UNIVERSOS PARALELOS: LA ULTIMA FRONTERA DE LA CIENCIA

bigbangViajes transdimensionales, mundos paralelos, agujeros negros, universos-membrana, teoría de cuerdas… La moderna física teórica se adentra cada vez con más firmeza en el mundo de lo mágico, de lo imposible. Y en sus ecuaciones la realidad y la fantasía se confunden.

Los escritores de ciencia-ficción suelen especular con la posibilidad de que existan universos paralelos. La existencia de múltiples dimensiones ha sido una idea recurrente en este tipo de relatos. Sin embargo este planteamiento ha dejado de ser una mera especulación para convertirse en una posibilidad que debe ser investigada por la ciencia.

 

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UNA CUESTION DE PROBABILIDADES

Los modelos matemáticos que algunos astrofísicos emplean para entender la complejidad del universo y comprender su existencia y funcionamiento pasa por admitir la posibilidad de que, siendo aquel infinito, también lo serían las dimensiones que existen en él. En efecto, en un universo infinito que se expande en infinitas direcciones, también las posibilidades de que un hecho suceda son infinitas. Así, por plantearlo en términos muy simples, existe la posibilidad de que yo exista tal y como estoy configurado y me reconozco a mí mismo, cada vez que me miro al espejo. Pero también existe la posibilidad de que yo exista en un infinito número de configuraciones y circunstancias diferentes. Sería una cuestión simplemente de probabilidades.

Todo cuanto nos rodea está formado por una unidad básica de materia que conocemos con el nombre de átomo. Cualquier ser humano, por ejemplo, es un conjunto de átomos agrupados bajo un determinado patrón que configuran lo que nosotros identificamos como nuestra identidad.

Imaginemos que estamos paseando por luna playa formada por grava (a nuestros efectos, descartaremos la simple arena y tomaremos unos granos más gruesos pero sin llegar al tamaño de una roca). Si prestamos un poco de atención, nos será fácil reconocer una combinación o patrón formado por dos o tres piedrecitas de un determinado color. Quizás una sea negra, otra blanca y otra algo más clara, cristalina. Si caminamos un poco más y somos pacientes, acabaremos encontrando una combinación o patrón idéntico: una piedra negra, otra blanca y otra más cristalina. Si decidimos complicar un poco más esa búsqueda e incluir una combinación de, por ejemplo, seis o siete piedras, es seguro que deberemos abarcar mayor distancia (esto es, deberemos dedicar más tiempo) para encontrarla pero en la inmensidad de la playa, repleta de piedras de tamaños y colores distintos, la acabaremos encontrando. Con este simple experimento hemos podido comprobar cómo en un determinado espacio los patrones o combinaciones de átomos que conforman la materia, se repiten. La forma como están organizados estos átomos en el espacio determina la cualidad de la materia. Es decir, la forma en que nuestros átomos están combinados determina quienes somos.

Ciertamente, en el caso de un ser humano, el patrón que conforma una determinada identidad es muchísimo más complejo pues no en vano el cuerpo de un humano corriente está formado por miles de millones de átomos. Consecuentemente, para hallar otro patrón igual que replique un ser humano en otro de forma idéntica, deberíamos abarcar una enorme distancia en el espacio. Pero, al fin y al cabo es una cuestión meramente de distancia, de probabilidades si se quiere, pero hemos de recordar que el universo es infinito. Así que, por puro razonamiento lógico, ese patrón debe de estar en algún lugar de ese infinito universo.

¿Una hipótesis absurda? No para los científicos del MIT que han calculado que la distancia en años que habría que recorrer en el espacio para encontrar dos patrones idénticos, es decir, la réplica de cualquier ser humano que habita en el planeta Tierra (de Ud. Por ejemplo) es absolutamente enorme, casi inimaginable, pero calculable en tiempo: un 1 seguido de un trillón de ceros. Pero es que estamos hablando de un universo infinito…

La primera dificultad con la que se encontraría ese hipotético Indiana Jones galáctico es que el universo, según el modelo matemático comúnmente aceptado, no es algo estático. Tal y como ya enunció Edmond Huble, nuestro universo se expande de manera que en el recorrido que debemos hacer para hallar la combinación exacta que conforme nuestro “alter ego” deberemos tener en cuenta esa velocidad de expansión. El problema es que a mayor distancia del objetivo que intentamos alcanzar, mayor es la velocidad “de fuga” del mismo, hasta que finalmente, dicha velocidad será superior a la de la luz, límite hipotético al que podemos viajar, con lo cual nunca llegaremos a ver, ni en consecuencia alcanzar, nuestro objetivo, situado más allá de nuestro horizonte visible. Dicho de otra manera, la hipotética replica de nuestro yo o, si se quiere, de nuestro mundo, estaría situada más allá de ese horizonte visible, en lugar en el que nunca, en nuestro estado actual de la materia, podemos alcanzar.

 

UN MUNDO SORPRENDENTE

Algunos científicos, sin embargo, opinan que estamos buscando en el lugar equivocado y que quizás no sea en la inmensidad del universo si no en ese microcosmos gobernado por las leyes de la física cuántica donde debemos centrar nuestros esfuerzos.Schrödinger

En el año 1925, el físico austríaco Erwin Schrödinger formuló lo que devendría en la ecuación central de la mecánica cuántica y que demostraba que dos partículas subatómicas podían ocupar dos lugares distintos en el espacio al mismo tiempo (bueno, en realidad eso no sería gran cosa si tenemos en cuenta que algunos santos católicos ya eran capaces de hacer eso, según la tradición religiosa). Ciertamente, los principios de la mecánica cuántica abren un mundo de infinitas posibilidades que nos permitiría entender fenómenos que, en nuestra ignorancia, asimilamos a la magia.

Frank Tipler es profesor de física y matemáticas en la Universidad de Tulane y autor, entre otros, del libro “La Física de la inmortalidad”. Tipler considera que la reinterpretación de la Ecuación de Schrödinger podría explicar el funcionamiento mismo del universo, la realidad tal y como la conocemos. Tal vez una hipótesis arriesgada pero ciertamente sugerente.

