muy superiores a los 14 TeV que tendrán las colisiones del LHC, y que finalmente llegan a la Tierra donde interaccionan con la atmósfera. Desde que la Tierra existe, la naturaleza la ha bombardeado con tantos rayos cósmicos como si hubiéramos ya hecho un millón de LHCs. Lo que va a suceder en el LHC no es nada que la naturaleza no haya hecho ya, y siga haciendo, millones de veces. Y la tierra sigue existiendo.

Espero sinceramente que los argumentos científicos sean convincentes para todos vosotros. El LHC es el resultado del trabajo conjunto de decenas de países, que representan a millones de personas de todo el mundo. Sería lamentable que alguien se quedara con la idea de que responde al capricho de cuatro científicos egocéntricos, sólo por haber escuchado rumores de Apocalipsis sin fundamento.

Gonzalo Merino

Coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España

Port d’Informació Científica, Bellaterra (Barcelona)

La semana que viene empieza un experimento muy especial. Los científicos acelerarán protones hasta prácticamente la velocidad de la luz y harán que colisionen entre ellos generando la mayor concentración de energía nunca antes conseguida.
Con ello esperan descubrir nuevas partículas subatómicas, averiguar si existen otras dimensiones, de qué está hecha la materia oscura, cuál es el origen de la masa, qué ocurrió durante el Big Bang, porqué desapareció la antimateria, y si el modelo estándar utilizado por los físicos durante los últimos 40 años es correcto, o les tocará volver a empezar de cero.
Si me permito tal simplificación es porque a continuación os dejo con un fabuloso texto escrito para este blog por Gonzalo Merino, uno de los 6000 científicos que participan en este experimento,

Mensaje a los neófitos:
Muchos de los que empecéis a leer estas líneas no habréis oído nunca hablar de bosones de Higgs, de fermiones, o de partículas W. De verdad espero que esto no os cohíba. No pretendáis asimilar todos los detalles del texto a la primera, pero sí os animo a dedicarle un pequeño esfuerzo e intentar adquirir como mínimo una perspectiva general del LHC ¿Por qué me atrevo a sugeríroslo? Por dos razones.
Primera: El LHC no es un experimento cualquiera. Quedará inscrito en los libros de historia de la ciencia, y nosotros tenemos la oportunidad de seguirle la pista en directo. Durante los próximos 10 años oiremos hablar mucho del LHC y de los grandes enigmas de la física que quizás resolverá. Vale la pena empezar a familiarizarnos con él.
Segundo: El artículo que Gonzalo Merino nos ofrece es buenísimo. Está escrito con un lenguaje sencillo, sin más tecnicismos de los necesarios, y presenta los verdaderos aspectos clave a tener en cuenta para poder inmiscuirse en esta aventura.
No os robo más tiempo, os dejo con el texto y la posibilidad de utilizar los comentarios para transmitir vuestras dudas y entablar conversación directa con Gonzalo, investigador del CIEMAT y coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España en el PIC de Barcelona.

El Large Hadron Collider, por Gonzalo Merino

En el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN ), cerca de Ginebra, está a punto de ponerse en marcha el acelerador de partículas más potente del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC , por sus siglas en inglés). Según el reciente anuncio hecho por el laboratorio, el 10 de Septiembre será la fecha en la que se harán circular los primeros haces de partículas. La cuenta atrás ha comenzado.

La construcción del LHC ha sido una tarea titánica en la que han trabajado miles de físicos e ingenieros de más de 80 países durante 20 años y en la que se han invertido del orden de 7.000 millones de Euros.

La idea de este experimento parece en principio sencilla. Se trata de acelerar protones hasta que alcancen una energía muy alta, para entonces hacerlos chocar entre si y observar qué sucede. Visto así, no parece demasiado complicado.

