La teoría del campo unificado: Uniendo todo
Durante siglos, los investigadores han intentado describir todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza y cómo interactúan en una sola teoría. Esta teoría del campo unificado dejó perplejos a personajes como Albert Einstein, que trabajó en la teoría durante muchos años.
En física, un campo es un área bajo la influencia de alguna fuerza, como la gravedad o el electromagnetismo. Una teoría de campo se refiere, en general, a por qué se producen los fenómenos físicos, y cómo estos fenómenos interactúan con la naturaleza.
Las cuatro fuerzas fundamentales son:
- Interacción electromagnética: El electromagnetismo se refiere a las interacciones que afectan a las partículas cargadas eléctricamente, en particular para los tipos de luz. La partícula de esta fuerza se llama fotón.
- Interacción fuerte: Es la fuerza que une los neutrones (partículas con carga neutra) y los protones (partículas con carga positiva) en un núcleo dentro del átomo, que es la unidad básica de un elemento químico. La partícula de esta fuerza es el gluón.
- Interacción débil: Esta fuerza causa algunos tipos de radiactividad, y es activa en partículas pequeñas como los electrones, los quarks y los neutrinos. Las partículas de esta fuerza son los bosones W y Z.
- Interacción gravitatoria: La gravedad es la interacción atractiva que afecta a todos los trozos del universo, ya sean grandes o pequeños. Aunque no se ha descubierto, la partícula teórica para esta fuerza sería el gravitón.
El trabajo de Einstein
El físico escocés James Clerk Maxwell creó la primera teoría de campos a mediados del siglo XIX, relativa al electromagnetismo. Luego, a principios de la década de 1900, Einstein postuló su teoría de la relatividad general, que tiene que ver con la teoría de campo de la gravitación.
Einstein intentó desarrollar una teoría de campo unificada en la década de 1920, pero se vio obstaculizado porque entonces sólo se conocían algunas de las fuerzas. Mientras que el electromagnetismo y la gravedad estaban bien reconocidos, los estudios sobre el átomo estaban en pañales; en aquella época, el electrón y el protón eran las únicas partículas subatómicas conocidas, según la Sociedad Americana de Física.
Einstein (colaborando al principio con Jacob Grommer) se basó en el trabajo de otros científicos, que estaban tratando de convertir el espacio-tiempo en cinco dimensiones. En concreto, el trabajo de Einstein sobre el espacio-tiempo ocuparía cuatro dimensiones, y un conjunto adicional de ecuaciones (que representan las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo) sería la quinta. Entre los científicos que trabajaron en este problema se encuentran Hermann Weyl, Theodor Kaluza y Oskar Klein.
El primer artículo de Einstein sobre la teoría fue en 1922, haciéndose eco de un trabajo que fue publicado por Kaluza en 1921. Más adelante en su carrera, según APS, Einstein también intentó una teoría unificadora que generalizara el tensor métrico (que mide la curvatura del espacio y el tiempo). Einstein intentó ambos métodos durante las tres últimas décadas de su vida, sin éxito. Incluso pidió que le trajeran sus apuntes el día antes de morir, dijo APS.
Enfoques más recientes
Una limitación con el trabajo de Einstein fue al principio su rechazo, y luego su ignorancia de la teoría cuántica (que reconoció con el paso de los años.) Pero incluso hoy en día, los científicos que están familiarizados con la teoría cuántica también están teniendo dificultades para llegar a una teoría unificada.
Hay muchos enfoques que se están considerando, pero el más prometedor, según APS, implica la teoría de cuerdas. Esta teoría «describe todas las partículas elementales como cuerdas que vibran, con diferentes modos de vibración que producen diferentes partículas.»
En la década de 1980, los físicos (liderados por John Schwarz y Michael Green) llegaron a la conclusión de que la teoría de las cuerdas podía funcionar gracias a sus vibraciones. Al igual que un violín toca diferentes notas, decía la teoría, las diferentes vibraciones de las cuerdas de la naturaleza crearían diferentes partículas. A mediados de los años 90, Edward Witten propuso teorías más exactas de la teoría de cuerdas, ahora llamada teoría M. Su trabajo amplió las dimensiones de la teoría de cuerdas de seis a siete, y mostrando nuevos ingredientes de la teoría (incluyendo las branas, u objetos parecidos a membranas en varias dimensiones.)
El trabajo en este campo es muy incipiente, pero los investigadores intentan conocer más propiedades físicas de la cuerda estudiando las partículas subatómicas producidas en aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones. Entre otras direcciones, los experimentos del LHC pretenden buscar la supersimetría, o una supuesta propiedad matemática en la que cada especie de partícula tendría una especie de partícula compañera.
Los físicos advierten que un punto débil de la teoría de cuerdas es que aún no ha sido confirmada con datos. También hay otras aproximaciones a la teoría del campo unificado, como la gravedad cuántica, que trata de describir la gravedad en los términos de las matemáticas cuánticas.