Hacia una teoría unificada del universo en clave histórica

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Alberto Vázquez Bragado hace un magistral repaso por la historia de la física y por la evolución de nuestro entendimiento del universo, hasta las teorías actuales que buscan unificar la relatividad general y la mecánica cuántica…

La Revolución Científica comienza a gestarse entre los siglos XVI – XVII con el impulso de tres grandes sabios: Copérnico -el precursor-, Kepler y Galileo.

Los tres tienen en común la visión cosmológica de que no son el sol y otros astros los que giran alrededor de la Tierra, sino que son La Tierra y demás astros, como la luna, los que giran alrededor del sol; ya que la creencia, desde tiempos antiguos, era que nuestra Tierra era el centro del universo, como defendía la Iglesia, la Biblia y los documentos sagrados.

Era una idea básica y enraizada en todos los estamentos de la sociedad de su tiempo, especialmente en la iglesia católica, y no era posible desecharla por el hecho de que algunos sabios “iluminados” así lo afirmaran.

Galileo Galilei
Galileo Galilei (1564-1642)

Por ese motivo, los tres extraordinarios hombres de ciencia fueron criticados, y, alguno de ellos, como Galileo, perseguido durante largo tiempo por la “curia romana”. No obstante, como la idea de la Comunidad Científica se iba posicionando poco a poco a favor de las tesis científicas de los tres sabios y otra pléyade de hombres de ciencia y estudiosos de la época, como fue el caso del astrónomo Tycho Brahe, el equilibrio de fuerzas del paradigma se fue desequilibrando en favor de una nueva visión del universo.

El cálculo infinitesimal

Entre los dos siglos comentados, fueron apareciendo nuevas hipótesis y teorías que demostraban claramente que la feroz resistencia al cambio de los siglos anteriores había sido vencida, no sin alguna recaída en las convicciones de muchos hombres de ciencia y del pensamiento, que poco a poco fueron decayendo, favorecidos por la nueva forma de pensar de los filósofos racionalistas como Descartes y Kant; lo que desemboca en una manera distinta y sofisticada de interpretar el universo y sus fuerzas a través de las matemáticas, pero con un método nuevo.

La aparición del cálculo infinitesimal, ideado por Leibniz en “Alemania” e Isaac Newton en Inglaterra, demostró algo muy importante: que las leyes que rigen la Tierra son iguales a las que gobiernan el universo, lo que llevó a Newton a lanzar la primera gran Ley a nivel universal.

Isaac Newton
Isaac Newton (1643-1727)

Se llamó Ley de gravitación universal, que ponía en proporcionalidad la fuerza de gravedad con las masas de los dos cuerpos contrapuestos y la distancia entre sí, con la siguiente fórmula:

Fórmula de la fuerza de la gravedad de Newton

La fuerza de gravedad es igual a constante G por la masa de los dos cuerpos, partido por la distancia de ambos al cuadrado.

La aplicación en nuestro planeta ligaría la fuerza de gravedad con el tiempo y la distancia en la siguiente fórmula:

Fórmula del espacio de Newton

Donde “e” es el espacio, “g” la fuerza de gravedad y “t” el tiempo de caída.

En realidad, estas teorías significaban el punto culminante de la Revolución Científica.

A partir de ese momento, el mundo científico no cesa en su imparable avance hacia la excelencia, al mismo tiempo que sus conocimientos son utilizados por la industria, el comercio y el pensamiento, sobre todo, para la tecnología que se aplica al desarrollo industrial y económico, dando paso a la primera revolución industrial, que se produce en Inglaterra en la II mitad del siglo XVII.

En busca de un nuevo paradigma

Paralelamente, los hombres de ciencia y la Comunidad Científica se empiezan a preguntar si se encontraban en medio de una nueva Revolución Científica o se acercaban a ella.

Bien avanzado el siglo XX, un eminente historiador de la ciencia estadounidense, llamado Thomas S. Kuhn, comienza a preocuparse de los momentos en que se puede producir una Revolución Científica, y de los factores, intrínsecos y extrínsecos que aparecen en esos momentos.

Thomas Kuhn
Thomas Kuhn (1922-1996)

Su libro “La estructura de las revoluciones científicas”, de 1962, nos dice que la aparición de una Revolución Científica no solo depende del advenimiento de alguna teoría o descubrimiento revolucionario que desarrolle cambios conceptuales de las ciencias de la naturaleza, sino de que el entorno del que forma parte en el tiempo y espacio también cambie, y de que la visión del mundo, de la religión, de la sociedad, del pensamiento, y de otras cuestiones menores que forman parte de ese entorno, se modifique en un periodo corto de tiempo.

