Los científicos están buscando una descripción única de la realidad. Pero la física moderna nos permite describirlo de muchas maneras, muchas de las cuales son equivalentes entre sí, y están conectadas a través de un extenso paisaje de posibilidades matemáticas.
Supongamos que les pedimos a Alice y Bob que cocinen una comida. A Alice le gusta la comida china, a Bob le gusta la comida italiana. Cada uno de ellos eligió su receta favorita, la compró en una tienda local especializada en los productos correctos y siguió cuidadosamente las instrucciones. Pero cuando sacaron sus platos del horno, se sorprendieron mucho. Resultó que ambos platos son idénticos. Uno puede imaginar qué preguntas existenciales harán Alice y Bob. ¿Cómo se puede hacer el mismo plato con diferentes ingredientes? ¿Qué significa cocinar un plato chino o italiano? ¿Hay algún defecto fatal en su enfoque para cocinar?
Es precisamente ese desconcierto experimentado por los especialistas en física cuántica. Encontraron muchos ejemplos de dos descripciones completamente diferentes del mismo sistema físico. Solo en el caso de la física, los ingredientes no son carne y salsa, sino partículas y fuerza; las recetas son fórmulas matemáticas que codifican interacciones; y cocinar es un procedimiento de cuantización que convierte las ecuaciones en probabilidades de fenómenos físicos. Y, como Alice y Bob, los físicos están perplejos de cómo las diferentes recetas condujeron al mismo resultado.
¿Puede la naturaleza elegir sus leyes fundamentales? Albert Einstein, como saben, creía que existe una forma única de construir una versión coherente y funcional del universo basada en principios básicos. Desde el punto de vista de Einstein, si profundizamos lo suficiente en la esencia de la física, habrá una única forma en que todos los componentes (materia, radiación, fuerzas, espacio, tiempo) se conectarán entre sí, de modo que la realidad funcione, comparada con Al igual que los engranajes, resortes, diales y poleas de un reloj mecánico, combinan y cuentan el tiempo de forma única.
El
modelo estándar actual para la física de partículas es, de hecho, un mecanismo cuidadosamente diseñado con pocos ingredientes. Y, sin embargo, en lugar de seguir siendo único, el Universo es uno de un número infinito de mundos posibles. No tenemos absolutamente ninguna idea de por qué precisamente ese conjunto de partículas y fuerzas subyace a la estructura de la naturaleza. ¿Por qué hay seis
sabores de quark,
tres generaciones de neutrinos y una
partícula de Higgs ? Además, el modelo estándar enumera 19 constantes de la naturaleza, como valores como la masa y la carga de un electrón, que deben medirse experimentalmente. Los significados de estos "
parámetros libres " no parecen tener un significado profundo. Por un lado, la física de partículas es un milagro de elegancia; por otro lado, la historia de que todo es porque lo es.
Si nuestro mundo es uno de muchos, ¿qué hacer con las alternativas? El punto de vista actual puede verse como lo opuesto al sueño de Einstein de un cosmos único. Los físicos modernos aprovechan un enorme espacio de posibilidades y tratan de comprender su lógica general e interconexión. De los buscadores de oro, se convirtieron en geógrafos y geólogos, marcando los detalles del paisaje y estudiando las fuerzas que lo forman.
La teoría de cuerdas ayudó a cambiar la situación y cambiar la perspectiva. Por el momento, este es el único candidato viable para la teoría de la naturaleza, capaz de describir todas las partículas e interacciones, incluida la gravedad, mientras obedece las estrictas reglas lógicas de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. La buena noticia es que no hay parámetros libres en la teoría de cuerdas. Ella no tiene mandos de afinación para jugar. No tiene sentido preguntar qué teoría de cuerdas describe nuestro Universo, ya que es solo uno. La falta de características adicionales conduce a consecuencias radicales. Todos los números de la naturaleza deben ser determinados por la física misma. No hay "constantes naturales", solo variables fijadas por ecuaciones (posiblemente extremadamente complejas).
Y eso nos lleva a malas noticias. El espacio de las soluciones de la teoría de cuerdas es enorme y complejo. En física, esto sucede. Tradicionalmente distinguimos entre leyes fundamentales dadas por ecuaciones matemáticas y sus soluciones. Por lo general, solo hay unas pocas leyes y un número infinito de soluciones. Toma las leyes de Newton. Son estrictos y elegantes, pero describen una gran cantidad de fenómenos, desde la manzana que cae hasta la órbita de la luna. Si conoce las condiciones iniciales de un sistema en particular, las posibilidades de estas leyes le permiten resolver ecuaciones y predecir lo que sucederá a continuación. No esperamos y no requerimos soluciones únicas que describan todo.
