MODELO COSMOLOGICO DE SUPERCUERDAS-6

La teoría M y la fusión de todas las fuerzas

Las intensidades de los tres acoplamientos no gravitatorios se fusionan entre sí cuando la temperatura del Universo es suficientemente alta. ¿Cómo encaja la intensidad de la fuerza gravitatoria en todo esto? Antes de aparecer la teoría M, los especialistas en teoría de cuerdas podían demostrar que, con la elección más sencilla de la componente de Calabi-Yau del espacio, la fuerza gravitatoria casi, aunque no del todo, se fusiona con las otras tres. Los especialistas en teoría de cuerdas descubrieron que el desencaje se podía evitar, entre otros trucos, modelando la forma del espacio de Calabi-Yau elegido, pero ese ajuste fino posterior a los hechos siempre hace que los físicos se sientan incómodos. Dado que actualmente nadie conoce un método para predecir la forma precisa de las dimensiones de Calabi-Yau, parece peligroso basarse en algunas soluciones de problemas, si estas soluciones dependen tan delicadamente de los finos detalles de su forma.

Sin embargo, Witten ha demostrado que la segunda revolución de las supercuerdas proporciona una solución mucho más consistente. Investigando cómo varían las intensidades de las fuerzas cuando la constante de acoplamiento de las cuerdas no es necesariamente pequeña, Witten descubrió que se puede empujar suavemente la curva de la fuerza gravitatoria para lograr que se fusione con las otras fuerzas, sin ningún remodelado especial de la porción del espacio de Calabi-Yau. Aunque es demasiado pronto para decirlo, esto puede indicar que la unidad cosmológica se consigue más fácilmente utilizando el marco más amplio de la teoría M.

Los procedimientos que se han discutido en esta sección y en las anteriores representan los primeros pasos, en cierto modo pasos de tanteo, hacia el conocimiento de las implicaciones cosmológicas de la teoría de cuerdas y la teoría M. Para los próximos años, a medida que se vayan perfeccionando las herramientas, no relacionadas con las perturbaciones, de la teoría de cuerdas y de la teoría M, los físicos pronostican que algunas de las ideas más profundas surgirán de la aplicación de estas teorías a las cuestiones cosmológicas.

Sin embargo, al no disponer actualmente de métodos suficientemente potentes para comprender en su totalidad la Cosmología aplicando la teoría de cuerdas, vale la pena reflexionar sobre algunas consideraciones generales concernientes al posible papel de la Cosmología en la búsqueda de la teoría última. Avisamos de que algunas de estas ideas son de una naturaleza más especulativa que muchas de las que hemos comentado anteriormente, pero plantean temas de los que cualquier teoría supuestamente final podrá tener que hablar algún día.

La especulación cosmológica y la teoría definitiva

La Cosmología tiene la capacidad de captar nuestra atención a un nivel profundo y visceral, porque comprender cómo comenzó todo es -al menos para algunos- el punto en el que podemos encontramos más cerca de comprender por qué empezó. Esto no significa que la Ciencia moderna proporcione una conexión entre la cuestión del «cómo» y la del «porqué» -de hecho, no la proporciona- y es muy probable que nunca se descubra dicha conexión. Pero el estudio de la Cosmología sostiene la promesa de ofrecernos el más completo conocimiento del contexto del porqué -dicho contexto es el nacimiento del Universo- y esto nos permite al menos tener una visión científicamente informada del marco dentro del cual se plantean los interrogantes. A veces, el hecho de alcanzar la más profunda familiaridad con una pregunta es el mejor sustituto de la posibilidad de tener que dar realmente una respuesta.

En el contexto de la búsqueda de la teoría definitiva, estas elevadas reflexiones sobre la Cosmología dan paso a unas consideraciones mucho más concretas. El modo en que las cosas se presentan ante nosotros en el Universo actualmente depende con toda seguridad de las leyes fundamentales de la Física, pero también puede depender de ciertos aspectos de la evolución cosmológica, desde el extremo de la izquierda en la línea del tiempo, que potencialmente están incluso fuera del alcance de la teoría más profunda.