A todo eso, Kuhn lo denominó paradigma. Abreviando, un paradigma es todo lo que comparten los miembros de una comunidad científica; es decir, que una comunidad científica está formada por gente que comparte un paradigma.

La física cuántica

Así pues, a partir de las teorías de Newton, se empiezan a explorar nuevas hipótesis y leyes que, hasta entonces, era casi imposible que se le ocurriesen a nadie. Fue el caso del alemán Max Planck que descubre algo que nadie podía entender: la luz está compuesta de fotones, que no tienen masa y viajan en una especie de paquetes individualizados a los que llamó cuantos.

Era un concepto novedoso y había aparecido otra forma de analizar el universo. Había nacido un nuevo concepto de la física, era el inicio de lo que se llamaría “física cuántica”.

A partir de ese momento, se siguió ahondando en el estudio y análisis de las partículas más básicas de la materia del universo, con el átomo como partícula elemental de un tamaño infinitesimal y sin forma específica, imposible de localizar a través del ojo humano, microscopios o nuevas herramientas tecnológicas.

Paralelamente, aparece una mente privilegiada que desarrollará una serie de teorías sobre el universo que cambian por completo la manera de verlo y explicarlo. Se trata de Albert Einstein que, en la primera década del siglo XX, investiga si la luz que viaja en el espacio a 300000 km/s, está sometida a la fuerza de gravedad o no.

Albert Einstein
Albert Einstein (1879-1955)

El resultado de sus investigaciones teóricas y empíricas demuestran que, los rayos solares experimentan el efecto de gravedad al transitar cerca de cualquier astro y sufrir una desviación. La pregunta era: ¿cómo puede la luz solar, carente de masa, sufrir el efecto de la gravedad?

La respuesta del genial físico fue algo imposible de imaginar por otra mente que no fuera la suya: el espacio se volvía curvo al soportar la masa de cualquier cuerpo celeste, al estilo de una enorme red que soporta el “peso” de cada uno de los astros; o lo que es lo mismo, cualquier cuerpo situado en el espacio del universo, crea una depresión en el tejido del cosmos, con lo cual, ahora la gravedad hay que suponerla como un resultado o el efecto de una fuerza, y no como la fuerza gravitatoria que había descubierto Isaac Newton.

La energía atómica

El físico Michio Kaku expresa el descubrimiento de Einstein de esta forma: “en cierto modo la gravedad no existe; lo que mueve los planetas y las estrellas es la deformación del espacio y tiempo”, todo lo cual es terriblemente difícil de concebir y entender, pero que dio paso a la famosa fórmula:

Fórmula de la energía de Einstein

Siendo “E” la energía, “m” la masa y “c” la velocidad de la luz.

Lo que decía y dice esta famosa ecuación parece más un milagro de la naturaleza que una realidad, que lo es, pues demostraba que la masa se podía transformar en energía y viceversa. Además, al ser la velocidad luz de 300000 km/s, el cuadrado de esta cifra es un número enorme, lo que venía a significar que una partícula o un átomo de masa es capaz de producir una energía descomunal.

Fue el principio de la llamada era atómica, y los efectos de esa enorme energía la padecieron dos ciudades japonesas durante la II Guerra Mundial, por la explosión de 2 bombas atómicas.

Dentro de los mismos esquemas que plantea Einstein de sus teorías, aparecería una nueva visión del mundo al descubrir que el espacio y el tiempo no son absolutos, sino relativos; lo mismo para el observador que para el cuerpo observado. En realidad, aparece una nueva dimensión llamada espacio-tiempo que cambiaba ostensiblemente la estructura del universo.

De esa forma, Einstein con sus revolucionarias teorías y Hubble con sus descubrimientos en el universo estelar, lograron desvelar a gran escala la estructura del cosmos; al mismo tiempo que Plank y Bhor ahondaban en la estructura del átomo.

Richard Feynman afirmaba que si hubiese que reducir la historia científica en una declaración importante y universal diría: “todas las cosas están compuestas por átomos”, que están en todas partes y lo forman todo. De hecho, a medida que los físicos profundizaban en el conocimiento del mundo subatómico, se dieron cuenta que era completamente distinto al universo y las leyes que rigen para el mismo.