La física cuántica afirma que todas las posibilidades existen simultáneamente y que es la intervención del observador lo que hace que una de esas posibilidades tome realidad y colapse las otras. Dicho de otra forma, cuando en el ámbito de un experimento un observador realiza una determinada medición, existen infinitos universos posibles al mismo tiempo que colapsan en uno sólo en el momento en el que el experimentador interviene con su observación. Es decir, existirían infinitas posibilidades que se harían reales (colapsarían) sólo en el instante (o debido al instante) en el que el observador actúa.

Sin embargo, Frank Tipler considera que estos cálculos no serían consecuentes con la Ecuación de Schrödinger y con los principios de la mecánica cuántica. Tipler cree que cada posibilidad es una realidad… en un universo paralelo. Es decir, la realidad sería infinitamente múltiple y coexistiría una “superpuesta” a la otra, pero nosotros solamente seríamos conscientes de una realidad: la nuestra. Así, cada uno de nuestros alter ego existiría en ese universo paralelo, sería consciente de “su” realidad y totalmente ajeno a la realidad del resto de universos paralelos que se entrecruzarían en un mismo continuo espacio-tiempo.

TipplerPor expresarlo en términos experimentales, tras hacer una medición, cada uno de los elementos de cada uno de los universos paralelos estaría unido a un resultado particular. En un universo concreto los objetos sólo pueden verse en un solo lugar. Desde nuestra perspectiva el hecho de observar destruiría el resto de las posibilidades. Sin embargo, Tipler afirma que esas otras realidades no dejan de existir por el sólo hecho de que un observador haya escogido una de ellas. Si pudiéramos ver todos los universos a la vez, infinitos observadores efectuarían la misma medición al mismo tiempo y cada uno de ellos vería la realidad, “su realidad”, sin consciencia de la existencia de los otros.

Y si trasladamos este razonamiento a escala cósmica, resultaría que existen infinidad de planetas Tierra, cada uno de ellos, con infinidad de habitantes e historias distintas. Así podría existir un mundo idéntico al nuestro en el que, por ejemplo, Hitler habría ganado la guerra; otro en el que los dinosaurios no se habrían extinguido, otro en el que… y así hasta el infinito

El gran problema de esta teoría es que, hasta ahora, nadie ha conseguido observar ninguno de esos otros universos o, dicho de otra manera, nadie ha observado, por ejemplo, que alguien esté en dos sitios a la vez. La física cuántica explica este hecho razonando que de forma inevitable y automática, estamos efectuando constantemente mediciones: mirar cualquier objeto es una medición, respirar el aire y absorber las moléculas que contiene es otra medición, tocar un objeto, abrir la luz de la habitación… todo son mediciones que hace que colapse una realidad en detrimento de las otras.

 

LA MAQUINA CUANTICA

Para tratar de comprender las leyes de la mecánica cuántica, en el año 2010, los físicos Andrew Cleland y John Martinis de la Universidad de California en Santa Clara, consiguieron diseñar un simulador cuántico que recibió el reconocimiento de la prestigiosa revista Sciencie al mejor descubrimiento de ese año.

andrew clealandSegún el artículo que publico Sciencie, Cleland y Martinis diseñaron una máquina cuyo fin era evitar que el experimento con ella realizada fuera susceptible de cualquier medición, para lo que debían conseguir el máximo aislamiento. Esta máquina consistía en una diminuta paleta metálica de semiconductor visible a simple vista y lo hicieron mover a un “ritmo cuántico”. Lo primero que tuvieron que hacer es enfriar la paleta hasta los -237 grados centígrados (el energético más bajo permitido por las leyes de la mecánica cuántica). Para ello utilizaron un refrigerador de dilución, para, a continuación, aumentar la energía del diminuto aparato en sólo un quantum para producir de este modo un estado de movimiento puramente cuántico-mecánico.

Es decir, dentro del refrigerador de dilución, los experimentadores dirigieron un simple quantum de energía hacia un electrodo. En esta circunstancia existe una posibilidad del 50% de retener la energía o de dejarlo pasar. Sorprendentemente, el electrodo recibió la energía y la dejo pasar al mismo tiempo y empezó a oscilar entre esas dos realidades. Es decir, la partícula estaba en dos lugares a la vez. El electrodo puede estar en un estado en el que no tiene energía o en un estado en el que tiene una de esas unidades de energía. Y en ese estado, que en realidad son dos al mismo tiempo, se obtiene una vibración de seis mil millones de veces por segundo.

Lo que este experimento vino a demostrar es que la mecánica cuántica gobierna también las leyes del universo: desde partículas subatómicas hasta enormes galaxias.

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Hay diversas teorías que han tratado de explicar el resultado de este experimento. Una de ellas es la de los universos paralelos. Sin embargo, ninguna de ellas es concluyente. Si existe un universo paralelo a nivel cuántico, el experimento de Cleland y Martinis podría ser el primer paso para detectar su existencia.

 

EL MISTERIO DE LA ANTIMATERIA

Otros científicos postulan que debemos investigar en los secretos de la antimateria para hallar indicios de la existencia de otros universos paralelos al nuestro. La antimateria que sería una forma de materia menos frecuente, está compuesta de antipartículas. Así un antielectrón y un antiprotón podrían formar un átomo de antimateria. La consecuencia trágica de todo esto es que el contacto entre materia y antimateria provoca su aniquilación mutua, una gran explosión, liberando fotones de alta energía llamados rayos gamma. El paradigma científico sostiene que en el origen del universo debió existir en idéntica proporción la misma cantidad de materia y antimateria. Siendo esto así, determinadas cantidades de materia y antimateria debieron chocar, anulándose mutuamente, liberando enormes cantidades de energía, pero otra cantidad de materia y antimateria aún no ha colisionado. Sin embargo, no hemos sido capaces de encontrar grandes cantidades de antimateria en el universo, lo que hoy en día representa un serio problema para verificar la realidad de dicha hipótesis.

sajarov-2Andrei Sajarov, postuló la posibilidad de que las leyes físicas que gobiernan el universo favorezcan la conservación de la materia por encima de la antimateria, y aunque en pequeñas cantidades, a lo largo de un proceso que dura miles de millones de años, la asimetría llegaría a ser más que notable.