Los protones se acelerarán hasta que alcancen un 99,999999% de la velocidad de la luz. Esto, en la jerga de los físicos de partículas, equivale a una energía de 7 TeV (7 mil millones de electronvoltios ). La energía total en cada colisión entre dos protones por tanto será de 14 TeV. Esta es la energía más alta jamás alcanzada por un colisionador de partículas construido por el hombre. Siete veces mayor que la del colisionador más potente actualmente operativo: el Tevatron en Fermilab , cerca de Chicago.

Para dar una idea intuitiva de esta escala de energía, a veces se explica que 1 TeV es aproximadamente la energía cinética que tiene un mosquito volando. Pero no creo que esta comparación ayude demasiado a hacerse una idea de lo que pasa en el interior del LHC. Para entender lo extraordinario de esta máquina hay que notar que en el LHC toda esta energía estará concentrada en un espacio extremadamente pequeño, ya que el tamaño de un protón es un trillón (un 1 seguido de 18 ceros) de veces menor que un mosquito. En definitiva, que la comparación es en si misma un reto a nuestra capacidad de abstracción: hay que tratar de estrujar un mosquito 18 órdenes de magnitud, sin que deje de volar, claro.

Para tratar de imaginar lo que sucede en el LHC creo que es mejor pensar en el origen del Universo. Al fin y al cabo, los físicos que trabajamos allí decimos muchas veces que eso es justamente para lo que sirve el LHC: para explorar los primeros instantes del Universo.

La teoría actual del origen del Universo nos dice que todo empezó con lo que se suele llamar la Gran Explosión (el Big Bang en inglés). Este apelativo metafórico nos incita a pensar en un instante inicial muy “ruidoso”, una especie de fuegos artificiales, pero el Big Bang empezó en silencio, y sería más adecuado imaginarlo como una “explosión” en la que se crean el espacio y el tiempo. Si tratamos de entender ese instante con la teoría de la Relatividad General nos encontramos con una singularidad, un universo primigenio en el que la temperatura y densidad eran infinitas. Estas condiciones extremas son imposibles de imaginar, por lo que seguramente indican que nuestras teorías no son válidas para extrapolar hasta el mismo momento inicial.

A partir de ese momento el Universo se empezó a expandir rápidamente y a medida que crecía su tamaño se iba “enfriando”, o lo que es lo mismo, la energía de las partículas que contenía disminuía. Cuando sólo había transcurrido una milmillonésima de segundo después del Big Bang, el universo tenía una temperatura aproximadamente 100.000 veces superior a la del Sol y las partículas fundamentales que lo habitaban chocaban constantemente entre ellas con energías aproximadamente de 14 TeV. Estas condiciones son precisamente las que se quieren reproducir en el LHC. Al hacer colisionar partículas a 14 TeV, lo que queremos es entender qué sucedía en el Universo sólo una milmillonésima de segundo después del Big Bang.

No deja de ser curioso que para “ver” el origen del Universo lo tengamos que hacer construyendo una máquina tan complicada en un túnel subterráneo en Ginebra. Pero es que conocer el pasado del Universo nunca ha sido tarea fácil. Sabrá tal vez el lector que cuando miramos hacia el espacio estamos viendo de hecho cómo era el Universo en el pasado, ya que la velocidad de la luz es finita y ésta tarda un cierto tiempo en llegar desde las estrellas hasta la Tierra. La otra forma que tenemos por tanto de explorar el origen del Universo es mirar objetos muy distantes en el espacio. Pero veremos que usando esta técnica nos acabaremos encontrado una barrera infranqueable que impedirá que nos acerquemos al Big Bang todo lo que nos gustaría. El LHC nos permitirá cruzar esa barrera y mostrarnos un Universo mucho más joven que el que jamás podremos ver mirando al espacio.

