Físico surfista busca Teoría del TODO ( I )

Un físico norteamericano independiente y surfista, llamado Garrett Lisi, parece que está dando mucho que hablar desde que, el 6 de noviembre del año pasado, colgara un trabajo de 30 páginas llamado "Una excepcionalmente simple teoría del Todo", en la página web arXiv.org de la Universidad de Cornell, donde se pueden aportar y leer libremente trabajos inéditos sobre física, matemáticas, computación , biología, etc. La base matemática de su teoría la ha encontrado en el llamado E8, el mayor de los grupos de Lie simples excepcionales, que se "manifestó" por primera vez en 1889 ante los ojos incrédulos del matemático Wilhelm Killing que estudiaba las llamadas álgebras de Lie. Curiosamente, a pesar de la expectación despertada, la posible conexión entre este grupo y una futura teoría del TODO no es ninguna novedad. Se pueden encontrar artículos de divulgación de hace como 15, 20 años, o más, donde se habla sobre las grandes esperanzas depositadas en este excepcional, extraordinariamente simétrico, y compacto grupo.

La variedad de partículas elementales que se encontraron a lo largo del siglo pasado, necesitó del uso de simetrías para entender las relaciones entre ellas. Una simetría existe cuando la expresión matemática de las leyes de la física es independiente o invariante del sistema de referencia, ya sea espacio-temporal o del espacio abstracto donde varían los números cuánticos que caracterizan a las partículas. Y el lenguaje apropiado para manejar simetrías es la teoría de grupos.

Existen simetrías de tipo general y otras de tipo local, en las que se exige que las transformaciones que forman el grupo correspondiente varíen de punto a punto en el espacio cuatridimensional cotidiano. A estas simetrías se les denomina simetrías de norma o gauge y para que sean exactas se requiere la existencia de campos que representan las fuerzas. Campos asociados a partículas cuyo intercambio entre las partículas ordinarias son la causa de las interacciones: en la interacción electromagnética esas partículas son los fotones, consecuancia de la simetría gauge asociada al grupo llamado U(1). Las interacciones débiles junto con las electromagnéticas resultan de la simetría gauge SU(2) X U(1), y las interacciones entre quarks de una simetría gauge SU(3) que opera en el espacio tridimensional llamado de color.

Garrett Lisi ha encontrado un mecanismo, todavía no verificado y no exclusivo, por el que las matemáticas subyacentes en todas las fuerzas y sus partículas fundamentales asociadas quedan incluidas en el marco matemático del E8, el mayor de los grupos de Lie simples (de ahí que titule su teoría como "excepcionalmente simple"). También aporta una solución (no la solución) para el problema de la gravedad cuántica y predice el número exacto de partículas fundamentales, sus propiedades y sus masas, la naturaleza del espacio-tiempo y la constante cosmológica. Sin embargo, su teoría dista de ser completa, no es definitiva sobre la cuestión de la gravedad cuántica y sobre todo trata de explicar a posteriori, sin demostrar que las soluciones encontradas son únicas y las que, ineludiblemente, tuvo que adoptar nuestro universo. Así y todo, hay opiniones serias y positivas sobre las posibilidades de su teoría, en principio más sencilla que la teoría de cuerdas, pues no serían necesarias las dimensiones extras sino sólamente las cuatro dimensiones espacio-temporales conocidas.

Predice una serie de partículas alguna de las cuales se podría encontrar en los proximos experimentos del acelerador LHC (Gran Colisionador de Hadrones). Sería un serio indicador de que la teoría apunta hacia el camino correcto.


Continuará...

El universo elegante

Según Einstein, la teoría de la relatividad general era demasiado hermosa para ser errónea. Mediante el principio de equivalencia extendió la sencilla simetría por la que las leyes de la física son idénticas para todos los observadores, en cualquier tiempo y lugar del universo, al caso en que dichos observadores se encuentran sujetos a movimientos acelerados. De Hecho, un observador con movimiento acelerado puede opinar que él, en realidad, está en reposo y la aceleración que experimenta es debida a un campo gravitatorio. Los efectos son completamente equivalentes.

