Stephen Hawking: Una Teoría Unificada del Todo

Discurso de Stephen Hawking en Abril del 2008 en la Universidad de Toronto sobre la posibilidad de encontrar una teoría del todo. Según Stephen Hawking hay una posibilidad del 50% de encontrar una teoría completa de unificación.

El 29 de abril de 1980, di mi conferencia inaugural como profesor de matemáticas de la cátedra Lucasiana en Cambridge. El título era: «¿Está a la vista el fin de la Física Teórica? y en ella describí el progreso que ya habíamos experimentado en el entendimiento del universo durante los últimos siglos, al mismo tiempo que me preguntaba cuales eran las posibilidades de encontrar finalmente una teoría completa y unificada del todo hacia finales de siglo. Bien, el final del siglo ya está casi aquí. Aunque hemos recorrido un largo camino, particularmente durante los últimos 3 años, no parece que vayamos a conseguirlo.

En mi lectura de 1980 describí como habíamos dividido el problema de encontrar una teoría del todo en un número de partes más manejables. Primeramente habíamos dividido la descripción del universo que nos rodea en dos partes. La primera de ellas es un conjunto de leyes locales que nos dicen como evoluciona cada región del universo en el tiempo si sabemos su estado inicial, y cómo es afectada por otras regiones.

La otra parte consta de un conjunto de lo que denominamos condiciones límite. Estas, especifican lo que sucede en el borde del espacio y el tiempo. Ellas determinan cómo empezó el universo, y quizás, cómo va a terminar. Mucha gente, incluyendo probablemente a la mayoría de los físicos, sienten que las tareas de la física teórica deberían estar confinadas a la primera parte, es decir a formular leyes locales que describan cómo evoluciona el universo a medida que el tiempo transcurre. Ellos considerarían la cuestión del cómo se determinó el estado inicial como algo que va más allá del ámbito de la física, perteneciendo al reino de la metafísica o la religión.

Pero yo soy un desvergonzado racionalista. En mi opinión las condiciones límite que determinan el estado inicial del universo son una materia tan legítima y sujeta al escrutinio de los científicos como lo son las leyes que gobiernan su evolución posterior.

A principios de la década de los 60, las fuerzas que los físicos conocían se clasificaron en cuatro categorías que parecerían estar separadas e independizadas entre si. La primera de las cuatro categorías era la de la fuerza gravitatoria, la cual es portada por una partícula llamada gravitón.

La gravedad es, con mucho, la más débil de las cuatro fuerzas. Sin embargo, corrige su baja potencia mediante la posesión de dos importantes propiedades.

La primera es que es universal, es decir, afecta a cada partícula del universo en la misma forma. Todos los cuerpos se atraen entre si. Ninguno deja de sentirse afectado o repelido por la gravedad. La segunda propiedad importante de la fuerza gravitatoria es que puede operar a través de largas distancias. Juntas, estas dos propiedades significan que las fuerzas gravitatorias entre las partículas de un cuerpo grande se suman entre si, y pueden dominar por encima de las otras fuerzas.

La segunda de las cuatro categorías en las que se dividen las fuerzas corresponde a la fuerza electromagnética, la cual es portada por una partícula llamada fotón. El electromagnetismo, es un millón de billones de billones de billones de billones más poderoso que la fuerza gravitatoria, y al igual que la gravedad, puede actuar a través de grandes distancias. Sin embargo, al contrario que la gravedad, no actúa en todas las partículas de la misma forma. Algunas partículas son atraídas por ella, otras no son afectadas y otras son repelidas.

La atracción y repulsión entre las partículas en dos cuerpos grandes anulará cada una casi exactamente, al contrario que las fuerzas gravitatorias entre las partículas, que sería atractiva con todas. Esto explica que nos caigamos hacia el suelo, y no hacia el aparato de televisión. Por otro lado, en la escala de las moléculas y los átomos, con solo un relativamente pequeño número de partículas, las fuerzas electromagnéticas dominan completamente a las gravitatorias. En la escala aún más pequeña de los núcleos atómicos, es decir la trillonésima parte de un centímetro, la tercera y cuarta categorías: las fuerzas nucleares débil y fuerte, dominan al resto de fuerzas.

La gravedad y el electromagnetismo se describen en función de lo que llamamos teorías de campos, en las que hay un conjunto de números en cada punto del espacio y tiempo que determinan las fuerzas gravitatoria y electromagnética.

Cuando yo empecé a investigar en 1962, se creía generalmente que las fuerzas nuclear débil y fuerte no podían ser descritas por una teoría de campo. Pero los informes de la muerte de la teoría de campos demostraron ser una exageración. Un nuevo tipo de teoría de campos fue presentada por Chen Ning Yang y Robert Mills.

En 1967, Abdus Salam y Steven Weinberg demostraron que una teoría de este tipo no solo describiría las fuerzas nucleares débil y fuerte sino que también podría unificarlas con la fuerza electromagnética. Recuerdo que la mayoría de los físicos trataron con desprecio a esta teoría de campo. Sin embargo, concordaba tan bien con los experimentos que en 1979 se le otorgó el Premio Nóbel a Salam, Weinberg y Glashow, que habían propuesto teorías unificadas similares.

El comité del Nóbel realmente se arriesgó con su decisión ya que la confirmación final de la teoría no llegaría hasta 1983, con el descubrimiento de las partículas W y Z. (Siento la pronunciación de W y Z, sobre todo para aquellos que son británicos y no usan un sintetizador de voz americano).