Las partículas del universo

Y, aunque fue Albert Einstein quien descubrió la existencia de los átomos en 1905, fue Ernest Rutherford quien idearía una verdadera teoría sobre el átomo.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford (1871-1937)

En su modelo, los protones y neutrones forman el núcleo del átomo que es muy muy pequeño -una millonésima de milmillonésima del conjunto del átomo-, pero enormemente denso, al contener casi toda la masa; pues los átomos son, casi todo, espacio vacío. Y si una bola de billar, al golpearla, no pasa a través de la otra, es porque orbitando ese núcleo se encuentran los electrones con sus cargas eléctricas, que son los causantes de que las 2 bolas se repelan entre sí.

Otro aspecto fundamental en dicho modelo era que el electrón o electrones que giraban alrededor del núcleo no lo hacen orbitando, de la misma manera que los hacen los planetas alrededor de su sol o estrella, pues debido a la fuerza de gravedad, acabarían cayendo sobre el núcleo. En realidad, según muchos estudiosos, los electrones se parecen más a las aspas de un ventilador girando en la órbita que le corresponde para no caer sobre el núcleo, para lo cual, van saltando de órbita en órbita soltando o tomando energía para conseguir la estabilidad.

Posteriormente, Werner Heisenberg elabora el principio de incertidumbre, que viene a decir que, para poder predecir la posición y la velocidad futura de una partícula, se ha de evaluar con toda precisión la posición y la velocidad de esta en un momento determinado.

Werner Heisenberg
Werner Heisenberg (1901-1976)

Aunque surgirá un problema: cuanta más precisión se emplee en medir una magnitud, más imprecisa será la medida de la otra magnitud, pues las longitudes de onda de la luz necesaria para la medición, que no han de ser menores que un cuanto, perturbarán la partícula. Es decir, que el resultado se modifica con la presencia de cualquier tecnología de medida, por lo que es imposible determinar su esencia y funcionamiento científicamente, aunque si se podrá hacer por medio de probabilidades. Había nacido otra rama de las matemáticas modernas.

Una teoría unificada del universo

Con todas estas teorías, solo algo quedaba claro: las cosas grandes y pequeñas del universo, no se comportan de igual manera. O sea, la física teórica y la física cuántica, no se parecen en casi nada; por lo cual, a partir de ese momento, las mentes más brillantes de la física teórica, empezando por Albert Einstein, se dedicaron en cuerpo y alma a buscar una teoría unificada para esos 2 mundos.

El genio alemán se pasaría el resto de su vida tratando de conseguirlo sin ningún éxito importante. Tampoco lo consiguieron otros afamados físicos posteriores, y el interés por encontrar esa fórmula mágica fue decayendo poco a poco.

No será hasta bien entrado el siglo XX y principios del XXI cuando varios físicos teóricos de prestigio como Jöel Scherk, Edward Witten y Kaluza-Klein, lanzan una nueva teoría unificada capaz de unir los dos importantes campos de conocimiento: la relatividad general y la mecánica cuántica.

Edward Witten
Edward Witten (1951)

Se trataba de una nueva teoría, llamada de cuerdas, que pretendía ser la teoría unificada de todo, y que afirmaba que los cuerpos o la materia están formados por átomos y estos, a su vez, tienen electrones y quarks, donde estas diminutas partículas formarían una especie de bucles de cuerdas vibrando.

Sería en su nivel más ínfimo, más microscópico, donde se producirían una serie de combinaciones de hilos vibradores, capaces de encontrar un marco explicativo para todas las fuerzas y materia del universo; si bien, hay que tener en cuenta que la teoría de cuerdas no es algo definitivo, sino un marco conceptual sobre el que todavía se sigue trabajando y del que ya se han obtenido importantes logros parciales sobre la naturaleza del espacio, la materia y el tiempo.

Referencias:

  • Bryson, Bill. (2006). Una breve historia de casi todo. Madrid, España. RBA Libros.
  • Chudnowsky y otros. (2008). El templo de la ciencia. Los científicos y sus creencias. Barcelona, España. Ediciones Destino.
  • Greene, Brian. (2001). El Universo Elegante, supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de una teoría definitiva. Barcelona, España. Ediciones Crítica.
  • Hawking, Stephen y Mlodinow, Leonard. (2010). El gran diseño. Barcelona, España. Ediciones Crítica.

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Alberto Vázquez Bragado
Alberto Vázquez Bragado
Licenciado en Historia por la universidad de Barcelona. Máster en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Formación en Ciencias Económicas, Dirección de Empresas y Literatura. Autor de artículos de investigación en la revista científica Llull y de varios libros de divulgación científica.

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