Algunos científicos sostienen que deben existir enormes regiones del universo, que no hemos podido detectar, compuestas de antimateria. El problema es que no es posible, en nuestro actual estado de progreso tecnológico, detectar desde tan largas distancias, la presencia de estos “bancos” de antimateria. La posibilidad más inquietante y que defienden algunos científicos es que en realidad exista un universo de antimateria gemelo y paralelo al nuestro. Es decir, un anti universo. Esta última posibilidad implicaría que existe una amenaza en el espacio exterior susceptible de aniquilar el universo de materia que conocemos y, lo que es más preocupante: no sabemos exactamente dónde está este anti universo ni se está en rumbo de colisión hacia nosotros.

La física teórica, Joan Hewitt del Centro de Aceleración Lineal de Stanford, California, encabeza un ambicioso proyecto llamado “Fábrica B” que pretende localizar ese teórico universo de antimateria que debe existir ahí fuera y saber si materia y antimateria están en línea de colisión. Para ello, intenta recrear en el citado Acelerador Lineal, las condiciones del Big Bang primigenio. Mediante la colisión de partículas el equipo de Joan Hewitt creó unas partículas llamadas “mesones B” y su equivalente igual pero opuesto llamado “antimesones B”. El propósito del experimento era encontrar las sutiles diferencias entre ambos tipos de partículas mediante la observación del declive de ambas partículas en el tiempo. Pero el problema es que la vida de esas partículas es de apenas una trillonésima de segundo lo que hace que su observación y seguimiento sea algo increíblemente difícil. Sin embargo, Hewitt y su equipo descubrieron que el anti mesón se desintegra algo más rápido y de forma diferente al mesón.HEWITT

Al colisionar entre si partículas y antipartículas, se fueron anulando mutuamente hasta que, al final y gracias a esa pequeña “ventaja” en el tiempo que tienen los mesones frente a los anti mesones , sólo quedó la cantidad de materia que hoy podemos observar en nuestro universo. (una ínfima parte de la materia primigenia). Es decir, la materia que hoy somos capaces de observar sería la “superviviente” de una gran “guerra cósmica” entre materia y antimateria, en la que el mayor tiempo de desintegración de las partículas que forman la materia le dieron la victoria sobre la antimateria. Hewitt, sin embargo, no está satisfecha con estos resultados y reconoce que esto no es suficiente para explicar de forma satisfactoria la cantidad total de antimateria que falta en el universo.

Dicho de otra forma: ahí afuera sigue existiendo un universo de antimateria del que sólo conocemos su existencia, pero nada más. Un anti universo, con una anti Tierra y una anti humanidad… todo un reto.

 

LA TEORIA INFLACIONARIA

El llamado modelo estándar del Big Bang sostiene que el universo nació hace unos 15.000 millones de años de una gran explosión inicial, una singularidad cósmica en la que la densidad y temperatura de la materia eran infinitamente altas. Para asumir esta teoría hay que aceptar que las teorías físicas conocidas no operaban en esa singularidad. Y encima dejaba muchas incógnitas sin despejar. Por ejemplo, esta teoría dejaba una pregunta sin respuesta que ha intrigado a los científicos ¿Por qué el universo se ve igual desde cualquier dirección en que miremos? Es decir, ¿Por qué el universo se nos muestra aparentemente uniforme? Porque una cosa es cierta, la extraordinaria rapidez con la que se produjo la expansión de la materia tras la explosión primigenia, hace imposible esa aparente uniformidad.

Alan_GuthEn 1981, Alan H. Guth del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) formuló una teoría que afirmaba que estamos ante un universo inflacionario que se estaría expandiendo exponencialmente. Según la teoría del Big Bang, la expansión del universo perdería velocidad hasta que finalmente iniciaría una proceso contrario de contracción. Para la teoría inflacionaria, esto sucedería justamente al revés: la expansión del universo sería cada vez más rápida. Este proceso de inflación se producía mientras el universo primordial se encontraba en un llamado estado de superenfriamiento inestable (el fenómeno del superenfriamiento se produce cuando el agua es enfriada muy rápidamente, puede permanecer líquida muy por debajo de su temperatura habitual de congelación, para luego congelarse súbitamente, de inmediato). Para Guth superenfriamiento e inflación están estrechamente relacionados

La teoría inflacionaria de Guth afirma que el universo se estaría expandiendo de forma acelerada (inflación), siendo esta expansión o velocidad de separación superior a la velocidad de la luz. En realidad, lo que sucedería es que el espacio que existe entre los cuerpos celestes se expande más rápido que la luz pero dichos cuerpos permanecería en reposo en relación con él. De este modo se conseguía una explicación elegante que no violase la teoría de la relatividad, que prohíbe que cualquier cuerpo de masa finita se mueva más rápido que la luz.

Sin embargo, fue el propio Guth el que, nada más enunciar su teoría, vio una debilidad en este modelo. En ese universo primigenio, la transición de un estado superenfriado no debió producirse de forma simultánea por todo el espacio, sino en diferentes momentos y en diferentes lugares. Es decir, en coordenadas espacio temporales distintas. La consecuencia debió ser un universo con muchas burbujas de espacio-tiempo, cada una de ellas con leyes físicas propias y diferentes causadas por las distintas formas en las que se produjo la transición de fase dentro de ellas. Dichas burbujas debieron formar conglomerados s modo de racimos de uva. El problema es que no era eso lo que veían los astrónomos, cuando observaban el firmamento.

andrei_lindeEn verano de 1981, Andrei Linde, por entonces un joven físico de altas energías en el Instituto Lebedev de Moscú, halló que si las transiciones de fase en las diferentes partes del espacio-tiempo hubieran ocurrido de modo un poco más gradual que en la teoría de Guth, el resultado sería un universo libre de burbujas y de límites. En 1982 introdujo una nueva hipótesis del universo inflacionario basada en la observación de que la inflación es algo que surge de modo natural en muchas teorías de partículas elementales, incluyendo los modelos más simples de campos escalares. Linde elaboró la conocida como “teoría inflacionaria caótica” en la que argumentaba que nuestro universo es tan sólo uno más entre un conjunto, tal vez infinito, de universos en continua y eterna creación.

