Los secretos de algunos de los mayores misterios del universo, según Sera Cremonini, podrían residir en el comportamiento de sus componentes más diminutos.
Considere el comienzo del universo. En una fracción de segundo después del Big Bang, hace 14.000 millones de años, una inmensa cantidad de materia estrechamente confinada explotó en un mar supercaliente de partículas subatómicas.
Y considere los agujeros negros que se forman cuando las estrellas masivas colapsan. Comprimen la materia tan densamente que nada de lo que entra en su dominio escapa, ni siquiera la luz.
¿Cómo interactuaron las primeras partículas del universo? ¿Cómo se formaron los quarks y cómo se combinaron para formar los primeros protones y neutrones? ¿Y qué leyes rigen la «singularidad gravitacional» de un agujero negro, un desgarro en el tejido del espacio-tiempo, donde la densidad y la gravedad se vuelven infinitas?
Cremonini, profesor adjunto de física, sondea estas cuestiones a través de la lente de la teoría de cuerdas, que propone que cada partícula del universo está hecha de diminutas cuerdas vibrantes de energía. Con un tamaño de sólo 10-34 metros, una cuerda es tan grande como un quark y un átomo como la Tierra.
Las cuerdas son objetos unidimensionales que tienen longitud pero no anchura. Pueden tener un extremo abierto, formar un bucle cerrado o unirse a membranas, o branas, que pueden ser diminutas o llenar todo el universo. Al igual que las cuerdas de una guitarra afinadas para producir diferentes frecuencias, las vibraciones de las cuerdas pueden asociarse a las distintas partículas que conocemos. Una de ellas corresponde al gravitón, la partícula que se cree que transporta la fuerza gravitatoria. La forma en que las cuerdas y las membranas se organizan e interactúan entre sí da lugar a las propiedades de las partículas subatómicas que observamos.
«La idea que subyace a la teoría de cuerdas es sencilla», dice Cremonini. «Si miramos en el interior de cualquier partícula, veremos una pequeña cuerda que vibra. Esta es la unidad fundamental que hemos estado buscando, la entidad fundamental que lo compone todo».
La teoría de las cuerdas, dice Cremonini, es el mejor marco ideado hasta ahora para tender un puente entre las dos teorías incompatibles que describen el funcionamiento del universo. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein enseña que la gravedad es la curvatura del espacio y el tiempo; es determinista y describe fenómenos a gran escala. La mecánica cuántica es probabilística; rige el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas.
«La teoría de la relatividad general de Einstein es una teoría hermosa y bien probada que nos dice cómo los objetos masivos deforman el tejido del espaciotiempo», dice Cremonini. «Gracias a ella, tenemos sistemas GPS y comprendemos las órbitas de los planetas y la curvatura de la luz alrededor de las galaxias. Y el año pasado, el experimento LIGO detectó por primera vez ondas gravitacionales, que Einstein predijo 100 años antes. Se trata de ondulaciones en el propio espacio-tiempo, causadas por la colisión entre dos agujeros negros, una espectacular confirmación de la relatividad general.
«Pero la relatividad general sólo funciona bien a grandes distancias o a grandes escalas: con un planeta, una manzana o un avión. La teoría no logra describir la gravedad en cualquier parte del universo. Se rompe cuando se va a distancias muy, muy cortas, donde los efectos de la mecánica cuántica no pueden ser ignorados.
«La relatividad general y la mecánica cuántica explican bien sus respectivos regímenes, pero necesitamos una teoría, una teoría de la gravedad cuántica, que unifique ambas, para describir situaciones en las que los efectos gravitatorios y cuánticos son igualmente importantes. La teoría de cuerdas es ahora mismo el marco más prometedor y consistente que tenemos para arrojar luz sobre la naturaleza cuántica de la gravedad. Es un conjunto de herramientas que podemos utilizar para responder a preguntas sobre el principio del universo, el comportamiento y las propiedades de los agujeros negros y el tejido del espaciotiempo. Todas estas ideas van unidas».
Cremonini recibió recientemente una beca de tres años de la Fundación Nacional de la Ciencia para estudiar la microestructura del espaciotiempo, el continuo de cuatro dimensiones en el que se entretejen las tres dimensiones físicas con el tiempo. Utilizando una técnica llamada holografía, espera arrojar luz sobre fenómenos que van desde las consecuencias inmediatas del Big Bang hasta la estructura y las propiedades de los agujeros negros, pasando por el comportamiento de materiales no convencionales como los superconductores de alta temperatura.
