Breve explicación de la unificación de las fuerzas fundamentales

La unificación de todas las fuerzas fundamentales es un gran reto de la Física.

Todos recordamos mejor o peor que en la escuela nos dicen aquello de que existen cuatro fuerzas fundamentales... Por ejemplo ahora mismo: estamos pegados al suelo y si dejamos caer un bolígrafo, ¿qué es lo que sucede?...Cae al suelo… Es la fuerza de la gravedad, que atrae a los cuerpos por el hecho de tener masa, o la deformación del espaciotiempo que nos comenta Einstein.

Estamos también bañados en la luz de las lámparas que nos iluminan: es la fuerza electromagnética que se debe al hecho de que los cuerpos poseen carga eléctrica, y esta fuerza no sólo es atractiva, como la gravedad, sino que también puede ser repulsiva: actúa atrayendo las cargas de distinto signo, o repeliendo a las de igual signo.

También estamos constituidos por materia y ésta está compuesta de átomos, y al nivel del núcleo de estos átomos, que son su zona central y más densa, a este nivel es donde residen las otras dos fuerzas: la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, (de ahí el nombre: actúan a nivel del núcleo atómico).

La fuerza nuclear fuerte permite mantener pegados los componentes del núcleo del átomo (protones y neutrones, y a nivel más elemental, sus partículas constituyentes: los quarks); es una fuerza muy importante en el universo, ya que de otro modo no podrían formarse los núcleos de los átomos, y no habría ningún tipo de objetos ni estructuras en nuestro Cosmos. La fuerza nuclear débil es la responsable de cierto tipo de desintegración radiactiva, la llamada "desintegración beta" (el proceso más conocido de este tipo es la desintegración del neutrón, uno de los constituyentes del núcleo atómico). Aunque es muchísimo más débil que la fuerza electromagnética o la fuerte, la fuerza nuclear débil es importante ya que hace posible la producción de energía del Sol y las estrellas (la primera reacción en la transformación del Hidrógeno en Helio es la producción de Deuterio, que está causada por la fuerza débil). Sin esta fuerza nuestro Universo estaría oscuro, sin estrellas ni galaxias que le dieran luz…

Tanto la fuerza nuclear fuerte como la débil no podemos observarlas en nuestra vida cotidiana porque su radio de acción es muy pequeño, al nivel del núcleo atómico, y decaen rápidamente con la distancia: A una distancia mayor de una billonésima de cm (10-12 cm) estas fuerzas ya son despreciables. Pues bien, estas fuerzas ahora las podemos distinguir, pero no ha sido siempre así. Cuando el Universo se formó, tenía mucha energía, como una ruleta girando, y las fuerzas fundamentales no se podían distinguir, como las casillas de la ruleta…

Sin embargo, a medida que la ruleta va perdiendo energía, podemos empezar a ver qué números la componen. Pues bien, algo parecido les pasó a las interacciones fundamentales: cuando el Universo tenía mucha energía, no podíamos distinguirlas, y a medida que el Universo fue perdiendo energía, fue "enfriándose", pudimos empezar a ver "las distintas casillas", las distintas fuerzas fundamentales. Técnicamente decimos que se producen "roturas de simetría" y con cada "rotura" podemos distinguir una de las fuerzas.

La primera fuerza que pudimos distinguir, que se separó del resto, fue la gravedad. Lo hizo cuando el Universo tenía 10-43 segundos y una temperatura de 1032 grados Kelvin (o energía de 1019 GeV). Después se separó del resto la fuerza nuclear fuerte cuando el Universo tenía 10-35 segundos y una temperatura 1027 Kelvin (o energía de 1014 GeV). Y más tarde, aunque no mucho, se desacoplaron, se separaron, la fuerza nuclear débil y la electromagnética, cuando el Universo tenía 10-12 segundos y una temperatura de 1015 grados Kelvin (o energía de 100 GeV (tanto el Kelvin como electrón-voltio (eV) son unidades de temperatura y energía respectivamente que se usan habitualmente en Física). Como comparativa, en la actualidad el Universo tiene una edad de unos 4x1017 segundos y unos 3 grados Kelvin de temperatura o energía de 10-4 eV.