Según Linde, el universo primigenio previo al Big Bang debió ser como un diminuto cubo de masa infinitamente densa, rebosante de caótica energía. Cada microscópica porción de ese “terrón” debía ser un lugar (universo) distinto del otro. Es decir, la fuerza que creo nuestro universo debió crear múltiples universos paralelos. Para explicarlo pone un ejemplo. Imaginemos un terrón de azúcar que hemos pintado con colores diversos (rojo, azul, verde, amarillo, violeta etc.) de manera que cada una de las partes de ese terrón tiene un color distinto. Cuando el terrón se expande, un observador que esté situado en, por ejemplo, la parte de color rojo, lo verá todo rojo a su alrededor; un observador que esté situado en la parte pintada de verde, lo verá todo verde, es decir, percibirá la expansión de esa parte como algo uniforme. Cada parte, cada color, será como un universo independiente de las otras partes (pero todos ellos nacidos de un universo-madre) y así sería percibido por un hipotético observador, ajeno a la expansión de las otras partes (de otro color) del terrón. Y eso respondería a la pregunta de por qué el universo se ve igual desde cualquier punto que lo miremos.

Según el modelo de Linde, nuestro universo es algo inestable, en permanente expansión. Pero este proceso inflacionario no sería igual ni simultáneo en todas partes, incluso en alguna de ellas ni siquiera se ha producido proceso inflacionario alguno. De manera que los lugares en que ésta no se ha producido, permanecen extremadamente pequeños y densos y donde la inflación se produce, acaban siendo exponencialmente grandes y dominan el volumen total del universo. Es decir, el proceso inflacionario es continuo y puede iniciarse en cualquier momento y en cualquier parte, destruyendo todo cuanto encuentra a su paso; creando universos nuevos y destruyendo otros. Este modelo teórico permitiría que cada uno de esos universos pueda tener leyes físicas y dimensiones diferentes a las que nosotros conocemos en nuestro universo.modelo_linde

Teniendo en cuenta la arbitrariedad intrínseca de este modelo, Linde calificó esa hipótesis como “inflación caótica”.

Llevando sus teorías al límite, Andrei Linde y Vitaly Vanchurin en un artículo publicado en 2009 en la Physycal Review llegaron a calcular el número de universos paralelos existentes. En su estudio, Linde y Vanchurin concretaron esa cifra en un 10 elevado 10 elevado a 16. Esta cifra expresaría el total de posibles universos paralelos que la mente humana podría percibir, dado que la cantidad total de información que un individuo puede absorber en la vida es de unos 10 elevado a 16 bits (lo que equivale a 10 elevado a 10 elevado a 16 configuraciones), esto significa que un cerebro humano no puede distinguir más de 10 elevado a 10 elevado a 16 universos. Sin esta limitación, el número de universos sería de 10 elevado a 10 elevado a 10 elevado a 7… No está mal ¿verdad?

 

UNIVERSOS MEMBRANA

Paul_SteinhardtUna visión distinta tiene Paul Steinhardt. Steinhardt es titular de la cátedra Albert Einstein de la facultad de ciencias de la Universidad de Princeton. Después de décadas de investigación, defiende la existencia de una cuarta dimensión del espacio que estaría oculta y en la que sitúa el universo paralelo. Sostiene que el espacio estaría estructurado en membranas con una cuarta dimensión extra que separaría los distintos universos. Para comprenderlo mejor, pone el ejemplo de las diversas hojas de un periódico. Cada una de esas hojas serían los diversos universos existentes y la distancia que puede haber entre cada una de esas páginas cuando el periódico está cerrado sería esa cuarta dimensión que los separa e impide que puedan interactuar. Steinhardt dice que la distancia entre esos universos paralelos sería de una billonésima de una billonésima de centímetro.

En este modelo todo lo que existe en nuestro universo se halla atrapado en una de esas membranas, lo que se llamaría universo-membrana (esto se deriva de la Teoría de cuerdas que veremos más adelante). Pero existirían infinidad de otros universos membranas, en los que regirían otras leyes físicas, separados del nuestro por la distancia de apenas un átomo pero sin posibilidad de tocarse ni mezclarse… ¿o tal vez si? Steinhardt desarrolló la idea de que tal vez exista la posibilidad de que esos universos, alguna vez, choquen entre si y la energía asi liberada se convertiría en materia y radiación, justo lo que se supone que ocurrió con el Big Bang. De hecho, sostiene que ese podría ser el Big Bang, que en lugar de ser el principio del espacio y el tiempo, en realidad fue una colisión entre dos universos-membranas.

Aunque no es posible ver o tocar esos otros universos, si sería posible detectar su existencia a través de los efectos gravitatorios que llegarían hasta el universo en el que nosotros habitamos. Pero ¿Dónde los buscamos?

Los astrónomos descubrieron la existencia de algo exótico llamada materia oscura. Se trataría de un tipo de materia que no emite radiación electromagnética suficiente como para ser detectada pero cuya existencia podríamos deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible que conforman las estrellas y las galaxias. Y la pregunta que se plantea Steinhardt es si esa materia oscura sería en realidad materia de esos universos paralelos. Y tal vez la respuesta hay que buscarla en los agujeros negros.brane_1

Un agujero negro es una zona del espacio en donde la enorme concentración de masa provoca una densidad de la materia que a su vez genera un campo gravitatorio de tal magnitud que ninguna partícula, ni siquiera los fotones de los que se halla formada la luz, serían capaces de escapar por lo que serían completamente invisibles a nuestros telescopios. Sin embargo, estos objetos cósmicos emitirían rayos x que los harían detectables. En realidad, un agujero negro sería una singularidad, en la que nuestras leyes físicas conocidas no tendrían valor alguno. Su colosal fuerza gravitatoria provocaría una curvatura del espacio-tiempo. La velocidad de escape necesaria para alejarse de este objeto es igual a la velocidad de la luz. De ahí que nada dentro del llamado horizonte de sucesos (la hipotética superficie que rodea a un agujero negro) puede escapar de su campo gravitatorio.