La luz más lejana que podemos detectar es la conocida como Radiación de Fondo de Microondas. Por este motivo cuando el satélite COBE primero y más recientemente WMAP analizaron con detalle esta radiación, los titulares de los periódicos dijeron que se había tomado una fotografía de “la infancia del Universo”. Esta Radiación de Fondo nos llega directamente desde un momento especial en la historia del Universo, cuando éste sólo tenía unos 380.000 años de edad. En aquel momento la temperatura era de aproximadamente 3.000 grados Kelvin, lo suficientemente baja como para que protones y electrones se combinasen para formar átomos neutros de hidrógeno. Como consecuencia de esto los fotones, hasta ese momento atrapados en la interacción con las partículas cargadas, pudieron recorrer el espacio libremente, sin obstáculos. Se dice que en este instante el Universo se volvió transparente. Antes de que esto sucediera, era opaco a la radiación electromagnética. Es por eso que la imagen directa más antigua que podemos obtener del Universo es la que nos muestra la Radiación de Fondo de Microondas.

Así pues podemos pensar en el LHC como una máquina del tiempo, que nos permitirá explorar el Universo tal y como era hace miles de millones de años, fracciones de segundo después del Big Bang, mucho antes de que se volviera transparente a la luz y nos permitiese fotografiarlo directamente con instrumentos como WMAP.

Construir una máquina que reproduce las condiciones del Universo cuando éste sólo tenía una milmillonésima de segundo de vida es una actividad interesante en si misma. Pero los gobiernos de decenas de países no se han gastado miles de millones de Euros sólo para ver cuánto eran capaces de acercarse al Big Bang. El interés del LHC es que, al reproducir esas condiciones extremas del Universo primordial, nos puede ayudar a responder algunas de las preguntas sobre cuáles son las leyes fundamentales de la naturaleza para las que aún no tenemos respuesta.

Actualmente sabemos que toda la materia que conocemos está formada por 12 piezas básicas que llamamos “partículas elementales” y que hay cuatro fuerzas distintas que describen las interacciones entre éstas: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitatoria. Podemos interpretar estas interacciones entre partículas de materia como el intercambio de otro tipo de partículas: las partículas portadoras de la fuerza. Así, cada una de las fuerzas fundamentales tiene su partícula portadora correspondiente. El portador de la fuerza nuclear fuerte es el “gluón”, el de la fuerza electromagnética es el “fotón” y las partículas W y Z son las responsables de la fuerza nuclear débil. Finalmente, aunque todavía no ha sido observado, el “gravitón” debería ser la partícula portadora de la fuerza gravitatoria.

Las partículas de materia y las de fuerza pertenecen a dos grupos bien diferenciados: las 12 que forman la materia son “fermiones” y las cuatro que son transmisoras de la fuerza son “bosones”. La diferencia entre ambos se encuentra en una propiedad cuántica de las partículas llamada espín, que se asocia al momento intrínseco de rotación de las mismas. Los fermiones (la materia) tienen espín fraccional mientras que los bosones (los portadores de las fuerzas) tienen espín entero.

Además de conocer cuáles son las partículas fundamentales, disponemos también de una teoría físico-matemática que describe de forma extremadamente precisa como interaccionan estas partículas mediante tres de las cuatro fuerzas: el Modelo Estándar . La fuerza gravitatoria, curiosamente la que estamos más acostumbrados a sentir en nuestro día a día, se resiste aún a ser descrita de forma unificada junto a las otras tres en una teoría global.

El Modelo Estándar nos proporciona la ecuación que, si dispusiéramos de suficiente capacidad de cálculo, nos debería permitir calcular todo lo que sucede en el Universo. Para que las matemáticas de esta teoría funcionen, sin embargo, es necesario que exista una nueva partícula que todavía no ha sido descubierta: el bosón de Higgs. Este nuevo elemento es el responsable de que todas las partículas tengan masa. Dicho de otro modo, con el bosón de Higgs la masa de cada partícula deja de ser un parámetro fundamental (puesto “a mano”) de la teoría y pasa a ser simplemente una medida de la intensidad de su interacción con los bosones de Higgs que la rodean y que llenan todo el espacio.

