Después de que Einstein explicara la gravedad como una consecuencia del espacio-tiempo curvo, intentó explicar la materia de la misma manera.
por Sabine Hossenfelder
Einstein terminó su obra maestra, la teoría de la relatividad general, en 1915. Tenía 37 años y viviría 40 más. Dedicó estas décadas a intentar explicar que todo —la materia, la energía e incluso nosotros mismos— eran simplemente deformaciones del espacio-tiempo.
Einstein, considerando que su teoría de la relatividad general estaba incompleta, quiso desarrollar una teoría del campo unificado, un marco que combinara el espacio y el tiempo con la energía y la materia. (De hecho, fue Einstein quien acuñó el término “teoría unificada”). Finalmente fracasó. Pero he empezado a preguntarme si no vale la pena revisar su idea, tan ambiciosa como sorprendente.
Einstein construyó su teoría unificada a partir de la relatividad general, que afirma que la gravedad es una propiedad del espacio-tiempo. Esto se suele representar con una canica que pesa una lámina de goma. La lámina de goma es el espacio-tiempo; la masa de la canica proporciona gravedad. Si una canica más pequeña rueda junto a la más grande, no rodará en línea recta, sino que formará una curva, como si fuera atraída por esta última. Es necesario que esa canica cause la curvatura en primer lugar. Lo mismo ocurre con la relatividad general de Einstein: se necesita el espacio-tiempo y la materia en él para describir lo que vemos que sucede en el universo.
Einstein parece haber intentado encontrar una teoría en la que solo exista espacio-tiempo y no materia, y en la que solo interpretemos una parte del espacio-tiempo como materia. Quería encontrar ecuaciones cuyas soluciones correspondieran a las partículas fundamentales de la naturaleza, como los electrones.
Einstein y Rosen asumieron que el agujero negro no tiene interior y en cambio conecta dos universos.
Cuando Einstein se propuso encontrar esta teoría, en la primera mitad del siglo XX, el conocimiento de los físicos sobre las propiedades de la materia y su comportamiento era incompleto. Hoy en día, conocemos cuatro interacciones fundamentales. Además de la gravedad, están el electromagnetismo y las interacciones nucleares fuerte y débil. Pero a principios del siglo XX, la interacción nuclear fuerte aún no se había descubierto, y la teoría de la interacción nuclear débil aún no se había desarrollado. Por lo tanto, Einstein realmente solo tenía dos interacciones con las que trabajar para comprender la materia: la gravedad y el electromagnetismo. La ley de la fuerza gravitacional, también conocida como ley de Newton, es similar a la de las cargas eléctricas, conocida como ley de Coulomb. Y debido a que Einstein había tenido tanto éxito al describir la gravedad como la curvatura del espacio, se preguntó si el electromagnetismo podría describirse de la misma manera.
En 1919, Einstein publicó un artículo titulado “¿Desempeñan los campos gravitacionales un papel esencial en la estructura de las partículas elementales de la materia?”. La idea que perseguía en el artículo era tomar una versión modificada de la relatividad general, con diferentes ecuaciones de campo, luego agregar el electromagnetismo y preguntarse si esto daría lugar a soluciones que pudieran interpretarse como partículas.
La conclusión a la que llegó es: No, esto no funciona porque la cantidad que podría interpretarse como masa podría tomar cualquier valor, mientras que las partículas que componen la materia tienen valores muy específicos.
En 1923, publicó otro artículo en el que básicamente afirmaba que su idea anterior de crear materia a partir del espacio-tiempo no funcionaba porque faltaban algunas ecuaciones. Luego propuso otras ecuaciones que podrían funcionar, pero concluyó de nuevo que esto no funciona.
En 1925 publicó otro artículo en el que decía que había estado intentando durante dos años combinar el electromagnetismo con la gravedad, y no funcionó.
Pero Einstein tenía otra pista para su teoría unificada: los agujeros negros.
Verán, tan pronto como Einstein terminó su teoría de la relatividad general, el físico y astrónomo alemán Karl Schwarzschild descubrió una solución a las ecuaciones de Einstein que describía lo que ahora llamamos agujeros negros. Pero esta solución presenta singularidades, lugares donde algunas cantidades adquieren valores infinitos. Einstein pensó que esto no podía ser correcto. Las singularidades no deberían existir en la realidad. Y si su teoría las permitía, entonces algo fallaba. Por lo tanto, intentó usar el requisito de la ausencia de singularidades para retroceder y encontrar soluciones que describieran las partículas elementales.