En la teoría de cuerdas, ciertas características de la física que normalmente consideraríamos leyes de la naturaleza, por ejemplo, ciertas partículas o interacciones, son en realidad soluciones. Están determinados por la forma y el tamaño de las dimensiones adicionales ocultas. El espacio de todas las decisiones a menudo se llama el "paisaje", pero esto es un eufemismo monstruoso. Incluso el terreno montañoso más espectacular parecerá absurdo en comparación con la inmensidad de este espacio. Y aunque entendemos muy mal su geografía, sabemos que existen continentes de enormes dimensiones. Una de sus características más seductoras es que quizás todo esté conectado con todo, es decir, cualquiera de los dos modelos está conectado de manera continua. Si sacudimos el Universo lo suficientemente fuerte, deberíamos poder movernos de un mundo posible a otro, cambiando lo que consideramos las leyes inmutables de la naturaleza y una combinación especial de partículas elementales que forman nuestra realidad.
Pero, ¿cómo podemos estudiar el vasto paisaje de los modelos físicos del Universo, en el que pueden aparecer cientos de dimensiones? Es útil imaginar el paisaje como vida silvestre no desarrollada, la mayor parte de la cual está oculta bajo gruesas capas de complejidad infranqueable. Y solo en sus bordes podemos encontrar lugares habitables. En estos puestos avanzados, la vida es simple y agradable. Aquí encontramos los modelos básicos que nos son completamente entendibles. Hacen poco para ayudar a describir el mundo real, pero sirven como puntos de partida convenientes para explorar los alrededores.
Un buen ejemplo sería QED,
la electrodinámica cuántica , que describe las interacciones entre la materia y la luz. En este modelo, hay un parámetro, la
estructura fina constante α, que mide la fuerza de la interacción de dos electrones. En términos absolutos, está cerca de 1/137. En QED, todos los procesos pueden considerarse como consecuencia de interacciones elementales. QED nos invita a considerar todas las formas posibles en que dos electrones pueden intercambiar un fotón, lo que en la práctica requeriría que los físicos encuentren una cantidad extremadamente compleja e infinita. Pero la teoría nos ofrece una solución alternativa: cada intercambio de fotones posterior agrega un término en el que se eleva α, elevado en un grado adicional. Dado que este número es bastante pequeño, los miembros con una gran cantidad de intercambios hacen una pequeña contribución. Se pueden descuidar, estimando aproximadamente el valor "real".
Consideramos estas teorías poco acopladas como avanzadas del paisaje. Aquí, la fuerza de las interacciones es pequeña, y tiene sentido hablar de una lista de compras que consta de partículas elementales y una receta para calcular sus interacciones. Pero si dejamos nuestro círculo íntimo y nos adentramos en la naturaleza, las conexiones se harán más grandes y cada miembro adicional comenzará a ser más importante. Y ahora ya no podemos distinguir entre partículas individuales. Se disuelven, convirtiéndose en una red confusa de energías, como ingredientes de pasteles en un horno caliente.
Sin embargo, no todo está perdido. A veces, el camino a través del matorral oscuro termina en otro puesto avanzado. Es decir, en otro modelo bien controlado, ensamblado a partir de un conjunto completamente diferente de partículas e interacciones. En este caso, se convierten en dos recetas alternativas para la misma física subyacente, como los platos de Alice y Bob. Estas descripciones complementarias se llaman modelos duales, y su relación se llama dualismo. Podemos considerar estos dualismos en forma de una gran generalización de la famosa
dualidad onda-partícula , descubierta por Heisenberg. En el caso de Alice y Bob, toma la forma de una transición entre recetas chinas e italianas.
¿Por qué es tan interesante para la física? En primer lugar, la conclusión de que muchos, si no todos los modelos son parte de un vasto espacio interconectado, se encuentra entre los resultados más sorprendentes de la física cuántica moderna. Este es un cambio de perspectiva digno del término "
cambio de paradigma ". Ella dice que en lugar de explorar el archipiélago de islas individuales, descubrimos un continente masivo. En cierto sentido, al estudiar un modelo lo suficientemente profundo, podemos estudiarlos todos. Podemos estudiar cómo se relacionan estos modelos, lo que nos revelará lo común en sus estructuras. Es importante enfatizar que este fenómeno es en gran medida independiente de la cuestión de si la teoría de cuerdas describe el mundo real o no. Esta es una propiedad interna de la física cuántica, que no irá a ninguna parte, sin importar cómo resulte el futuro de la "teoría de todo".
Una conclusión más radical es que tenemos que deshacernos de todas las descripciones tradicionales de la física fundamental. Partículas, campos, interacciones, simetrías: todos estos son artefactos de existencia simple en los puestos avanzados de este vasto paisaje de complejidad inexpugnable. Aparentemente, el enfoque de la física en términos de componentes básicos es incorrecto, o al menos muy limitado. Quizás haya una plataforma radicalmente nueva que combine las leyes fundamentales de la naturaleza, ignorando todos los conceptos familiares. La complejidad matemática y la coherencia de la teoría de cuerdas motivan fuertemente este punto de vista. Pero debo decir honestamente. Muy pocas de las ideas actuales sobre el reemplazo de partículas y campos son "demasiado locas para ser verdad", para citar a
Niels Bohr . Al igual que Alice y Bob, la física está lista para tirar viejas recetas y adoptar la moderna
cocina de fusión .