Teoría del todo

Desde los tiempos de los antiguos griegos, los filósofos han especulado que la aparente diversidad de apariencias oculta una subyacente unidad, y por lo tanto que la lista de las fuerzas puede ser acortada, de hecho que puede tener una sola entrada. Por ejemplo, la filosofía mecánica del siglo XVII propuso que todas las fuerzas podrían en últimas reducirse a una fuerza de contacto entre pequeñas partículas sólidas. Esto se abandonó después de la aceptación de las fuerzas gravitacionales a larga distancia propuestas por Isaac Newton; pero al mismo tiempo el trabajo de Newton en su Principia proveyeron la primera dramática evidencia empírica de la unificación de fuerzas que en ese momento parecían diferentes: el trabajo de Galileo en la gravitación terrestre, las leyes de Kepler del movimiento planetario y los fenómenos de mareas fueron todas cuantitativamente explicadas por una simple ley, llamada de la gravitación universal…

Teoría del todo

En 1820, Hans Christian Oersted descubrió una conexión entre la electricidad y el magnetismo; muchas décadas de trabajo culminaron en la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. También durante los siglos XIX y XX, gradualmente fueron apareciendo muchos ejemplos de fuerzas de contacto, elasticidad, viscosidad, fricción, presión-resultados de las interacciones eléctricas entre pequeñísimas partículas de la materia. A finales de 1920, la nueva mecánica cuántica mostró que los enlaces químicos entre átomos eran ejemplos de fuerzas eléctricas (cuánticas), corroborando la jactancia de Dirac que «las leyes físicas subyacientes necesarias para una teoría matemática para una gran parte de la física y toda la química [ya] son completamente conocidas». Se trataba, pues, de asociar dichas fuerzas fundamentales en un solo modelo totalizador que explicara de forma efectiva interacciones complejas de fuerzas aparentemente diversas y no correlacionadas.

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Todos los físicos buscan la Teoría del todo

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Los intentos de unificar gravedad con magnetismo se remontan a los experimentos de 1849-50 de Michael Faraday. Después de la teoría gravitatoria (relatividad general) de Einstein publicada en 1915, la búsqueda de una teoría del campo unificado que combine gravedad con electromagnetismo se tornó más seria. Al mismo tiempo, se hizo plausible el decir que no existían más fuerzas fundamentales. Prominentes contribuciones fueron las otorgadas por Gunnar Nordstrom, Hermann Weyl, Arthur Eddington, Theodor Kaluza, Oskar Klein, y la más notable dada por Einstein y sus colaboradores. Ninguna de estas propuestas tuvo éxito.

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Como el Santo Grial de la Física, la “teoría de todo” esquivó a Einstein que la buscó los últimos 30 años de su vida

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La búsqueda fue interrumpida por el descubrimiento de las fuerzas débil y fuerte, que no podían ser agregadas dentro de la gravedad o el electromagnetismo. Otro obstáculo fue la aceptación que la mecánica cuántica tuvo que ser incorporada desde el inicio, no emergió como una consecuencia de la determinista teoría unificada, como Einstein esperaba. Gravedad y Electromagnetismo pueden siempre coexistir pacíficamente como tipos de fuerzas de Newton, pero por muchos años se ha observado que la gravedad no puede ser incorporada en el panorama cuántico, dejándola sola al unificarse con otras fuerzas fundamentales. Por esta razón este trabajo de unificación en el siglo XX se focalizó en entender las tres fuerzas “cuánticas“: electromagnetismo y las fuerzas nucleares débiles y fuertes. Las dos primeras fueron unificadas en 1967-8 por Sheldon Glashow, Steven Weinberg, y Abdus Salam.