Si este bosón de Higgs existe, tal y como predice el Modelo Estándar, sabemos que ha de aparecer en el LHC. La teoría no nos dice exactamente dónde lo encontraremos, pero lo que sí nos dice de forma indirecta es que tiene que estar dentro del rango de energías que el LHC va a explorar. Por lo tanto, si el Higgs no aparece nos veremos obligados a aceptar que el Modelo Estándar, la teoría que tan bien ha funcionado en los últimos 40 años, es incorrecta y ha de mejorarse. Aun así esto no sería un fracaso, puesto que si sucede dispondremos de la máquina adecuada para guiarnos en la tarea de encontrar una nueva teoría: el LHC.

Más allá de descubrir el bosón de Higgs y completar así la pieza que parece faltar en nuestras ecuaciones, también esperamos que el LHC nos ayude a responder otras preguntas fundamentales para las que tampoco tenemos respuesta.

Para encontrar estas preguntas no hace falta que retrocedamos en el tiempo 13.700 millones de años. El Universo, tal y como lo vemos hoy en día con nuestros telescopios, muestra un aspecto totalmente misterioso para el que todavía no tenemos explicación. Varias observaciones astronómicas y cosmológicas indican que la materia que somos capaces de observar (planetas, estrellas, galaxias ...) representa tan sólo un 5% de todo el contenido del Universo. El 95% restante está formado por alguna substancia desconocida para nosotros, e invisible.

De hecho sabemos que no hay una sino dos sustancias misteriosas. La primera de ellas formaría aproximadamente el 25% del Universo y es la que llamamos “Materia Oscura”. Esta es materia que no interacciona con la fuerza electromagnética pero que tiene masa y por tanto nos permite detectar su efecto gravitatorio de atracción respecto a la materia visible. La segunda de estas substancias invisibles es la más misteriosa de las dos. Seguramente es por eso que han decidido bautizarla como “Energía Oscura”, al más puro estilo Star Wars. Sabemos que esta Energía Oscura supone el 70% de toda la energía del Universo.

Una hipótesis que se plantean algunos científicos es que la “Materia Oscura” esté formada por un nuevo tipo de partículas llamadas “supersimétricas”. Según la teoría de la Supersimetría, cada una de las partículas que hoy conocemos tendría una “compañera” supersimétrica idéntica pero con espín distinto: los súper-compañeros de los fermiones serian bosones, y viceversa. Uno de los atractivos de esta teoría es que, de forma natural, predice que las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte tenían la misma intensidad en algún momento en el pasado del Universo. De este modo, abre la puerta a la idea de que dichas fuerzas sean tan sólo diferentes manifestaciones de la que fue originalmente una única fuerza. Por otro lado, esta teoría predice la existencia de toda una colección de nuevas partículas (para cada partícula conocida, una nueva súper-compañera) que aún no han sido detectadas. El LHC podría ser la máquina que encuentre algunas de estas nuevas partículas supersimétricas y alguna de ellas, como el neutralino , podría reunir las condiciones necesarias para ser un candidato a formar la enorme cantidad de Materia Oscura que sabemos que contiene el Universo.

En cuanto a la Energía Oscura, prácticamente lo único que sabemos es que está distribuida de forma homogénea y genera una fuerza repulsiva que tiende a acelerar la expansión del Universo. Esta energía se suele asociar al vacío, sugiriéndonos que “el vacío” es muy distinto de “la nada”. Si tratásemos de hacer el vacío completo en un espacio, eliminando de él toda la materia y toda la radiación, ahora sabemos que al final nuestro vacío siempre contendría una cierta densidad de Energía Oscura intrínseca: vacío repeliendo al vacío.
No está claro hasta qué punto el LHC podrá dilucidar el misterio de la Energía Oscura. Tal vez exista alguna relación entre esta extraña forma de energía del vacío y el bosón de Higgs, o la supersimetría, y si es así seguramente el LHC nos ayudará a entenderla.

