El universo como una cáscara de naranja: una propuesta revolucionaria para la teoría del todo

Dos Pilares Fundamentales de la Física

La gran mayoría de los fenómenos que observamos en nuestro entorno pueden ser comprendidos mediante dos teorías fundamentales: la relatividad general y la mecánica cuántica. Hasta la fecha, todos los intentos por fusionar estas dos teorías habían resultado infructuosos. No obstante, investigadores de las Universidades de Varsovia y Cracovia en Polonia han identificado un elemento crucial que podría finalmente lograr esta unificación. De tener éxito, nos encontraríamos ante la transformación más significativa en la física moderna: la tan anhelada teoría unificada. Antes de explorar su metodología, es importante establecer algunos conceptos básicos.

Durante los primeros años del siglo XX emergieron las dos teorías que permiten a los físicos comprender el funcionamiento del cosmos, tanto a nivel macroscópico (relatividad general) como a escalas subatómicas (mecánica cuántica).

La Relatividad General

Esta teoría fue desarrollada por Albert Einstein y presentada a la comunidad científica entre 1915 y 1916.

La relatividad general se relaciona con la ley de gravitación universal establecida por Isaac Newton en 1687, pero representa un avance significativo. Postula que el espacio y el tiempo constituyen dimensiones equivalentes y que la gravedad no es propiamente una fuerza, sino una distorsión en la geometría del tejido espacio-temporal, generada por la presencia de masa.

Cuanto mayor es la masa, más pronunciada es esta deformación, lo que en términos newtonianos se traduce como una atracción gravitacional más intensa. Los objetos más masivos que conocemos son los agujeros negros, que por consiguiente producen las mayores distorsiones espacio-temporales y ejercen la atracción gravitacional más poderosa.

Una de las implicaciones más fascinantes de esta teoría es que los cuerpos celestes siguen trayectorias "rectas" que pueden desarrollarse dentro de geometrías curvas, siendo esta curvatura generada por objetos con masa.

Un ejemplo ilustrativo de este concepto sería: si me desplazo desde el polo norte al polo sur por la superficie terrestre, la ruta más corta seguiría una línea recta a lo largo de un meridiano, pero ¿realmente es recta? Un observador situado en el espacio exterior percibiría que estoy recorriendo una trayectoria curva, debido a la curvatura inherente de la superficie planetaria. Estas "líneas rectas" o rutas de mínima distancia entre dos puntos se denominan geodésicas.

La Mecánica Cuántica

En el extremo opuesto del espectro se encuentra la mecánica cuántica. Los cimientos de esta teoría comenzaron a establecerse a finales del siglo XIX cuando el físico alemán Max Planck sugirió que la radiación electromagnética era absorbida y emitida por la materia en porciones discretas y finitas que denominó "cuantos", proporcionando así una explicación para el patrón de radiación del cuerpo negro y los espectros de absorción/emisión, entre otros fenómenos.

Mientras que en teorías anteriores la energía se consideraba una magnitud continua, esta nueva perspectiva introdujo el concepto de energía cuantizada.

Aunque Einstein, quien mantenía escepticismo hacia la teoría cuántica, utilizó el concepto de cuanto para explicar el efecto fotoeléctrico en 1905, no fue hasta después de 1920 cuando la teoría comenzó a desarrollarse plenamente, con contribuciones fundamentales de figuras como Louis de Broglie, Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg, entre otros. Sus principios explican el comportamiento de la materia a escalas atómicas y subatómicas, así como las interacciones a estos niveles, con la excepción de la gravedad.

La ecuación de Schrödinger cumple en mecánica cuántica un papel análogo al que las leyes de Newton y de conservación de energía tienen en la mecánica clásica. Describe la evolución temporal de sistemas cuánticos no relativistas. Para casos relativistas, cuando la velocidad de las partículas se aproxima a la velocidad de la luz, se requieren ecuaciones más complejas como las de Dirac o Klein-Gordon.

Si ambas teorías demuestran tanta efectividad en sus respectivos dominios, ¿por qué no pueden aplicarse simultáneamente al mismo sistema? La diferencia fundamental radica en que la primera es determinista mientras que la segunda es probabilística, creando lo que hasta ahora ha sido una incompatibilidad fundamental.

Teorías de Unificación

• Teoría de Cuerdas: Posiblemente la teoría unificadora más conocida popularmente, postula que las partículas fundamentales no son entidades sin estructura interna, sino diferentes estados vibracionales de un objeto más básico llamado cuerda.
• Gravedad Cuántica de Lazos: Esta teoría alternativa propone que el espacio-tiempo posee una estructura discreta a escalas extremadamente pequeñas, del orden de la longitud de Planck.
• Otras aproximaciones: Incluyen la supergravedad, teoría de supercuerdas, teoría M, gravedad emergente, gravedad cuántica asintóticamente segura, geometría no conmutativa, teoría twistorial, gravedad cuántica inducida y teoría de variables cuánticas gravitatorias.

La mayoría de estos enfoques han intentado cuantificar la relatividad general para que funcione a escalas atómicas, y aunque algunas han logrado avances significativos, ninguna ha alcanzado el estatus de teoría del todo.

El elemento innovador de la propuesta de los físicos polacos es un tensor denominado "Tensor Alena". Adoptan un enfoque radicalmente diferente: transforman el espacio-tiempo curvado en un espacio-tiempo plano (similar a estirar la cáscara de una naranja) manteniendo matemáticamente los resultados de la relatividad general, y luego aplican las herramientas establecidas de la mecánica cuántica sobre este espacio plano.

En su investigación, los autores derivan ecuaciones cuánticas que describen completamente el sistema físico, incluyendo todas las fuerzas. Resulta que estas ecuaciones coinciden con las tres principales ecuaciones cuánticas conocidas, conduciendo a una conclusión sorprendente: la gravedad ha estado presente en la mecánica cuántica desde sus inicios y no habíamos logrado identificarla.

Este desarrollo promete continuar evolucionando, y seguiremos informando sobre sus progresos.