Ministerio de Ciencia e Innovación Gobierno   de Canarias Universidad de La   Laguna CSIC

Logo del IACLogo de Cosmoeduca

Logo de Gravitación

FÍSICA AVANZADA

Lista de correo iac-edu

GRAVITACIÓN

RELATIVIDAD

VIAJE A MARTE

UNIVERSO

ÓPTICA

ADAPTACIONES

OTROS RECURSOS

Asociaciones Astronómicas

 

Guía de uso - Introducción - Temas principales - Textos complementarios - Experimentos - Física avanzada - Memoria - Bibliografía

icono física
Física Avanzada 5

La unificación final o teoría del Todo: ¿Cuántas fuerzas hay en la Naturaleza? ¿Una, dos, tres, cuatro...?

Realmente no lo sabemos a ciencia cierta. Hemos identificado hasta cuatro fuerzas (llamadas interacciones): la gravitatoria, la electromagnética, la fuerte y la débil (ver el Experimento 1 donde se identifican en la clase). Pero pudiera ser que algunas fuerzas fueran en realidad la misma, o sea que estemos dando nombres diferentes a lo que sería la misma interacción. En ese caso habría menos de cuatro fuerzas... y quizá sólo una si al final resultara que todas son lo mismo con diferentes nombres. A eso se le llama "unificación" de las fuerzas. Por poner un ejemplo, la primera unificación importante la hizo Newton al darse cuenta de que la fuerza que nos pega al suelo (el peso) es la misma que la fuerza que hace girar a la Luna alrededor de la Tierra, a la Tierra alrededor del Sol, etc. Es la fuerza de la gravitación universal.

Repasemos la historia del conocimiento de las fuerzas de la Naturaleza. Es divertido, porque, aunque parece que la humanidad (o los físicos, al menos) han estado dando bandazos sin saber cuántas fuerzas hay, esconde una hermosa historia de búsqueda de lo simple y lo profundo. Al principio pensábamos (Aristóteles) que había una sóla fuerza, la gravitatoria. Más tarde, aún en la antigüedad, creían que tres (la gravitatoria, la electricidad y el magnetismo). Pero luego supimos que la electricidad y el magnetismo son la misma cosa vista desde dos distintos puntos de vista (ésta fue la primera unificación de verdad, obra de Oersted, Faraday y, finalmente, Maxwell, con sus ecuaciones del electromagnetismo propuestas en 1860), así que pensábamos que sólo había dos fuerzas (la gravitatoria y la electromagnética). El siglo XX nos trajo un conocimiento hasta entonces imposible de la estructura microscópica de la materia, y se identificaron la interacción débil y la fuerte. Cuatro fuerzas, por consiguiente: la gravitatoria, la electromagnética, la fuerte y la débil. Esto es lo que explican muchos libros de texto (las "cuatro fuerzas"), pero la historia no acaba ahí.

A la fuerza débil le duró muy poco su independencia, porque en los años 60 del pasado siglo, la teoría Weinberg-Salam demostró que la fuerza electromagnética y la débil son una. Esta teoría ha sido comprobada experimentalmente, así que nadie duda hoy de que hay tres fuerzas: la gravitación, la electrodébil y la fuerte. Eso es lo que sabemos de cierto en la actualidad.

Sin embargo, tenemos una excelente teoría (aceptada por la mayoría de los físicos) que demuestra que la fuerza fuerte es lo mismo que la electrodébil (como siempre, vista desde otro punto de vista), pero por desgracia aún no ha podido ser comprobada con los experimentos. Si se comprobara experimentalmente, obviamente sólo quedarían dos fuerzas (la gravitatoria y la electro-magneto-fuerte-débil; habría que simplificar ese nombre, ¿no?) y a esto los físicos le llaman teoría de la gran unificación. Hay muchos físicos trabajando en esa teoría; la recompensa es, seguro, el Premio Nobel (igual que a Steven Weinberg y a Abdus Salam se lo dieron en 1979 por la unificación electrodébil).

Pero: ¿qué pasa con la gravitación? ¿Nadie se atreve con ella? No hemos mencionado intentos de unificarla. A primera vista la cosa parece fácil: tanto la gravitación como el electromagnetismo son fuerzas que decaen como el cuadrado de la distancia (la fuerte y la débil, no). Esto parece algo profundo, pero, sin embargo, nadie ha demostrado que sean aspectos diferentes de una misma cosa. No se han unificado.

Una de las razones es que, aunque tengan la misma dependencia con la distancia, son extremadamente diferentes en su intensidad: la fuerza de la gravedad es unas 1040 veces más débil que, por ejemplo, la eléctrica. Esto hace que sea extremadamente difícil experimentar con la gravedad a escala microscópica (que es donde conocemos bien a las otras fuerzas). Pero otra de las razones, quizá la más importante, es que la gravedad, tal como la entendemos hoy (la relatividad general de Einstein) es la más extraña de las fuerzas. En realidad aún no sabemos qué es la gravedad. El mismo Einstein, al proponer la conexión entre la gravitación y la geometría del espacio-tiempo, se dio cuenta de que separaba completamente a la gravedad del resto de las fuerzas. La gravedad, estrictamente, ya no es una fuerza (una interacción): en lugar de afectar simplemente al equilibrio o movimiento de un cuerpo (como las otras fuerzas), la gravedad transforma la geometría del espacio-tiempo a su alrededor. Para superar esta separación, Einstein intentó durante los años finales de su vida desarrollar una "teoría de campo unificada" para todas las interacciones físicas. No lo consiguió, y es claro que, si un genio como él fracasa, mejor tomar otro camino. De hecho, la inmensa mayoría de los físicos actuales van en sentido contrario: en vez de intentar describir las otras fuerzas en el marco de la gravitación einsteniana tratan de describir la gravedad en el marco de la mecánica cuántica.

A eso le llaman teoría cuántica de la gravedad, pero, siendo realistas, hay que decir que no existe hasta hoy tal teoría cuántica de la gravedad: los físicos han fracasado hasta ahora en su intento de inventarse una teoría de la gravitación que esté de acuerdo con los principios cuánticos y de incertidumbre. Einstein fracasó en un sentido; el resto fracasó en el otro... hasta ahora. Entender la gravedad es uno de los grandes retos (si no el mayor) de la física teórica para el presente siglo.

Pero supongamos que llegamos a tener una teoría cuántica de la gravedad que supere a la actual de Einstein (tal cosa no es fácil porque, hasta el momento, todos y cada uno de los experimentos y observaciones astrofísicas realizados están estrictamente de acuerdo con la relatividad general de Einstein). Pero si tuviéramos tal teoría de la gravitación, habría que investigar además si es o no "unificable" con las demás interacciones. Para ello hay dos caminos que ya hemos indicado: la experimentación en laboratorios de altas energías y las observaciones astrofísicas. El primer camino es prácticamente imposible, ya que harían falta laboratorios que aceleraran a las partículas de prueba hasta energías inconcebibles (1040 electron-voltios, en las unidades de los físicos de partículas) cuando los más potentes aceleradores actuales llegan a 1012 electron-voltios, o sea un-uno-seguido-de-28-ceros menos potentes que lo que necesitamos. Durante mucho, muchísimo tiempo, todo avance en nuestro entendimiento de esa fuerza misteriosa que es la gravitación debe venir de las observaciones astrofísicas.

A la hipotética unificación de todas las fuerzas se la llama Teoría del Todo. Aún estamos muy lejos de ella.