Por tanto, todo este proceso fue extremadamente rápido: ¡sucedió cuando el Universo tenía mucho menos de un segundo de vida! La pregunta ahora es: ¿Podríamos volver a tener todas las fuerzas unidas otra vez? Y la respuesta es sí: todo depende de la energía que podamos conseguir, al igual que sucede si volvemos a hacer girar la ruleta con fuerza: volveremos a ser incapaces de distinguir las casillas, las distintas fuerzas fundamentales. Y por eso los aceleradores de partículas, capaces de inyectar mucha energía a la materia, nos permiten explorar etapas muy antiguas del Universo al ir consiguiendo acceder a niveles de energía cada vez más elevados.

Pero aún no henos conseguido encontrar una descripción para la fuerza que uniría a todas las fuerzas. En cierto sentido, 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 los planetas alrededor del Sol: es la fuerza de la gravedad. Luego Einstein le dio su toque magistral y habló de deformación del espaciotiempo. La segunda unificación, vino de mano de la electricidad y el magnetismo: vimos que de hecho, son la misma cosa: la fuerza electromagnética. A esta nueva visión unificadora contribuyeron Oersted, Faraday con sus observaciones, y finalmente Maxwell que formuló la teoría del electromagnetismo en 1860.

Durante el siglo XX pudimos adentrarnos y conocer a fondo la estructura microscópica de la materia. Gracias a ello identificamos otras dos fuerzas: la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Haciendo el recuento pues hasta el momento: cuatro fuerzas bien distinguidas: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Pero la historia continúa….

En los años 60 del pasado siglo, la teoría Glashow-Weinberg-Salam – cuyo nombre honra a sus descubridores- demostró que la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil son en realidad, una, como le había pasado antes a la electricidad y al magnetismo cuando se pensaba que eran cosas diferentes. Ahora Glashow, Weinberg y Salam nos decían que sucede lo mismo con el electromagnetismo y la fuerza débil: están unificadas en lo que se llama “la Teoría Electrobébil”.

¿Y la fuerza nuclear fuerte? La hemos pasado ya a su descripción cuántica –pensarla como mediada por partículas, y no por campos que están dispersos por todo el espacio- como se hizo antes con el electromagnetismo (a la teoría cuántica del electromagnetismo se la llama electrodinámica cuántica) y la fuerza electrodébil. Y tenemos una excelente teoría para esta fuerza nuclear fuerte cuantizada: tiene un nombre curioso: “Cromodinámica Cuántica”. Pero aún no hemos podido unificarla con la electrodébil anterior. Esa potencial teoría que unificará la electrodébil con la cromodinámica cuántica se llama “Teoría de la Gran Unificación”, y unificaría todas las fuerzas que conocemos salvo la gravedad.

¿Qué pasa con la gravedad que aún prosigue su camino “sola”?

La gravedad impone un reto muy difícil: necesitamos realizar un paso previo antes de unificarla con las restantes: necesitamos unir la Relatividad General de Einstein – la que nos dice que la gravedad es una deformación del espaciotiempo - con la Mecánica Cuántica - cuantificarla, es decir, pensarla como mediada por partículas, que para el caso de la gravedad sería la partícula llamada “gravitón” - y describir lo que se llama una “Teoría Cuántica de la Gravedad”.

Lo hemos podido hacer en cierto modo en el ámbito de bajas energías utilizando una herramienta matemática llamada “teoría efectiva de campos cuánticos”. Pero no es suficiente: necesitamos un tratamiento global que incluya también el régimen de altas energías. Hay dos caminos principales hacia esta Teoría Cuántica de la Gravedad: La Teoría de Cuerdas, y otra, menos conocida, la “Gravedad Cuántica de Bucles”.

Una vez tengamos esta descripción cuántica de la gravedad, quedaría entonces unificarla con la “Teoría de la Gran Unificación” previa, para obtener la gran teoría, la que unifica todas las interacciones incluida la gravedad, y a la que se llama “Teoría del Todo” o “Teoría M o Madre”. La búsqueda de esta fuerza única, es en cierto sentido parecido a la evolución del hombre: Si retrocedemos en el tiempo, vemos que todos los hombres proceden de un mismo primate; y si retrocedemos aún más atrás en el tiempo, vemos que todas las formas de vida surgen también

de un único organismo.

Con las fuerzas fundamentales sucede lo mismo: al remontamos en la historia del Universo, encontramos un momento, durante esas fracciones de tiempo minúsculas del primer segundo, en el que todas las fuerzas proceden de una sola…

Pero, contrariamente al caso del ser humano, con quien sabemos de qué tipo de primate procede, la fuerza única, la antecesora, el antepasado común de todas las fuerzas…aún se nos escapa. Estamos aún lejos de poder conseguirlo. Muchos físicos teóricos trabajan en este campo y os aseguro que es apasionante…