No es difícil imaginarse cómo podría ser esto. Pensemos en lo que sucede, por ejemplo, cuando se lanza una pelota al aire. Las leyes de la gravedad gobiernan el movimiento de la pelota, pero no podemos predecir dónde aterrizará la pelota utilizando exclusivamente estas leyes. Tenemos que conocer también la velocidad de la pelota -el valor numérico y la dirección de esta velocidad- cuando sale de la mano que la lanza. Es decir, necesitamos conocer las condiciones iniciales del movimiento de la pelota. De una manera similar, existen características del Universo que tienen también una contingencia histórica; la razón por la que una estrella se forma aquí o un planeta allí depende de una complicada cadena de sucesos que, al menos en principio, podemos imaginar que indican retrospectivamente alguna característica de cómo era el Universo cuando empezó todo. Pero es posible que, incluso más características del Universo, quizá incluso las propiedades de la materia fundamental y de las partículas de fuerza tengan también una dependencia directa de la evolución histórica -evolución que en sí misma también depende de las condiciones iniciales del Universo-.

De hecho, ya hemos indicado una posible plasmación de esta idea en la teoría de cuerdas: cuando el caliente Universo primitivo evolucionó, las dimensiones adicionales pudieron haber sufrido una transmutación de una forma a otra, estableciéndose finalmente como un espacio concreto de Calabi-Yau una vez que la materia se hubo enfriado lo suficiente. Pero, como sucede con una pelota lanzada al aire, el resultado de este viaje a través de numerosas formas de Calabi-Yau puede depender con gran probabilidad de ciertos detalles relativos al modo en que ese viaje comenzó en el primer lugar. Y a través de la influencia de la forma resultante de Calabi-Yau en las masas de partículas y en las propiedades de las fuerzas, vemos que la evolución cosmológica y el estado del Universo en sus comienzos pueden tener un profundo impacto en las propiedades Físicas que observamos actualmente.

No sabemos cuáles fueron las condiciones iniciales del Universo, ni siquiera las ideas, los conceptos y el lenguaje que se debería usar para describirlas. Creemos que ese tremendo estado inicial de energía, densidad y temperatura infinitas que surge en el modelo cosmológico estándar y en el del inflación es más una señal de que estas teorías se han derrumbado, que una descripción correcta de las condiciones Físicas que existen realmente. La teoría de cuerdas ofrece algo mejor, ya que demuestra cómo se pueden evitar estos extremos infinitos; sin embargo, nadie tiene ni idea sobre la cuestión de cómo empezó todo realmente. De hecho, nuestra ignorancia persiste en un plano aún más elevado: no sabemos ni siquiera si es coherente plantear la pregunta relativa a determinar las condiciones iniciales o si es una pregunta que está para siempre más allá del alcance de cualquier teoría, como lo estaría el pedir a la relatividad general que nos aclarase con qué fuerza hemos lanzado una pelota al aire.

Intentos audaces realizados por Hawking y James Hartle de la Universidad de California en Santa Bárbara han intentado traer la cuestión de las condiciones iniciales del Cosmos al dominio de la teoría Física, pero ninguno de estos intentos ha llegado a conclusión alguna. En el contexto de la teoría de cuerdas/teoría M, nuestros conocimientos cosmológicos son, por ahora, demasiado primitivos para determinar si nuestra ansiada «teoría del todo» realmente hace honor a su nombre y establece su propia versión de las condiciones iniciales, elevándolas así a la categoría de ley Física. Ésta es una cuestión primordial para posteriores investigaciones.

Pero incluso más allá de la cuestión de las condiciones iniciales y de su impacto en los subsiguientes giros y vueltas de la evolución cósmica, algunas propuestas recientes altamente especulativas han argumentado a favor de la existencia de otros límites potenciales añadidos que podría tener el poder explicativo de cualquier teoría definitiva. Nadie sabe si estas ideas son acertadas o equivocadas, pero ciertamente se encuentran en la actualidad en las afueras de la corriente principal de la Ciencia. Sin embargo, ponen de manifiesto -aunque de una manera bastante provocativa y especulativa- un obstáculo con el que se puede encontrar cualquier teoría final definitiva que se proponga.