Hasta aquí hemos hablado de algunas de las cosas que se esperan descubrir con el LHC, pero casi no hemos explicado qué aspecto tiene la máquina. Este acelerador es un anillo formado por imanes superconductores situado en un túnel de 27 kilómetros de perímetro y enterrado 100 metros bajo tierra. La temperatura a la que operan los imanes es tan sólo de 1.9 grados Kelvin. Por lo tanto, el anillo del LHC estará más frío que el espacio exterior. Por este anillo se harán circular haces de protones en sentidos opuestos que se harán cruzar en cuatro puntos, generándose así mil millones de colisiones protón-protón por segundo. En estos puntos se han construido cuatro gigantescos detectores de partículas que servirán para registrar con gran precisión los productos de estas colisiones: ATLAS , CMS , LHCb y ALICE .

ATLAS por ejemplo es el mayor detector de partículas jamás construido, es tan grande como un edificio de cinco plantas. CMS es más compacto pero es el más pesado, con sus 12.500 Toneladas pesa casi el doble que la Torre Eiffel. Hay multitud de detalles técnicos en cada una de estas máquinas que las hacen apasionantes. La exploración de algunos de ellos la podemos dejar para otro post en el futuro.

Gonzalo Merino
Coordinador del centro Tier-1 de procesado de datos del LHC en España
Port d’Informació Científica, Bellaterra (Barcelona)
http://lhcatpic.blogspot.com

La teoría de cuerdas tiene un gancho tremendo. Te transporta a un mundo de 11 dimensiones, universos paralelos, y partículas formadas por cuerdecitas casi invisibles vibrando a diferentes frecuencias. Además, te dice que no se trata de analogías sino de la estructura más profunda de la realidad, y que ésta podría ser la teoria final que unificara por fin a toda la física.
¿Ciencia, matemáticas, filosofía, literatura? a mi me fascina. He leído artículos, visto documentales , charlado con expertos… y siempre termino placenteramente alienado, sumergido en un mundo abstracto que nuestro cerebro no está diseñado para asimilar.
Mi último cara a cara con la teoría de cuerdas fue en Nueva York hace unas semanas. Gracias al blog conocí a Sergio Lukic, un matemático que estudia la geometría de las dimensiones generadas por la teoría de cuerdas. Impresionante. Me impactó su sabiduría, capacidad comunicativa, y la cantidad de temas que Sergio era capaz de abordar. Durante dos intensas horas él hablaba y yo le interrumpía con mis dudas. Resultó tan gratificante, que le pedí que escribiera un texto de 1500 palabras para el blog.
Cuando lo recibí, vi que Sergio había cometido un "error" bastante común en algunos científicos cuando divulgan: Si les restringes el espacio, en lugar de eliminar conceptos los condensan. En dos páginas de Word Sergio habla de supercuerdas, teorema de Gödel, modelo estándar, branas, multiversos, LHC, matemáticas, elegancia, política científica, polémicas, filosofía de la ciencia… Aquellos que ya estéis familiarizados con estos asuntos disfrutaréis. Otros quizás os perdáis en algún momento ☹. Esto sería un pecado capital en un programa de TV o en un artículo convencional, pero no en un blog donde podéis hacer lo mismo yo en el Starbucks que nos conocimos: interrumpirle y preguntar. ☺
Os dejo con el texto de Sergio, y su ofrecimiento a responder todas vuestras preguntas sobre teoría de cuerdas, física fundamental, matemáticas, partículas, universos múltiples… que el tema no os intimide; dejaos llevar libremente por él.

Belleza matemática y quizá también ciencia, por Sergio Lukic

Pregunta a cualquier aficionado a la ciencia qué es lo último en física teórica, y lo más seguro es que te hable de la teoría de cuerdas. Para ser sólo un marco teórico especulativo (todavía candidato a teoría científica), se ha convertido en todo un boom dentro del mercado estadounidense de la información. En los últimos años han aparecido varios libros de divulgación discutiéndola [1-7], la prensa escrita publica regularmente artículos sobre ella [12], los internautas buscan en Google más veces "teoría de cuerdas" que "física cuántica" o "relatividad general" [8] . . . hasta ha aparecido un programa de televisión dedicado a divulgarla [9].