Según Steinhardt, si una gran cantidad de materia llegase a acumularse en un lugar concreto de alguno de esos universos membrana, su campo gravitatorio sería tan enormemente fuerte que atraería al otro universo-membrana por ese punto. Entonces, ambos universos-membrana se unirían en el punto en el que el agujero negro se ha formado, permaneciendo separados en el resto. Paul Steinhardt está convencido de que cuando por fin sepamos de qué está formada la materia oscura, conoceremos la composición de esos otros universos paralelos o universos-membrana. Y lo que es más fascinante aún ¿Nos permitirían esos agujeros negros viajar a esos otros universos? Es decir ¿Son los agujeros negros las puertas de acceso a otros universos paralelos?

 

AGUJEROS NEGROS: PUERTAS TRANSDIMENSIONALES

curvatura_espacio-tiempoPara avanzar en una respuesta, debemos acudir a las ecuaciones de la teoría de la relatividad de Albert Einstein. En el modelo de universo de Einstein, el universo es como una especie de inmensa malla flexible compuesta por el espacio-tiempo, sobre la que se asientan los cuerpos celestes. La masa de esos cuerpos celestes como las estrellas o los planetas curvan dicho espacio-tiempo a través de la fuerza de gravedad.

Imaginemos una tela elástica sobre la que situamos una pelota de mediano tamaño como, por ejemplo, una pelota de futbol. Al poner dicha pelota en el centro de la malla, ésta se hundirá (curvará hacia adentro toda la malla). Si a continuación soltamos, ejerciendo una ligera fuerza longitudinal, una pelota de tenis en una de las esquinas de la malla, comprobaremos que ésta, en un movimiento circular, se hunde en dirección a la pelota de futbol situada en el centro. Este sencillo ejemplo nos sirve para visualizar el modelo einstiniano del universo. La pelota de fútbol sería nuestra estrella más cercana, el Sol, cuya enorme masa curvaría el espacio que existe a su alrededor. La pelota de tenis, la Tierra, que al estar dentro del campo de acción del Sol se vería atraída por su masa y obligada a girar a su alrededor.

Pero Albert Einstein y el matemático francés Elie Joseph Cartan descubrieron que además de la curvatura, la masa de los cuerpos celestes ejercía otro efecto sobre el espacio-tiempo, un efecto de torsión. Pero ese efecto es tan débil, tan sutil que sus efectos apenas pueden medirse, lo que les llevó a abandonar esas investigaciones.

Nikodem Poplawski, físico teórico de la Universidad de Indiana, retomando los trabajos de Einstein y Cartan aplicó esta teoría a la gravedad infinita que ha de existir en el interior de esa singularidad que llamamos agujero negro. En su interior, las fuerzas son tan masivas que la torsión retuerce el espacio-tiempo y toda la materia del horizonte de sucesos en un movimiento en espiral hasta hacerlo estallar.Nikodem Poplawski

Poplawski ha elaborado un modelo teórico que demuestra que todos los agujeros negros pueden tener en su interior agujeros de gusano dentro de los que pueden existir otros universos. La demostración matemática de este modelo no es sencilla, claro está. Se basa en el movimiento geodésico radial de una partícula masiva que ha de encontrarse en el interior de un agujero negro. Poplawski, sostiene que según la Teoría de la Relatividad no existe preferencia de una orientación temporal sobre otra, de modo que si un agujero negro puede formarse a partir del colapso gravitatorio de la materia que atraviesa el horizonte de sucesos, nada impide en el futuro que este proceso se invierta. Es decir, si en el pasado, la materia colapsó, en el futuro puede explosionar y expandirse (como un Big Bang), lo que daría como resultado el nacimiento de un agujero blanco: materia surgiendo del horizonte de sucesos situado en el pasado, es decir, un universo en expansión y en proceso inflacionario.

Según este modelo, en el interior de un agujero negro operarían fuerzas extremas que configurarían la materia en un estado de enorme densidad. En tales circunstancias, la torsión sería significativamente alta y se manifestaría en forma de fuerza que se opondría a la fuerza de la gravedad. A medida que esa materia superdensa sometida a violentas y extraordinarias fuerzas, se aproximase al centro del agujero negro, la torsión se tornaría extrema y haría girar la materia hasta hacerla caer pero no en un solo punto, sino en muchos, explosionando en forma de remolino. Pero la materia no puede desaparecer, sabemos que la energía ha de ser conservada de modo que toda la materia que pasa a través del horizonte de sucesos del agujero negro provocaría el nacimiento de un agujero blanco al otro lado. Es decir, a tenor de esta teoría, cuando una estrella colapsa en un agujero negro, en realidad la materia y la energía saldrían expandidas al otro lado como un agujero blanco, una explosiva fuente de materia y energía en un nuevo universo paralelo.

Poplawski defiende que el agujero negro y el agujero blanco estarían conectados entre sí a través de lo que se llama un “agujero de gusano cósmico” o “puente de Einstein-Rosen” y estaríamos, en definitiva, ante la inversión temporal del proceso que dio lugar al nacimiento de un agujero negro. La consecuencia de este modelo teórico sería que nuestro propio universo, nacido de una gran explosión y en proceso inflacionario, bien pudo haberse formado en el interior de un agujero negro que existe en otro universo, un universo que sería nuestro ancestro. Y si esta teoría es correcta, debe existir un cordón umbilical entre ambos universos que nunca ha sido cortado. Es decir, forzosamente ha de existir una conexión entre el universo original y el nuestro, un puente de unión entre ambos.agujero-negro-2

El modelo de Nikodem Poplawski tiene la ventaja de que evitaría muchos de los inconvenientes que tiene la teoría del Big Bang y resolvería el problema de la pérdida de información que plantea la teoría de los agujeros negros debido a que la materia se pierde cuando atraviesa el horizonte de sucesos. Hasta ahora sabíamos que todo cuanto cae en el interior de un agujero negro desaparece sin que supiéramos a dónde va. Con la teoría de Poplawski tenemos respuesta: a otro universo naciente, a un universo paralelo.