Pero ahí se equivocó. En la solución de Schwarzschild para el agujero negro, no hay una sola singularidad, sino dos. Una está en el horizonte del agujero negro y la otra en el centro. Hoy sabemos que la singularidad en el horizonte no corresponde a ninguna cantidad físicamente medible. Es un artefacto matemático que puede eliminarse. Einstein intentó encontrar la manera de eliminar esta singularidad que no existía. (Cabe pensar que los físicos habrían aprendido de esto que es un error hablar indiscriminadamente de las propiedades de cantidades inobservables, pero aun así, es el mismo error que condujo a todas estas predicciones erróneas para el Gran Colisionador de Hadrones. Pero me estoy desviando del tema).
Quiero llamar a esto la otra teoría del todo de Einstein: que la materia en realidad está hecha sólo de espacio-tiempo.
La búsqueda de Einstein para eliminar las singularidades de los agujeros negros condujo a su famoso artículo con Nathan Rosen en 1935, en el que introdujeron lo que ahora se denomina un puente Einstein-Rosen. Asumieron que el agujero negro no tiene interior y, en cambio, conecta dos universos. Es el ejemplo más simple conocido de un agujero de gusano.
Pero no escribieron el artículo para introducir los agujeros de gusano. Einstein y Rosen creían que estos agujeros de gusano eran partículas elementales. Tras construir su puente, escribieron con mucha claridad: «Vemos ahora en la solución dada, libre de singularidades, la representación matemática de una partícula elemental (neutrones o neutrinos)».
Luego añadieron cargas eléctricas y las interpretaron como partículas cargadas. Hoy sabemos que los neutrones no son partículas elementales, sino que están compuestos de partículas más pequeñas (quarks y gluones). Pero este no era el principal problema de la idea. El principal problema radica en que se puede calcular el tamaño del puente, o agujero de gusano, o como se quiera llamar, a partir de su masa. Y eso indicaría que el “tamaño” de un neutrón sería de unos 10⁻⁴ centímetros . Eso es más de 30 órdenes de magnitud menor que su tamaño real. Para otras partículas elementales, esto se vuelve aún más extremo.
Esto significa que si las partículas elementales fueran agujeros de gusano o agujeros negros, serían mucho más pequeñas que la incertidumbre cuántica que medimos. (Stephen Hawking también nos enseñó que serían inestables, pero, de nuevo, Einstein no podía saberlo).
En cualquier caso, no profundizó en esta idea. En cambio, siguió una dirección diferente que había propuesto en 1925: que las propiedades de la materia están codificadas en las relaciones entre diferentes ubicaciones en el espacio-tiempo, un enfoque que denominó “teleparalelismo”. Es este teleparalelismo lo que más tarde se conocería como la teoría del campo unificado de Einstein. Sin embargo, tiene poco que ver con su idea original.
Este enfoque teleparalelo para una teoría del campo unificado no se continuó después de la muerte de Einstein en 1955, porque para entonces había quedado claro que no era compatible con los nuevos descubrimientos de los físicos, como las fuerzas nucleares débil y fuerte.
Dicho esto, me parece algo sorprendente, e incluso preocupante, que los físicos también hayan desechado la idea original de Einstein, que quiero llamar su Otra Teoría del Todo: que la materia está hecha de espacio-tiempo, curvada de una manera particular. La noción ha sobrevivido en algunas áreas de la física, donde estos objetos se conocen como “solitones” (o subsistemas libres de ruido), pero en general se ha abandonado.
Ha sido reemplazada por una idea diferente de unificación, según la cual la materia y el espacio-tiempo están hechos de algo más, como, por ejemplo, cuerdas, bucles o redes.
Entonces, ¿por qué vuelvo a esta vieja historia? Principalmente porque me parece interesante lo que Einstein, sin duda una de las personas más inteligentes de este planeta, hizo con gran parte de su vida. Pero también porque no quiero que la idea de Einstein —sobre de qué podríamos estar hechos nosotros y el universo— caiga en el olvido.
Acerca del autor: Sabine Hossenfelder
Sabine Hossenfelder es física teórica en el Centro de Filosofía Matemática de Múnich, Alemania, y se centra en las modificaciones de la relatividad general, la gravedad cuántica fenomenológica y los fundamentos de la mecánica cuántica. Es la directora creativa del canal de YouTube “Ciencia sin jerga”, donde habla sobre los últimos avances científicos y desmiente las exageraciones. Su último libro es “Física Existencial: Guía del Científico para las Grandes Preguntas de la Vida”.
Fuente: https://nautil.us/einsteins-other-theory-of-everything-823245/