La vaca esférica
Cremonini comienza gran parte de su investigación con un lápiz y una hoja de papel, escribiendo ecuaciones diferenciales no mucho más complicadas que las que los estudiantes aprenden a resolver en el cálculo universitario. Las ecuaciones son las de la relatividad general con la teoría cuántica de campos y la teoría de cuerdas.
«Muchos de estos cálculos requieren intuición física», dice. «Algunos de ellos se pueden hacer a mano. Una vez que he planteado un problema de forma correcta, entonces utilizo el ordenador como ayuda.
Como la mayoría de los físicos, Cremonini hace muchas aproximaciones y suposiciones sobre el mundo real. Esto es especialmente importante en el caso de la teoría de cuerdas, ya que los científicos aún no han desarrollado herramientas que puedan producir u observar cuerdas.
«Hay un chiste en física sobre una vaca esférica», dice. «La mayoría de los problemas en los que trabajan los físicos requieren que hagamos aproximaciones del mundo real, como tomar una vaca y hacerla esférica porque una esfera es mucho más fácil de modelar que una vaca real.
«No tenemos las herramientas matemáticas para resolver ciertos problemas, así que nos vemos obligados a hacer simplificaciones y aproximaciones que los reducen a algo que podemos abordar. Tenemos que relacionar un problema que no sabemos cómo resolver con algo que sabemos que se puede resolver sin perder sus propiedades físicas esenciales».
El diccionario gravedad-cuántica
Una dualidad en la teoría de cuerdas, dice Cremonini, permite comprender cómo se relaciona la gravedad con el mundo de la mecánica cuántica. Algunos aspectos del espaciotiempo gravitatorio, dice, tienen descripciones alternativas en el mundo cuántico.
«En la teoría de cuerdas, aprendemos que ciertas teorías de la gravedad que viven en un número específico de dimensiones tienen descripciones correspondientes y completamente equivalentes en las teorías cuánticas que viven en una dimensión menos. Debido a esta diferencia en el número de dimensiones, llamamos a esto holografía, ya que recuerda a un holograma, que es una proyección de un objeto 3D en dos dimensiones».
Como un diccionario francés-alemán o japonés-inglés, dice Cremonini, una teoría gravitacional y su correspondiente teoría cuántica contienen la misma cantidad de información, pero están escritas con palabras y convenciones diferentes. La holografía ofrece una «rica red» de conexiones, dice Cremonini, que hace posible la traducción entre la gravedad y el mundo cuántico, y pensar de una manera totalmente nueva en algunos de sus aspectos más desafiantes. Resulta que un problema difícil de resolver en un ámbito puede trasladarse al otro -generalmente el gravitacional-, donde puede resolverse más fácilmente.
Evaluación de la asimetría de la realidad
El objetivo de la investigación actual de Cremonini es ampliar el alcance de los problemas a los que pueden aplicarse eficazmente las técnicas holográficas.
«Las técnicas holográficas se desarrollaron originalmente para sistemas sencillos que se comportan bien, tienen mucha simetría y no son demasiado realistas», afirma. «Hemos descubierto que estas técnicas son mucho más amplias y bastante potentes. Me pregunto hasta qué punto podemos ampliar y generalizar estas ideas a sistemas más complejos con menos simetría, que están más cerca de nuestro universo y, por tanto, son más realistas.
«A los físicos les gusta pensar en las cosas en términos de simetrías. La mayor parte de nuestro progreso, especialmente en la física de partículas, se ha basado en la comprensión de sistemas altamente simétricos; simplemente son más fáciles de entender. Pero en la vida real, la naturaleza tiene muchos mecanismos para romper las simetrías, y los procesos son dinámicos y mucho más complicados».
Los problemas que plantean el mayor reto para los físicos, dice Cremonini, suelen implicar sistemas cuyos componentes -electrones, por ejemplo- interactúan fuertemente entre sí. En estos casos, modelar cómo se comportan los sistemas a diferentes temperaturas, o cómo experimentan transiciones de fase de un estado a otro, es notoriamente difícil.