 

LA TEORIA DE CUERDAS

En los años ochenta, los físicos se hallaban completamente desorientados ante el incesante flujo de descubrimientos de nuevas partículas subatómicas. Tras años de trabajo incansable, pudieron formular los que se denominó la “teoría estándar” que intentaba poner orden en todo ese mar de partículas y sub partículas y pretendía explicar la lógica de su comportamiento. Sin embargo, esta teoría adolecía de múltiples lagunas y, además, no mencionaba la gravedad simplemente porque no encajaba. Era una teoría muy poco elegante que daba una respuesta insatisfactoria.

La ciencia, pues, parecía condenada a admitir la existencia de la teoría cuántica, representada por este modelo estándar y que intentaba explicar el mundo de los muy pequeño y la teoría de la relatividad general que describía el mundo de lo muy grande. Ambas eran irreconciliables y, en ciertos aspectos, ambas entraban en contradicción. Los intentos que se hicieron por unificar ambas teorías llevaban a planteamientos sencillamente absurdos.cuerdas1

El panorama cambió con la llegada de la Teoría de Cuerdas que daba un enfoque totalmente distinto al problema. Para esta teoría, las partículas subatómicas son como las vibraciones de un instrumento musical. Cada cuerda que actuaría como la diminuta cuerda de un violín. Si se golpea la cuerda, ésta vibra de una manera diferente y cada nota corresponde a una partícula subatómica diferente. Su conjunto daría lugar a la compleja y maravillosa sinfonía que compone nuestro universo.

Esta teoría parte de una premisa sencilla: todo en el universo (las galaxias, el sol, nuestro planeta y todo lo que en él existe incluyendo fuerzas como la gravedad o el electromagnetismo) está formado por unos hilos de energía increíblemente pequeños llamados cuerdas. Las cuerdas serían la pieza básica de la que estaría formado todo lo que conocemos.

Hasta la aparición de esta teoría, los físicos creían que un átomo estaba formado por partículas concretas. Los electrones describían una órbita a su alrededor y en su interior, el núcleo estaba formado por protones y neutrones que a su vez estaban formados por quarks. La Teoría de Cuerdas afirma que lo que considerábamos partículas indivisibles son en realidad unos hilos vibrantes, como una pequeña cuerda cuya forma puede ser la de un círculo o tal vez un segmento, al vibrar de uno u otro modo, darían lugar a las diferentes partículas fundamentales de la naturaleza.cuerdas2

La grandeza de esta teoría estriba en que si llegáramos a conocer las leyes de esas cuerdas podríamos explicar toda la materia y todas las fuerzas de la naturaleza: desde aquellas que rigen lo más pequeño como las partículas subatómicas y el mundo cuántico, hasta las grandes galaxias del espacio exterior. Estaríamos ante una teoría del todo.

Sin embargo, existía un problema importante: la teoría de cuerdas tal vez podía unificar la teoría cuántica con la teoría de la gravedad pero esto se podía hacer de cinco formas distintas. Dicho de otro modo: teníamos cinco versiones distintas de una misma teoría. La solución surgió en 1994 y se hizo pública en el Conferencia Anual de la Universidad del Sur de California de 1995 cuando Edward Witten del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton anunció que las cinco teorías de cuerdas eran en realidad cinco versiones de una única teoría, aunque para ello debíamos añadir una undécima dimensión a las diez que la teoría matemática contemplaba: una para el tiempo, las tres del espacio, más otras seis que nos eran completamente invisibles pero cuya existencia era necesaria en el planteamiento de todas las ecuaciones matemáticas de la Teoría de Cuerdas, porque éstas han de moverse en más de tres dimensiones. Se anunciaba así la denominada Teoría M.

edward-wittenPara nosotros es imposible hacerse una imagen de esas once dimensiones. Nuestro cerebro está diseñado para desenvolverse en un espacio de sólo tres más la adicional del tiempo. Hagamos lo que hagamos, sólo podemos movernos de derecha a izquierda, adelante y atrás y arriba y abajo. Y todo ello a lo largo de un tiempo determinado. Imaginemos una película de cine. Cuando asistimos al cine como espectadores y contemplamos una película, sus protagonistas, en realidad sólo se mueven en dos dimensiones. Parece otra cosa porque es un efecto óptico pero los actores no pueden salir de la pantalla, lo que equivaldría a utilizar la tercera dimensión. Si el protagonista de una película pudiera salir de la pantalla e interactuar en nuestro mundo tridimensional, estaría entrando en, para él, una nueva dimensión. De manera que las dimensiones estarían relacionadas con las direcciones que un elemento situado en un determinado espacio pueda tomar. Cuantas más dimensiones tenga el espacio en que ese elemento se mueve, más direcciones puede tomar y, en consecuencia, menos limitadas estarán sus acciones. Y si las cuerdas se mueven en 11 dimensiones entonces tendrán muchos menos limites que cualquier elemento situado en un espacio tridimensional como el nuestro.

cuerdas3Las ecuaciones que sustentaban la teoría de cuerdas pronto demostraron la existencia de objetos más grandes que las cuerdas. Es decir, la onceava dimensión que Edward Witten había añadido a la teoría de cuerdas y que permitía que las cinco teorías diferentes que existían hasta la fecha colapsaran en una sola, posibilitaba que las cuerdas se estiraran hasta formar una especie de membranas (branas), las cuales podían tener tres o más dimensiones. Y si alguna de esas membranas tuviera la suficiente energía podría muy bien alcanzar el tamaño de nuestro universo. Esta aportación representó una auténtica revolución en la teoría de cuerdas pues dibujaba una visión del espacio totalmente distinta de la que hasta ahora habíamos tenido. Nos mostraba la posibilidad de que nuestro universo estuviera dentro de una membrana dentro de un conjunto enormemente grande y con muchas más dimensiones. De hecho, abría la posibilidad a la existencia de muchos universos como el nuestro situados en membranas adyacentes, tal vez separado del nuestro por apenas la distancia de un átomo. Par hacernos una idea, sería como si nuestro universo fuera una rebanada de pan dentro de una barra mucho mayor que a su vez contendría otras muchas rebanadas un al lado de la otra, apenas separadas pero sin llegar a comunicarse ni mezclarse: serían otros universos paralelos al nuestro.