Esta teoría propone sustituir la noción de partícula puntual, que es la utilizada en los modelos de partículas elementales tradicionales, por la de una cuerdecita vibrante. Los diferentes modos de vibración de la cuerda se corresponderían con los diferentes tipos de partículas elementales. Cada cuerdecita sería de un tamaño minúsculo (10-35 metros = 0.00000000000000000000000000000000001 metros), tan pequeño que si dilatáramos una de esas cuerdas hasta llegar al tamaño de un átomo de hidrógeno, un ser humano sería tan grande como una galaxia espiral del tamaño de la Vía Láctea.
Uno de los problemas es que con la tecnología actual, no podemos saber si las partículas son realmente cuerdas o no. En la región del microcosmos a la que tenemos acceso experimental, las partículas elementales siguen pareciendo puntuales. Esto no significa que la teoría de cuerdas sea incorrecta, por ejemplo, el avance de la tecnología ha demostrado que en los aparentes "puntos luminosos" del cielo nocturno se esconden objetos muy complejos (planetas, estrellas, galaxias . . .). La única forma de probar la teoría es de forma indirecta, a través de sus consecuencias en la región del microcosmos a la que sí tenemos acceso. Una de esas consecuencias, quizá la más elegante, es que uno de los modos de vibración fundamentales de la cuerda es el de una partícula que transmite la fuerza de la gravedad. En el límite macroscópico de la teoría, las ecuaciones que gobiernan las interacciones de estados colectivos de cuerdas en ese "modo de vibración", se corresponden con las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. En otras palabras, la teoría de cuerdas provee la única teoría microscópica de la gravedad que se conoce.

(Representación pictórica de cuerdas microscópicas interactuando)

Desde la aparición de la mecánica cuántica, el problema de construir una teoría cuántica de la gravedad que provea una descripción microscópica de la teoría de Einstein, se ha convertido en uno de los problemas más difíciles en la historia de la física teórica. La teoría de cuerdas resuelve ese y algunos otros problemas, aunque el precio a pagar es la aparición de muchísimos otros todavía no resueltos.



Los otros problemas y la belleza matemática


Hoy por hoy, dentro del rango de escalas microscópicas al que tenemos acceso, los fenómenos observados entre partículas elementales y sus interacciones son descritos por el modelo estándar de partículas y la teoría de la gravedad de Einstein. El modelo estándar asume, entre otras cosas, que las partículas son objetos puntuales. La estructura matemática del modelo es muy sofisticada: describe partículas que distinguen izquierda de derecha, partículas con propiedades estadísticas muy diferentes (fermiones y bosones), además contiene muchísimos elementos de teoría de grupos, integrales en espacios de dimensión infinita, y un largo etcétera.
Durante el desarrollo inicial de la teoría de cuerdas (1968-1984) quedó claro que las únicas formulaciones de la teoría que pueden describir la complejidad del modelo estándar, son las que tienen lugar en un espaciotiempo de 10 dimensiones (9 espaciales y 1 temporal). Por la misma razón, es necesario postular un nuevo tipo de simetría espaciotemporal conocida como supersimetría. La supersimetría relaciona las partículas fermión con las bosón. Cada partícula en la naturaleza es un bosón o un fermión; los quarks, electrones y neutrinos son fermiones, y los fotones y la partícula de Higgs bosones. Una de las implicaciones físicas de la supersimetría es que dobla el número de partículas conocidas, es decir, por cada fermión (respectivamente bosón) habría un bosón (fermión) que todavía no se ha detectado.

El requerir 6 dimensiones extra y supersimetría se puede interpretar como predicciones de la teoría [1,2,4,6] o como problemas de la misma [3,5,7], dependiendo del punto de vista. Un problema en el que están de acuerdo defensores y detractores, es la aparente variedad de teorías de cuerdas. Se conocen cinco tipos de teorías de cuerdas: la tipo I, la IIA, la IIB, la heterótica HO y la heterótica HE. Cada una daría lugar a diferentes fenómenos observables en la región del microcosmos que podemos acceder experimentalmente. Además, la innumerable variedad de formas de compactificar las seis dimensiones extra daría lugar a una cantidad mucho mayor de modelos que describen universos totalmente distintos.