Una de las transiciones de fase que Cremonini ha estudiado se produce en un sistema cuántico llamado plasma de quark-gluón. Según la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), los protones y neutrones que componen el núcleo de un átomo están formados a su vez por tres pequeños quarks que están estrechamente unidos entre sí por unas partículas llamadas gluones. A energías suficientemente altas, en un fenómeno que recuerda el estado del universo primitivo, los quarks y los gluones se separan físicamente y flotan libremente en una sopa caliente, o plasma. La transición de fase que desliga a los quarks se conoce como deconfinamiento QCD y es objeto de experimentos en el Colisionador Relativista de Iones Pesados del Laboratorio Nacional de Brookhaven, y en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear en Suiza.
«Debido a las fuertes interacciones entre quarks y gluones», dice Cremonini, «este sistema es muy difícil de estudiar. Pero se puede trasladar a un sistema gravitacional apropiado, donde algunas de sus propiedades son mucho más fáciles de sondear».
Cuando la energía gobierna el comportamiento
En su proyecto de la NSF, Cremonini trata de utilizar técnicas holográficas para estudiar fases cuánticas de la materia cuyo comportamiento es poco conocido, precisamente a causa de esas fuertes interacciones. Un ejemplo es el de los superconductores de alta temperatura, que alcanzan la superconductividad a temperaturas de hasta -70 grados Celsius, en comparación con el umbral de -240 grados de los materiales superconductores metálicos ordinarios.
Debido a que tienen componentes que interactúan fuertemente, dice Cemonini, los superconductores de alta temperatura son mucho más difíciles de modelar que los superconductores normales.
«Los superconductores de alta temperatura son materiales muy interesantes, pero no hay una comprensión profunda de por qué superconducen», dice. «El comportamiento de los componentes de esos materiales es muy extraño. Sus electrones están tan entrelazados e interactúan con tanta fuerza que no podemos entender su comportamiento con las técnicas que normalmente utilizaríamos para los superconductores normales o los metales convencionales. Las técnicas holográficas nos ofrecen una forma de escribir cálculos manejables que hacen posible modelar estos sistemas y sus propiedades inusuales»
El comportamiento de muchos sistemas puede compararse con el de los niños que experimentan un subidón inducido por el azúcar. Cuando se elimina la energía de un sistema, dice Cremonini, el sistema se relaja hasta su estado de energía cero o estado básico. Cuando se añade energía, a menudo con la aplicación de calor, el sistema se excita y muestra un comportamiento rico.
«En física, es importante entender cómo se comportan los sistemas cuando se les quita la energía y a qué estado se relajan. El comportamiento es una función de la energía.
«Piensa en lo que ocurre cuando el agua hierve. Se forma una burbuja -una inestabilidad en el sistema- y comienza a crecer. Luego se forman más burbujas y crecen hasta formar una masa humeante. Así es como pensamos en las transiciones de fase; están ahí porque se forma una inestabilidad y luego crece. En mi trabajo estoy explorando una variedad de fases cuánticas y los tipos de inestabilidades que pueden resultar».
En su proyecto de la NSF, Cremonini también está explorando cómo surge la gravedad a partir de los componentes microscópicos de la mecánica cuántica. Espera que sus respuestas arrojen luz sobre la estructura del espacio-tiempo, el comienzo y la evolución temprana del universo, y la física de los agujeros negros.
«La teoría de cuerdas nos ha aportado muchos conocimientos sobre la relación entre la relatividad general y la mecánica cuántica, especialmente en los últimos 20 años. Nos ha ayudado a conocer la estructura fundamental de los agujeros negros. Sabemos que los agujeros negros tienen temperatura, lo que significa que hay entropía asociada a ellos. Pero la entropía no es sólo una medida del desorden. También nos dice que el agujero negro debe estar formado por un montón de trozos microscópicos. Uno de los grandes éxitos de la teoría de cuerdas es que nos ha dado una forma de calcular los bits microscópicos que componen ciertos agujeros negros, y ha reproducido su entropía con mucha precisión. Esto es notable, y es una necesidad para cualquier teoría de la gravedad cuántica.
«Quizá haya otra teoría que pueda describir todos estos fenómenos. Es posible, pero hasta ahora, la teoría de cuerdas es el mejor marco que tenemos.»
Historia de Kurt Pfitzer