¿Qué sucede en estos otros universos? Los científicos no lo saben y sólo pueden especular. Algunos predicen que la mayoría de ellos sean universos muertos, compuestos de una especie de sopa de partículas subatómicas en los cuales sería imposible que existiera materia compleja como átomos o moléculas. Otros, sin embargo, podrían tener vida compleja, tal vez inteligente y mucho más evolucionada de lo que nosotros ahora podemos imaginar. Incluso, algunos podrían ser mucho más exóticos, con leyes físicas completamente distintas a las que rigen en nuestro universo. Finalmente, hay una teoría que sostiene que la materia oscura, una forma invisible de materia, podría estar contenida en uno de esos universos-membrana. Lo cierto es que este es un campo enormemente nuevo y abierto en la que los físicos teóricos están trabajando. Pero lo que es cierto es que todos estos universos existirían en las dimensiones adicionales de la Teoría M.

Un problema que intriga a los científicos es que si estos otros universos están tan infinitamente cerca de nosotros ¿Cómo es posible que no los podamos ver ni tocar? La respuesta es fácil: nuestros átomos están “pegados” a nuestro universo tridimensional y no pueden escapar de él al igual que el protagonista de una película de cine no puede salir de la pantalla e interactuar con los espectadores de la sala. De hecho la teoría de cuerdas lo explica perfectamente mediante la descripción de las cuerdas que conformarían la materia que conocemos como cuerdas abiertas pero pegadas por sus extremos a su universo-membrana. Y este modelo representaría una auténtica revolución pues podría dar una explicación a la fuerza de la gravedad. Pero ¿Cómo lo hace?pan_membrana

Hace más de 300 años Newton enunció su teoría de la gravedad pero en realidad nadie sabe qué es exactamente ni de qué está compuesta. Para darnos cuenta de ello, sólo hemos de considerar que la gravedad es la fuerza que mantiene unidos los planetas, las estrellas y las galaxias. Parece, pues, que se trata de una fuerza “fuerte”. Sin embargo, cualquiera puede comprobar que con la simple fuerza de nuestro brazo, somos capaces de levantar cualquier objeto del suelo, anulando así la fuerza de la gravedad. Además, la fuerza electromagnética (la de los imanes o la de la electricidad) es muchísimo más fuerte que la de la gravedad, exactamente un uno seguido de 39 ceros más fuerte… ¡Sorprendente! A pesar de sus extraordinarios efectos, la gravedad sería pues una fuerza débil y eso ha confundido a los científicos durante años.

La teoría de cuerdas, aporta una elegante y revolucionaria solución. Posiblemente, la gravedad sea una fuerza tan poderosa como el electromagnetismo pero por algún motivo no podemos sentir toda su fuerza. En este nuevo enfoque, la gravedad, que estaría formada por un tipo determinado de cuerda, sería una fuerza de la que sólo notaríamos una parte de sus efectos porque el resto escaparía de nuestro universo-membrana hacia otros universos-membrana.

Para entenderlo, veamos un ejemplo. Imaginemos una mesa de billar en la que las diferentes bolas serían los átomos y todo cuanto se halla en nuestro universo (planetas, estrellas, galaxias etc.). Cuando golpeamos una bola y ésta choca con la otra, las bolas (los objetos de nuestro universo) no pueden salir de la mesa de billar, sin embargo, el sonido que producen al chocar y que ondula en aire a su alrededor en forma de ondas sonoras, si escapa del estricto ámbito de la mesa y llega hasta los oídos de los jugadores o, incluso de otras personas que se hallen cerca. La gravedad, por su propia naturaleza, sería como esas ondas y escaparía de nuestro universo en dirección a otras dimensiones o universos-membrana adyacentes al nuestro.

cuerdas_abiertasToda la materia, incluida la luz, que forma parte de nuestro universo estaría formado en su esencia por un tipo de cuerda que haría que se encontrase irremediablemente pegada a nuestro universo-membrana sin que pueda abandonarlo. Sin embargo, la gravedad no y podría escapar de él. La respuesta es que la materia estaría formada por un tipo de cuerda abierta, una especie de semicírculo cuyos extremos estarían pegados a su universo-membrana tridimensional. Pero la Teoría M enunciaba también un tipo de cuerda cerrada, precisamente de la que debe estar formada la gravedad. Sería el gravitón. El gravitón sería una partícula elemental de tipo bosónico (en física de partículas, un bosón es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales, o partículas que no están formadas por otras más simples, que encontramos en la naturaleza, el otro tipo serían los fermiones) que sería la responsable de la interacción gravitatoria en los modelos de física cuántica. El gravitón probablemente no tenga masa y si la tuviera sería mínima. Los cálculos efectuados dan un máximo posible de masa para el gravitón de unos 10-69 kg. , es decir, unos cien billones de cuatrillones de veces más ligero que un electrón.

El gravitón pues vibraría en una cuerda cerrada, es decir, formaría un círculo cerrado que le permitiría “flotar” hacia otras dimensiones lo que diluye en nuestro espacio tridimensional la fuerza de la gravedad y explicaría por qué aparenta ser más débil de lo que en realidad es. Y esto abre una posibilidad absolutamente sugerente: tal vez no podamos ver o tocar alguno de esos universos membrana que nos rodean, pero podríamos saber de su presencia a través de la gravedad… y ellos de nosotros. Llevando este razonamiento al extremo y de forma totalmente teórica, podríamos decir que si existe vida inteligente en algún universo-membrana vecino, tal vez podríamos comunicarnos con esa inteligencia a través de la fuerza de la gravedad, intercambiando potentes ondas gravitacionales.graviton

Los científicos apuntan la posibilidad, tal y como comentábamos más arriba, que el origen de nuestro universo no fue el Big Bang tal y como era aceptado hasta ahora, sino que nuestro universo nació del “roce” o del “choque” de dos de estos universos-membrana. Los físicos se encuentran incómodos con la teoría del estallido primigenio pues sus cálculos pueden llegar hasta fracciones de segundo “después” del Big Bang pero no pueden explicar qué fue lo que estalló, de que estaba formado o qué había antes. Sencillamente todas las leyes de la física que conocemos dejan de tener sentido cuando intentan adentrarse en ese punto infinitamente pequeño e infinitamente denso previo a esa gran explosión. Todos los modelos físicos y matemáticos se venían abajo.