En el proceso de entender cuales de esos modelos se asemejan al universo en que vivimos, han aparecido varias ideas matemáticas que arrojan luz sobre la elegancia de la teoría de cuerdas. Por ejemplo, en el universo que observamos hay tres dimensiones de espacio y una de tiempo; la única forma de que hubiera seis dimensiones extra es que éstas estuvieran "enrolladas" a escalas microscópicas. De la misma forma que un cable fino, el cual puede parecer una línea unidimensional, es una superficie bidimensional con la dimensión que describe su grosor "enrollada", la física que observamos dependería de las formas geométricas que contienen las seis dimensiones enrolladas (o compactificadas). Las matemáticas que describen la compactificación son muy elegantes. Hay matemáticas abstractas que fueron desarrolladas por motivos puramente estéticos, cercanos a la teoría de números y sin aparente conexión con física teórica, que ahora forman parte de la tecnología matemática que utilizan los teóricos de cuerdas. Matemáticos reconocidos mundialmente por sus contribuciones en matemáticas fundamentales, hoy trabajan en problemas de teoría de cuerdas. Y viceversa, estructuras matemáticas encontradas por teóricos de cuerdas han despertado tanto interés en el mundo de las matemáticas que han aparecido nuevas áreas de investigación entorno a ellas.



La polémica


Los espacios de Calabi-Yau, las branas y sus cargas, las cuerdas-instantón, los instantones, los fibrados estables, etc. son algunos de los conceptos asociados a la geometría que describe las dimensiones compactificadas. Hay evidencia de que el espacio descrito por todas esas posibles configuraciones geométricas, contendría muchísimos puntos que describen modelos semejantes a nuestro universo. Algunos teóricos de cuerdas proponen que todas esas configuraciones existen objetivamente en lo que llaman el multiverso. Combinado con el principio antrópico, dicho grupo de teóricos dice explicar porqué la constante cosmológica observada es tan pequeña. Simplificando, su argumento dice: "casi todas las configuraciones del multiverso corresponden a universos en el que la vida no es posible; obviamente nosotros vivimos en un universo de ese multiverso en el que la vida sí es posible; un análisis estadístico en el multiverso implica que lo más probable es que un universo donde la vida sea posible tenga una constante cosmológica pequeña y positiva" [6].

(Representación pictórica del multiverso)