La idea fundamental se basa en la siguiente posibilidad. Supongamos que lo que llamamos el Universo es en realidad sólo una pequeñísima parte de una extensión cosmológica mucho más grande, un Universo que forma parte del enorme número de Universos-islas que están dispersos por todo un enorme archipiélago cosmológico. Aunque esto podría sonar bastante exagerado -y, al fin y al cabo, puede que lo sea- Andrei Linde ha sugerido un mecanismo concreto que podría conducir a la idea de este Universo gigantesco. Linde ha descubierto que el breve pero crucial estallido de expansión por inflación, comentado anteriormente, puede no haber sido un suceso único que se produjera una sola vez. Al contrario, según afirma, las condiciones para una expansión por inflación pueden producirse de manera repetida en regiones aisladas diseminadas por todo el Cosmos, que experimentarían su propio inflación, aumentando así de tamaño, y evolucionando hasta convertirse en nuevos Universos separados. Después, en cada uno de estos Universos el proceso continuaría, de tal forma que brotarían desde regiones remotas, generando una red interminable de expansiones cósmicas con sus respectivos procesos de inflación. La terminología se vuelve un poco farragosa, pero sigamos la moda actual y llamemos a este concepto enormemente expandido del Universo el Multiverso, denominando Universo a cada una de sus partes constituyentes.

La cuestión central es que, mientras observamos que todos nuestros conocimientos apuntan hacia la existencia de unas propiedades Físicas coherentes y uniformes a lo largo y ancho de todo el Universo, es posible que esto no tenga fundamento en los atributos físicos de estos otros Universos, ya que se encuentran separados de nosotros o, al menos, tan alejados que su luz no tiene tiempo para alcanzarnos. Por lo tanto, podemos suponer que las propiedades Físicas varían de un Universo a otro. En algunos Universos, esas diferencias pueden ser sutiles: por ejemplo, la masa del electrón o la intensidad de la fuerza nuclear fuerte podrían ser una milésima de un 1% mayores o menores que en nuestro Universo. En otros, las propiedades Físicas pueden diferir de un modo más pronunciado: el quark arriba podría pesar diez veces lo que pesa en nuestro Universo, o la intensidad de la fuerza electromagnética podría ser diez veces el valor que nosotros medimos, con todas las profundas implicaciones que esto tendría sobre las estrellas y sobre la vida tal como la conocemos. Y en otros Universos las propiedades Físicas pueden diferir aún más drásticamente: la lista de las partículas elementales y de las fuerzas podría ser completamente diferente de la nuestra, o, por poner un ejemplo de la teoría de cuerdas, incluso el número de dimensiones extendidas podría variar en el caso de algunos Universos que estuvieran comprimidos por tener sólo una dimensión espacial grande, o incluso ninguna, mientras que otros Universos podrían estar expandidos por tener ocho, nueve o incluso diez dimensiones espaciales extendidas. Si dejamos correr libremente la imaginación, incluso las propias leyes de la Física podrían diferir drásticamente de un Universo a otro. La variedad de posibilidades es infinita.

Ésta es la cuestión.  Si exploramos por todo este enorme laberinto de Universos, la gran mayoría de ellos no tendrán las condiciones adecuadas para albergar la vida, o al menos para cualquier cosa que sea tan sólo remotamente parecida a lo que conocemos como vida. En el caso de cambios drásticos en las propiedades Físicas que conocemos, está claro: si nuestro Universo fuera realmente como el Universo de una manguera de riego, la vida no existiría tal como la conocemos nosotros. Pero, incluso aunque fueran unos cambios en las propiedades Físicas bastante conservadores, dichos cambios interferirían, por ejemplo en la formación de las estrellas, perturbando su capacidad de actuar como hornos cósmicos que sintetizan los átomos de unos elementos que son la base de la vida, tales como el carbono y el oxígeno, que normalmente son expelidos a través de todo el Universo en las explosiones de las supernovas.