Según algunos teóricos de la teoría de cuerdas, el universo existió desde siempre y que debido a los movimientos que han de tener las membranas, en un momento previo a lo que hemos denominado Big Bang, un universo-membrana colisionó con otro liberando una colosal cantidad de energía, formado el universo tal y como lo conocemos ahora. Este acontecimiento sería el responsable de la expansión del universo que podemos observar actualmente. Pero los defensores de esta teoría van más allá y afirman que este tipo de fenómenos han de ser relativamente frecuentes a escala cósmica y que, de hecho, en el futuro podría volver a producirse.

Pese a ello, esta teoría tiene muchos detractores en la comunidad científica. Desde los que afirman que la presunción de un universo eterno, sin principio, es no solucionar el problema hasta los que nos hacen notar que no sabemos con certeza qué sucede cuando dos universos membrana colisionan. Bien pudiera ser que pasase lo mismo que cuando intentamos adentrarnos en el instante en el que se produjo el Big Bang: que nuestras ecuaciones matemáticas se tornasen absurdas.

La Teoría M es una teoría apasionante y prometedora que ha aportado muchas explicaciones a problemas que antes no tenían solución. Sin embargo queda mucho todavía por hacer y desarrollar pues a cada paso que se da en ese sentido se plantean nuevos problemas e incógnitas. Además, queda un gran problema pendiente: si las cuerdas existen ¿Dónde están? ¿Pueden encontrarse en un laboratorio? Joseph Lykken, físico teórico del Fermi National Accelerator Laboratory (FERMILAB) es aún más contundente: si la teoría de cuerdas no se puede evaluar, no se puede poner a prueba, no es ciencia, es filosofía.

Joseph_LykkenLos científicos están de acuerdo en la enorme dificultad que ha de representar el poder observar alguna de esas cuerdas directamente. Sin embargo, están convencidos de poder encontrar el rastro que debieron dejar tras el Big Bang. Ciertamente esas huellas debieron ser infinitamente pequeñas pero dado que posteriormente todo se expandió y se hizo mucho más grande, también ese rastro debió de haber crecido como todo lo demás ¿Pueden hallarse esas huellas entre las estrellas o una vez más hemos de sumergirnos en la física de partículas?

Este es precisamente uno de los objetivos del FERMILAB y del LHA (Large Hadron Accelerator) del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), Ambos laboratorios, en dura competencia, intentan hallar las pruebas que confirmen no sólo la teoría de cuerdas sino la existencia de otras dimensiones y universos paralelos. En sus respectivos aceleradores gigantes de partículas, aplican a los átomos de hidrogeno una enorme descarga eléctrica; posteriormente extraen los electrones y lanzan los protones a gran velocidad por un túnel subterráneo de varios kilómetros. Cuando se acercan a la velocidad de la luz se les hace colisionar con otras partículas que se desplazan en sentido contrario. En la mayoría de las ocasiones esa colisión es lateral pero en alguna ocasión se produce un “choque frontal”. El resultado es una nube de partículas subatómicas y la esperanza es que entre esas partículas se encuentre un gravitón, del que hemos hablado anteriormente gravitón y que, según esta teoría, al ser una cuerda cerrada en forma de círculo tendría la posibilidad de flotar y abandonar nuestro espacio tridimensional. Naturalmente, los científicos sueñan con captar un gravitón en el momento de la fuga a otra dimensión. Lamentablemente, hasta ahora esto no ha podido ser detectado.graviton_a_la_fuga

Otro de los objetivos prioritarios de ambos laboratorios es la búsqueda de la “partícula S” (partículas “shadow” o supersimétricas) que predice la teoría de cuerdas. De forma muy simplificada, dicha teoría viene a decir que todas las partículas subatómicas conocidas (electrones, fotones o gravitones) han de tener un equivalente mucho más pesado que ha denominado “partícula S” (la llamada supersimetría) que hasta la fecha no han podido ser detectadas. Dado que la teoría de cuerdas afirma (o necesita de) la existencia de dichas partículas, encontrarlas confirmaría en buena parte la exactitud de los cálculos de dicha teoría. El problema es que al ser partículas muy pesadas con muy difíciles de detectar con la tecnología que tenemos actualmente.

Encontrar un gravitón o confirmar la existencia de las partículas S abriría un mundo de posibilidades inmenso y nos podría poner tras la pista definitiva no sólo de cómo surgió nuestro universo sino de la existencia de una enorme cantidad de universos-membrana en dimensiones paralelas en donde la vida evolucionada e inteligente no solo fuera posible sino también frecuente.

particulas_SPero también podría suceder, y no puede descartarse, que nunca encontrásemos esas pruebas y que en realidad, en estos momentos estuviéramos recorriendo un camino equivocado, aunque lo cierto es que la gran cantidad de indicios lógicos y, si se me permite, la elegancia y coherencia de las ecuaciones de la teoría de cuerdas y su lógica matemática, hacen pensar que estamos tras la pista correcta.

La respuesta la tendremos necesariamente dentro de los próximos diez o veinte años. No exagero al afirmar que nos espera un período de descubrimientos científicos apasionante y las consecuencias a todos los niveles que este conocimiento puede aportar a nuestra civilización son inimaginables. ¿Será posible comunicarse con esos universos paralelos adyacentes al nuestro? ¿Podremos viajar a esas otras dimensiones?

Y quizás la pregunta más apasionante: ¿Estamos siendo visitados por una hipotética civilización de alguno de esos universos paralelos? Quizás la respuesta no esté tan lejos de nosotros… pero eso lo desarrollaremos en un próximo artículo.

 

David Alvarez Planas
alvarezdv@yahoo.es
http://www.dogmacero.org

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