El éxito provocó la búsqueda de una sola teoría de «gran unificación» de Yang-Mills que describiese a los tres tipos de fuerza. Las teorías de gran unificación no son muy satisfactorias. En realidad, su nombre es básicamente una exageración. No son realmente grandes ya que contienen al menos 40 números que no pueden predecirse con antelación sino que tienen que ajustarse para que casen con los experimentos. Se podría esperar que la teoría final del universo sea única y que no contenga cantidades ajustables. ¿Cómo va a ser que estos valores sean elegidos?

Pero la objeción más poderosa a las grandes teorías de unificación era que no estaban unificadas completamente. No incluían a la gravedad y no existía ninguna forma aparente de ampliarlas de modo que lo hicieran. Pudiera ser que no existiera una única teoría fundamental. En lugar de eso, podría haber una colección de teorías aparentemente diferentes, cada una de las cuales funcionaría bien en ciertas situaciones.

Las teorías diferentes concordarían entre si en aquellas regiones de validez en la que se superpusieran. Por ello, podrían ser contempladas como aspectos diferentes de la misma teoría. Pero tal vez no existiese una única formulación de la teoría que pudiese aplicarse en todas las situaciones.

Podemos comparar la física teórica al hecho de cartografiar la Tierra. Se puede representar exactamente una pequeña región de la superficie de la tierra, en forma de mapa, en una hoja de papel. Pero si se intenta hacer un mapa de una región más grande se obtendrían distorsiones debido a la curvatura de la Tierra. No es posible representar cada punto de la superficie de la Tierra en un único mapa. En lugar de ello, usamos una colección de mapas que concuerdan en aquellas regiones donde se superponen.

Como dije, incluso si encontramos una teoría unificada completa, tanto con una única formulación, como con una serie de teorías superpuestas, solo habremos solucionado la mitad del problema. La teoría unificada nos dirá como evoluciona el universo en el tiempo dado un estado inicial. Pero la teoría no especificará en si misma las condiciones límites en el borde del espacio y el tiempo que determinan el estado inicial. Esta cuestión es fundamental para la cosmología. Podemos observar el estado presente del universo, y podemos usar las leyes de la física para calcular cómo pudo ser en épocas anteriores.

Pero todo lo que esto nos dice es que el universo es ahora como es, porque entonces era como era. No podemos entender por qué el universo tiene el aspecto que tiene a no ser que la cosmología se convierta en una ciencia, en el sentido de que pueda hacer predicciones. Y para hacer esto necesitamos una teoría de las condiciones límite del universo.

Ha habido varias sugerencias para las condiciones iniciales del universo, tales como la hipótesis del túnel y el así llamado escenario pre-big bang. Pero en mi opinión, la más elegante, con mucho, es la que Jim Hartle y yo llamamos la propuesta de no-límites. Esta puede enunciarse como: la condición de límite del universo es que no tiene límite. En otras palabras, el espacio y el tiempo imaginario unidos se curvan hacia atrás sobre si mismos de modo que forman una superficie cerrada como la superficie de la Tierra, pero con más dimensiones. La superficie de la Tierra tampoco tiene límites. No existen informes fiables de que alguien haya caído en el abismo del fin del mundo.

La condición de no-límite y las otras teorías son simplemente proposiciones para las condiciones de límite del universo. Para probarlas tenemos que calcular que predicciones pueden extraerse de ellas y compararlas con las nuevas observaciones que están empezando a hacerse. De momento, las observaciones no son lo bastante buenas como para distinguir entre estas diferentes clases de mapa.

Pero en los próximos años, se acometerán nuevas observaciones que podrán salvar esta cuestión. La cosmología vive un período excitante. Apuesto mi dinero por la condición de no-límite. Se trata de una explicación tan elegante que estoy seguro que Dios la habría elegido.

El progreso efectuado con los intentos de unificar la gravedad con el resto de fuerzas ha sido enteramente teórico. Esto ha llevado a alguna gente como al físico John Horgan a afirmar que la física esta muerta porque se ha convertido simplemente en un juego matemático, no relacionado con la experimentación. Pero yo no estoy de acuerdo. Aunque no podamos producir partículas de la energía de Planck – la energía a la cual la gravedad se unificaría con las otras fuerzas – existen predicciones que pueden ser verificadas a niveles más bajos de energía.

El Super Colisionador Superconductor que estaba siendo construido en Texas podría haber alcanzado esas energías pero fue cancelado cuando los Estados Unidos iniciaron una fase de recesión económica. De modo que tendremos que esperar a que se concluya el Gran Colisionador de Hadrones que está siendo construido en Ginebra.

Asumiendo que los experimentos de Ginebra confirmen la teoría actual, ¿cuáles son las perspectivas de completar una teoría unificada? En 1980 dije que pensaba que había una oportunidad del 50% de encontrar una teoría completa de unificación durante los siguientes 20 años. Esa es aún mi estimación, pero los próximos 20 años empiezan ahora. Volveré dentro de otros 20 años para decirles si lo hemos conseguido.

El profesor Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge habló para un teatro abarrotado en el Salón de Convocatorias el 27 de Abril. El evento estuvo patrocinado por la Global Knowledge Foundation.

Fuente: Emilio Gonzalez – astroseti.org