Se rumorea que Albert Einstein pasó sus últimas horas en la Tierra garabateando algo en un papel en un último intento de formular una teoría del todo. Unos 60 años después, otra figura legendaria de la física teórica, Stephen Hawking, puede haber fallecido con pensamientos similares. Sabemos que Hawking pensó que algo llamado "teoría M" es nuestra mejor apuesta para una teoría completa del universo. ¿Pero, qué es esto?

Desde la formulación de la teoría de la relatividad general de Einstein en 1915, Todo físico teórico ha estado soñando con reconciliar nuestra comprensión del mundo infinitamente pequeño de átomos y partículas con la de la escala infinitamente grande del cosmos. Si bien este último está efectivamente descrito por las ecuaciones de Einstein, el primero es predicho con extraordinaria precisión por el llamado Modelo Estándar de interacciones fundamentales.

Nuestro conocimiento actual es que la interacción entre objetos físicos se describe mediante cuatro fuerzas fundamentales. Dos de ellos, la gravedad y el electromagnetismo, son relevantes para nosotros a nivel macroscópico, los tratamos en nuestra vida diaria. Los otros dos, denominadas interacciones fuertes y débiles, actúan en una escala muy pequeña y se vuelven relevantes solo cuando se trata de procesos subatómicos.

El modelo estándar de interacciones fundamentales proporciona un marco unificado para tres de estas fuerzas, pero la gravedad no se puede incluir de manera consistente en esta imagen. A pesar de su descripción precisa de fenómenos a gran escala como la órbita de un planeta o la dinámica de las galaxias, la relatividad general se quiebra a distancias muy cortas. Según el modelo estándar, todas las fuerzas están mediadas por partículas específicas. Por gravedad, una partícula llamada gravitón hace el trabajo. Pero al intentar calcular cómo interactúan estos gravitones, aparecen infinitos sin sentido.

Una teoría consistente de la gravedad debería ser válida a cualquier escala y debería tener en cuenta la naturaleza cuántica de las partículas fundamentales. Esto acomodaría la gravedad en un marco unificado con las otras tres interacciones fundamentales, proporcionando así la célebre teoría del todo. Por supuesto, desde la muerte de Einstein en 1955, Se ha avanzado mucho y hoy en día nuestro mejor candidato se conoce con el nombre de teoría M.

Revolución de cuerdas

Para comprender la idea básica de la teoría M, hay que remontarse a la década de 1970 cuando los científicos se dieron cuenta de que, en lugar de describir el universo basado en partículas puntuales, podría describirlo en términos de diminutas cuerdas oscilantes (tubos de energía). Esta nueva forma de pensar sobre los componentes fundamentales de la naturaleza resultó resolver muchos problemas teóricos. Sobre todo, una oscilación particular de la cuerda podría interpretarse como un gravitón. Y a diferencia de la teoría estándar de la gravedad, la teoría de cuerdas puede describir sus interacciones matemáticamente sin obtener infinitos extraños. Por lo tanto, la gravedad finalmente se incluyó en un marco unificado.

Después de este emocionante descubrimiento, Los físicos teóricos dedicaron mucho esfuerzo a comprender las consecuencias de esta idea fundamental. Sin embargo, como suele suceder con la investigación científica, la historia de la teoría de cuerdas se caracteriza por altibajos. En primer lugar, la gente estaba perpleja porque predijo la existencia de una partícula que viaja más rápido que la velocidad de la luz, apodado un "taquión". Esta predicción contrastaba con todas las observaciones experimentales y arrojaba serias dudas sobre la teoría de cuerdas.

Sin embargo, este problema se resolvió a principios de la década de 1980 mediante la introducción de algo llamado "supersimetría" en la teoría de cuerdas. Esto predice que cada partícula tiene una supercompañera y, por una extraordinaria coincidencia, la misma condición elimina realmente el taquión. Este primer éxito se conoce comúnmente como "la primera revolución de las cuerdas".

Otra característica sorprendente es que la teoría de cuerdas requiere la existencia de diez dimensiones espaciotemporales. En la actualidad, solo sabemos de cuatro:profundidad, altura, ancho y tiempo. Aunque esto pueda parecer un gran obstáculo, Se han propuesto varias soluciones y hoy en día se considera como una característica destacable, en lugar de un problema.

Por ejemplo, de alguna manera podríamos vernos obligados a vivir en un mundo de cuatro dimensiones sin ningún acceso a las dimensiones adicionales. O las dimensiones adicionales podrían "compactarse" a una escala tan pequeña que no las notamos. Sin embargo, diferentes compactaciones conducirían a diferentes valores de las constantes físicas y, por lo tanto, diferentes leyes de la física. Una posible solución es que nuestro universo es solo uno de muchos en un "multiverso" infinito, regido por diferentes leyes de la física.

Esto puede parecer extraño pero muchos físicos teóricos están adoptando esta idea. Si no está convencido, puede intentar leer la novela Flatland:un romance de muchas dimensiones de Edwin Abbott, en el que los personajes se ven obligados a vivir en dos dimensiones espaciales y son incapaces de darse cuenta de que existe una tercera.

Teoría M

Pero quedaba un tema urgente que preocupaba a los teóricos de cuerdas en ese momento. Una clasificación exhaustiva mostró la existencia de cinco teorías de cuerdas consistentes diferentes, y no estaba claro por qué la naturaleza elegiría uno de cada cinco.

Aquí es cuando la teoría M entró en juego. Durante la segunda revolución de la cuerda, en 1995, Los físicos propusieron que las cinco teorías de cuerdas consistentes son en realidad solo caras diferentes de una teoría única que vive en once dimensiones del espacio-tiempo y se conoce como teoría M. Incluye cada una de las teorías de cuerdas en diferentes contextos físicos, pero sigue siendo válido para todos ellos. Esta imagen extremadamente fascinante ha llevado a la mayoría de los físicos teóricos a creer en la teoría M como la teoría del todo; también es matemáticamente más consistente que otras teorías candidatas.

Sin embargo, Hasta ahora, la teoría M ha tenido dificultades para producir predicciones que puedan probarse mediante experimentos. La supersimetría se está probando actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones. Si los científicos encuentran evidencia de supercompañeras, eso, en última instancia, fortalecería la teoría M. Pero sigue siendo un desafío para los físicos teóricos actuales producir predicciones comprobables y para los físicos experimentales establecer experimentos para probarlas.

La mayoría de los grandes físicos y cosmólogos están motivados por la pasión de encontrar esa belleza, descripción simple del mundo que puede explicarlo todo. Y aunque todavía no hemos llegado a ese punto, no tendríamos ninguna oportunidad sin el afilado, mentes creativas de personas como Hawking.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.