Teniendo en cuenta la gran dependencia de la vida con respecto a las particularidades de la Física, si ahora nos preguntamos, por ejemplo, por qué las fuerzas y las partículas de la naturaleza tienen esas propiedades concretas que nosotros observamos, surge una posible respuesta: en un recorrido de todo el Multiverso, esas características varían ampliamente; sus propiedades pueden ser diferentes y lo son en otros Universos. Lo que es especial en la combinación concreta de propiedades de partículas y fuerzas que observamos es, de un modo claro, que permiten que se forme la vida. Y la vida, en particular la vida inteligente, es un requisito previo incluso para plantearse la pregunta de por qué nuestro Universo tiene las propiedades que tiene. En lenguaje llano, las cosas son como son en nuestro Universo porque, si no lo fueran, no estaríamos aquí para observarlas. Como los ganadores en una ruleta rusa que se jugara en una multitud, cuya sorpresa por sobrevivir se moderaría al darse cuenta de que, si no hubieran ganado, no habrían sido capaces de sentirse sorprendidos, asimismo la hipótesis del Multiverso tiene el efecto de moderar nuestra insistencia en explicar por qué nuestro Universo es como es.

Esta línea de argumentación es una versión de una idea que tiene ya una larga historia y que se conoce como el principio antropocéntrico. Tal como se expone, se trata de una perspectiva diametralmente opuesta al sueño de una teoría unificada, rígida y que lo puede explicar todo, en la cual las cosas son como son porque el Universo no puede ser de otra manera. En vez de ser el epítome de una elegancia poética en la que todo encaja con una elegancia inflexible, el Multiverso y el principio antropocéntrico describen un panorama en el que se ve un conjunto excesivo de Universos cuyo apetito por exhibir variedad es insaciable. Será extremadamente difícil, si no imposible, para nosotros, saber si la idea del Multiverso es correcta. Incluso si existen otros Universos, podemos suponer que nunca entraremos en contacto con ninguno de ellos. Pero, aumentando considerablemente la idea de lo que hay ahí fuera -de una manera que deja pequeña la constatación del Hubble de que la Vía Láctea no es más que una galaxia entre otras muchas- el concepto de Multiverso al menos nos alerta ante la posibilidad de que podemos estar pidiéndole demasiado a lo que sería una teoría definitiva.

Deberíamos exigir que nuestra teoría definitiva diera una descripción de todas las fuerzas y toda la materia que fuera coherente desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Deberíamos exigir que nuestra teoría definitiva ofreciera una Cosmología convincente dentro de nuestro Universo. Si es correcta la teoría del Multiverso -lo cual ya es una suposición muy fuerte- puede que sea demasiado pedir que nuestra teoría explique también cada una de las propiedades de las masas de las partículas.

Sin embargo, debemos recalcar que, incluso si aceptamos la premisa especulativa del Multiverso, la conclusión de que esto compromete nuestro poder de predicción está lejos de ser consistente. La razón, dicho de una forma sencilla, es que, si damos rienda suelta a nuestra imaginación y nos permitimos contemplar un Multiverso, deberíamos también liberar nuestras reflexiones teóricas y contemplar los modos en que se puede domesticar la aparente aleatoriedad del Multiverso. En una reflexión relativamente conservadora, podemos suponer que -si la idea del Multiverso fuera cierta- seríamos capaces de ampliar nuestra teoría definitiva hasta llegar a su expansión completa, y que nuestra «teoría extensa definitiva» podría decimos con precisión por qué y cómo los valores de los parámetros fundamentales están diseminados por todos los Universos constituyentes.

Hay una reflexión más radical que viene de una propuesta de Lee Smolin de la Penn State University, el cual, inspirado por la similitud entre las condiciones en el momento del big bang y las del centro de los agujeros negros -estando cada uno de ellos caracterizado por la densidad colosal de la materia comprimida-, ha sugerido que todo agujero negro es la semilla de un nuevo Universo que irrumpe en la existencia mediante un explosión similar a la del big bang, pero está escondido de nuestra vista por el horizonte de sucesos del agujero negro. Además de proponer otro mecanismo para generar un Multiverso, Smolin ha introducido un nuevo elemento -una versión cósmica de la mutación genética- que acaba con algunas limitaciones científicas asociadas con el principio antropocéntrico. Smolin proponía que imagináramos que, cuando un Universo surge del centro de un agujero negro, sus atributos físicos, tales como la masas de las partículas y las intensidades de las fuerzas, son parecidos, pero no idénticos, a los del Universo de al lado.