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Stephen Hawking : Una Teoría Unificada del Todo

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Las fuerzas fuertes y la electrodébil coexisten en el modelo estándar de partículas, pero se mantienen distintas. Muchas teorías unificadas (o GUT por sus siglas en inglés) han sido propuestas para unificarlas. Aunque la simpleza de las GUTs ha sido descartada en la experiencia, la idea general, especialmente cuando se vincula con las supersimetrías, continúa firmemente a favor de la comunidad teórica de física[1]

Se podría concebir un intelecto que en cualquier momento dado conociera todas las fuerzas que animan la naturaleza y las posiciones de los seres que la componen; si este intelecto fuera lo suficientemente vasto como para someter los datos a análisis, podría condensar en una simple fórmula el movimiento de los grandes cuerpos del universo y del átomo más ligero; para tal intelecto nada podría ser incierto y el futuro así como el pasado estarían frente a sus ojos.

Pierre-Simon Laplace

La Factoria Historica


[1] Ninguna teoría física al momento se cree que sea precisamente exacta. En lugar de ello, la física ha procedido por series de “aproximaciones sucesivas” permitiendo predicciones cada vez más exactas sobre una amplia gama de fenómenos. Muchos físicos creen que existen muchos errores en los confusos modelos teóricos con la naturaleza real de la realidad y sostienen que la serie de aproximaciones nunca terminará en “verdad”. El mismo Einstein expreso su visión en ocasiones. Desde su punto de vista, podemos razonablemente esperar por “una” teoría del todo donde consistente -en sí misma- incorpore todas las fuerzas conocidas actualmente, pero no debemos esperar en tener la respuesta final. En cambio, estaba abierto a opinar que a pesar de la aparente complejidad matemática en cada teoría, en un sentido profundo asociado con su subyacente simetría gaugiana y al número de constantes físicas universales, las teorías se simplificarán. Si eso ocurre, el proceso de simplificación no puede continuar indefinidamente. Hay un debate filosófico dentro de la comunidad física de la existencia o no de la teoría del todo y si debe ser llamada “la” ley fundamental del universo. Una opción es la posición reduccionista dura de que la teoría del todo es la ley fundamental y que todas las otras teorías que aplican en el universo son una consecuencia de la ley del todo. Otra visión es que las leyes emergentes (llamadas “leyes libres flotantes” por Steven Weinberg) donde gobierna un comportamiento de sistemas complejos deberían ser igualmente fundamentales. Ejemplos son la segunda ley de la termodinámica y la teoría de la selección natural. En punto comienza en que a través de nuestro universo esas leyes describen sistemas cuyo comportamiento puede (“en principio”) ser predicho por una ToE, que también se realizarán en un universo con diferentes leyes de bajo nivel, sujeto sólo a algunas condiciones muy especiales. Por lo tanto no es de ayuda, ni siquiera en principio, invocar un nivel bajo de leyes para discutir el comportamiento de los sistemas complejos. Algunos argumentan que esta actitud podría violar la Navaja de Occam si es completamente válida la formulación de la teoría del todo. Si no es claro que hay cualquier punto en cuestión este debate (por ejemplo entre Steven Weinberg y Phillip Anderson que no hay derecho a aplicar la palabra “fundamental” que respete los temas de interés. Aunque el nombre “teoría del todo” sugiera el determinismo citado de Laplace, este da una impresión muy engañosa. El determinismo queda frustrado por la probabilidad natural de las predicciones de la mecánica cuántica por la extrema sensibilidad a las condiciones iniciales que llevan al caos matemático y por la dificultad matemática extrema de aplicarla a la teoría. Por lo tanto, aunque el moderno modelo estándar de la física de partículas “en principio” prediga todos los fenómenos no gravitacionales conocidos, en la práctica sólo unos pocos resultados han sido derivados de una teoría completa (por ejemplo: las masas de unos de los simples hadrones) y esos resultados (especialmente las masas de la partícula donde son las más relevantes para la física de altas energías) son menos precisas que las actuales mediciones experimentales. Una verdadera teoría del todo difícilmente podría aplicarse. El principal motivo para investigar una ToE, a parte de la pura satisfacción de completar un siglo de búsqueda, es que todas las unificaciones predigan con éxito los nuevos fenómenos, muchos de ellos (p.e. generadores eléctricos) han probado su gran importancia práctica. Como en otros casos de teorías de reducción, la teoría del todo podría también permitirnos definir con certeza el dominio de validez y el error residual de aproximaciones de altas energías para una completa teoría de donde puedan obtenerse cálculos prácticos.

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