En esa base tan simple y elegante descansa la teoría más bella y poderosa que tenemos sobre la gravedad. En cierta forma, la gravedad refuerza la simetría, garantiza que todos los puntos de vista de los observadores, todos los marcos de referencia posibles, tienen igual validez. Las fuerzas nuclear fuerte, débil y electromagnética también están conectadas con simetrías pero, en este caso son más abstractas que las asociadas a la gravedad, requieren de espacios más complejos y extendidos. Al igual que, en la relatividad general, la simetría entre todos los posibles puntos ventajosos de observación requiere la existencia de la fuerza gravitatoria, el resto de las fuerzas es necesaria para que el universo abarque simetrías especiales. Estas simetrías, llamadas gauge, fueron desarrolladas primero por Hermann Weyl en la década de 1920 y por Chen_Ning Yang y Robert Mills en la década de 1950 y son la base del esfuerzo de los físicos en lograr la unificación de las cuatro fuerzas fundamentales.

Con el nacimiento de la teoría de cuerdas se logró un avance importantísimo, un principio de compatibilidad entre las dos grandes teorías actuales de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica que parecían incompatibles. La presunción de que las partículas no eran puntuales sino el resultado de una cuerda vibrante, eliminaba los molestos infinitos asociados a los campos cercanos a las partículas puntuales, además introducía de forma natural a la partícula mensajera de la gravedad: el gravitón, una partícula de masa cero y spin 2, predicha por la relatividad general. La teoría de cuerdas resultaba ser una teoría cuántica y gravitatoria.

Desde los comienzos de la teoría de cuerdas, como una especie de entelequia matemática para explicar las interacciones entre los componentes de los hadrones (nucleones, como protón y neutrón), hasta su proliferación en cinco tipos diferentes de teorías y el nacimiento de la teoría M que las engloba, la aventura científica que supone ha cautivado a miles de científicos de todo el mundo. Involucra la física con las matemáticas más abstractas, que todavía no han sido descubiertas, y en esa intrincada andadura encontramos a un verdadero genio en ambas disciplinas: Edward Witten. En el camino se ha encontrado una extraña simetría llamada dualidad T, o de radio grande/radio pequeño, por la cual las propiedades físicas de cierto tipo de cuerda, en un universo dotado de una dimensión circular de radio R, son absolutamente idénticas a las propiedades físicas de otro tipo de cuerda en un universo dotado de una dimensión circular de radio 1/R. Las cinco teorías de cuerdas existentes, junto con la teoría M, se muestran duales entre si y unidas en un solo marco teórico.

Las once dimensiones espaciotemporales de la teoría M y la forma en que se enrollan las dimensiones ocultas en los espacios de Calabi-Yau nos indican que la unidad cosmológica de las fuerzas fundamentales se consigue más fácilmente utilizando el marco de la teoría M. Pero las cuerdas ya no están solas, la teoría M incluye otros objetos: membranas vibratorias bidimensionales, burbujas tridimensionales que se ondulan, llamadas tribranas, y además una gran cantidad de otros ingredientes diversos.

Esto y muchísimo más, lo encontraréis, magníficamente explicado, en el apasionante libro de Brian Green "EL UNIVERSO ELEGANTE. Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de una teoría final", de la Editorial Crítica.Barcelona. 2007.

Nota.- José Luis, un amable lector nos envía unos enlaces a videos explicativos, relacionados con el libro, y un par de post de su blog:

La teoría de cuerdas (1)
La teoría de cuerdas (2)

Documentales de El universo elegante:

Parte 1, El sueño de Einstein
Parte 2, La clave está en la cuerda
Parte 3, Bienvenido a la 11ª dimensión