Dado que los agujeros negros se originan a partir de estrellas extinguidas, y que la formación de una estrella depende de los valores precisos de las masas de las partículas y las intensidades de las fuerzas, la fecundidad de cualquier Universo dado -el número de agujeros negros que puede producir- depende en gran medida de estos parámetros. Unas pequeñas variaciones en los parámetros de los Universos generados conducirán por lo tanto a unos valores que están incluso más optimizados para la producción de agujeros negros que los de el Universo generador, y tendrán un número aún mayor de Universos generados a su vez por ellos. Después de muchas «generaciones», los descendientes de esos Universos optimizados para producir agujeros negros llegarán así a ser tan numerosos que predominarán en la población del Multiverso. Por lo tanto, en vez de invocar el principio antropocéntrico, la sugerencia de Smolin proporciona un mecanismo dinámico que, por término medio, hace que los parámetros de cada Universo de la generación siguiente estén cada vez más cerca de unos valores particulares -los que son óptimos para la producción de agujeros negros-.

Este planteamiento aporta otro método, también en el contexto del Multiverso, en el que se pueden explicar los parámetros de la materia fundamental y de las fuerzas. Si la teoría de Smolin es correcta, y si somos parte de un típico miembro de un Multiverso maduro (estos condicionales son muy fuertes y, por supuesto, se pueden discutir desde muchos frentes), los parámetros de las partículas y las fuerzas que midamos habrán de estar optimizados para la producción de agujeros negros. Es decir, cualquier modificación de estos parámetros de nuestro Universo haría más difícil que se formaran agujeros negros. Los físicos han comenzado a investigar esta predicción; actualmente no hay consenso sobre su validez. Pero, incluso si la propuesta específica de Smolin resulta estar equivocada, presenta a pesar de todo otra forma que la teoría definitiva podría adoptar. La teoría definitiva puede, a primera vista, aparentar una falta de rigor. Podemos pensar que sirve para describir una gran cantidad de Universos, la mayoría de los cuales no tienen nada que ver con el que habitamos. Además, podemos suponer que todos estos Universos pueden estar ya configurados físicamente, con lo que tendríamos un Multiverso -algo que, a primera vista, limita para siempre nuestro poder de predicción-. Sin embargo, de hecho, esta discusión pone de manifiesto que todavía se puede lograr una explicación definitiva, siempre y cuando aprovechemos, no sólo las leyes definitivas, sino también sus implicaciones para la evolución cosmológica a una escala inesperadamente enorme.

Indudablemente, las implicaciones cosmológicas de la teoría de cuerdas/teoría M constituirán un importante campo de investigación cuando ya estemos bien entrados en el siglo XXI. Sin contar con aceleradores de partículas capaces de producir energías a la escala de Planck, tendremos que basarnos cada vez más en ese acelerador cosmológico que es el big bang, y en los restos que nos ha dejado por todo el Universo, como datos experimentales que podremos utilizar. Con suerte y perseverancia, podremos finalmente ser capaces de dar respuesta a interrogantes tales como el modo en que comenzó el Universo, y por qué ha evolucionado de la forma que percibimos en la tierra y en los cielos. Desde luego, hay todavía mucho territorio inexplorado entre el punto en el que estamos ahora y el lugar en el que están las respuestas completas a esas preguntas fundamentales. Pero el desarrollo de una teoría cuántica de la gravedad mediante la teoría de las supercuerdas da credibilidad a la esperanza de poseer ya actualmente las herramientas teóricas necesarias para avanzar por amplias regiones de lo desconocido y para, sin duda, después de mucho luchar, aparecer posiblemente con las respuestas a algunas de las preguntas más profundas que se han planteado jamás.

                                                                                                                                       FIN

                                                                                                                                                          © JAVIER DE LUCAS