La principal crítica que está recibiendo la teoría [5,7] es que es incapaz de predecir nada. Peor aún, "ni siquiera se puede demostrar que la teoría sea incorrecta" dice Peter Woit, matemático de la universidad de Columbia. Los críticos denuncian que visiones como las del paisaje cósmico o la del multiverso [6] son tan flexibles que "todo vale": cualquier cosa que se descubra empíricamente se podrá explicar a posteriori con teoría de cuerdas, por que ésta contiene una cantidad enorme de posibilidades [7]. Otros críticos más radicales acusan a la teoría de palabrería sin contenido y de ciencia postmoderna [3]. A nivel político, Lee Smolin, un físico teórico del Perimeter Institute, denuncia que el poder que tienen los teóricos de cuerdas en las agencias federales de los Estados Unidos para financiar su investigación es desmesurado e injustificado [5].
Otros físicos defienden que la teoría todavía no está entendida correctamente y que es precipitado sacar conclusiones. Faltan muchos puzzles por resolver. Por ejemplo, hay evidencia de que las diversas teorías de cuerdas son límites diferentes de una teoría más profunda conocida como teoría M (donde M se refiere a Matriz, Misterio, Madre. . .). Sin embargo, formular en qué consiste exactamente esta teoría M se está convirtiendo en uno de esos proyectos a largo plazo donde no está claro que el "a largo plazo" no sea lo mismo que ilimitado. Al día de hoy aquel que quiera entender la teoría sólo aspira a conseguir un conocimiento parcial de la misma. Puede que la formulación completa de teoría M nunca esté al alcance del ser humano. Stephen Hawking es de esa opinión, y comentó al respecto: "alguna gente estará muy decepcionada si no existe una teoría final (refiriéndose a teoría M) que pueda ser formulada utilizando un número finito de principios físicos. Yo solía pertenecer al grupo de gente que pensaba que sí era posible, pero he cambiado de pensamiento", [10]. El premio nobel de física Freeman Dyson opina de forma similar: "El teorema de Gödel implica que las matemáticas son inagotables. Da igual cuantos problemas resolvamos, porque siempre habrá otros problemas que no pueden ser resueltos dentro de los mismos marcos teóricos. [...] Por el teorema de Gödel, la física también es inagotable. Las leyes de la física consisten en conjuntos finitos de principios y reglas racionales, incluyendo teorías matemáticas, por lo que el teorema de Gödel también aplica a las leyes de la física", [11].
Al margen del proyecto monumental en que consiste entender la teoría de cuerdas y la teoría M, la comunidad de físicos de partículas espera sorpresas durante los próximos años. El nuevo acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) en CERN (Ginebra, Suiza) empezará a funcionar a finales de año [14] . El LHC es el mejor instrumento disponible para explorar regiones del microcosmos antes desconocidas. Qué veremos en el LHC y como se explicarán esos descubrimientos son las dos grandes cuestiones a seguir durante los próximos años. Desde la teoría de cuerdas hay esperanzas en descubrir supersimetría y/o dimensiones extra; lo que nadie ha predicho es si dichos fenómenos son perceptibles dentro del rango de microdistancias que el LHC puede explorar. La conclusión es que el LHC puede encontrar evidencia a favor de la teoría de cuerdas, aunque no tiene porqué encontrarla; lo difícil será que aparezca evidencia en contra.


Paralelo al avance científico, otro fenómeno interesante es el de la transformación social que está sufriendo el mundo de la ciencia. En ésta época de la historia de la física en la que un experimento puede involucrar cantidades enormes de recursos, una financiación de miles de millones de euros [14], equipos de varios miles de científicos, niveles de especialización y división de la labor sin precedentes [13]… estamos viendo un aumento inevitable en la politización de la ciencia. La división entre físico experimental y físico teórico se está sustituyendo por cadenas de producción de conocimiento con diversos grados en la división de la labor y en la dirección de los proyectos. Está por ver como muchos de los valores científicos, que tradicionalmente han sido defendidos por minorías de individuos (p.ej. la búsqueda desinteresada de la verdad, el escepticismo extremo. . .), sobrevivirán a las consecuencias de dicha politización.

Refererencias

[1] Brian Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, W. W. Norton & Company, 2003.
[2] Brian Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality, Knopf, 2004.
[3] John Horgan, The End of Science: Facing the Limits of Knowledge in the Twilight of the Scientific Age, Addison Wesley, 1996.
[4] Lisa Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions, Harper Perennial, 2006.
[5] Lee Smolin, The Trouble With Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next, Houghton Mifflin, 2006.
[6] Leonard Susskind, The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design, Back Bay Books, 2006.
[7] Peter Woit, Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law, Basic Books, 2007.
[8] Comparación del volumen de búsqueda de la frase "teoría de cuerdas" en Google Trends.
[9] Nova, PBS, The Elegant Universe, 2004. http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/
[10] Charla de Stephen Hawking en "Strings 02", Cambridge University, 2002. http://www.damtp.cam.ac.uk/strings02/dirac/hawking/
[11] Freeman Dyson, The New York Review of Books, 13 de Mayo del 2004.
[12] Por ejemplo, artículos en The New York Times, Time magazine, The New Yorker. . .
[13] http://www.nature.com/naturejobs/2006/060713/full/nj7099-218a.html
[14] http://ngm.nationalgeographic.com/2008/03/god-particle/achenbach-text