La Fsica Cuntica y su impacto tecnolgicoQuiz tantos siglos de descuidar las ciencias han provocado en nosotros la sensacin de que nunca podremos ponernos al da en la creacin de las ciencias, y que incluso no vale la pena ni siquiera intentarlo, Ser cierto?AbdusSalam(Pakistn). PremioNobelde Fsica 1979En nuestros pases se desconoce en gran medida, el impacto de la Fsica Cuntica y la investigacin en Fsica Bsica, sobre nuestro modo actual de vida.Principalmente en los pases subdesarrollados prevalece un criterio entre quienes dirigen los sectores acadmicos, polticos e industriales, segn el cual invertir en ciencia bsica es menosbeneficioso que invertir en investigacin aplicada.HenrickCasimir, excepcional por el hecho de que no slo contribuy al conocimiento de la Mecnica Cuntica, sino que tambin fue el director de los laboratorios de investigacin de laPhilipsen Holanda, y por lo tanto tuvo experienciaen investigacin acadmica como industrial, refut ese punto de vista de forma memorable:He odo manifestaciones de que el papel de la investigacin acadmica sobre la innovacin es despreciable.Es la tontera ms escandalosa con la que mi suerte me ha deparado tropezar.Sin duda alguna, uno puede especular ociosamente si los transistores hubiesen sido descubiertos por personas que no hubiesen estado entrenados en, y que no hubiesen contribuido a la mecnica ondulatoria o a la teora de los electrones en los slidos.Pero ocurre que los inventores de los transistores eran versados en, y contribuyeron a, la teora de los slidos.Uno puede preguntarse si los circuitos bsicos de los computadores podran haber sido encontrados por gente que quera construir ordenadores. Pero, ocurre que fueron descubiertos en los aos treinta por fsicos que se ocupaban de contar partculas nucleares porque estaban interesados en la fsica nuclear.Uno podra preguntarse si se hubiese hallado la energa nuclear porque la gente quera nuevas fuentes de energa o si la urgencia de tener nueva energa hubiese conducido al descubrimiento del ncleo. Quiz, pero ocurre que no sucedi de esa manera y que fueron los Curies y losRutherfordy Fermi y algunos cuantos ms.Uno podra preguntarse si existira una industria electrnica sin el descubrimiento previo de los electrones por gente comoThomsony H. A.Lorentz.De nuevo no ocurri de esa manera.Uno puede incluso preguntarse si las bobinas de induccin de los motores de los coches hubiesen podido ser construidas por compaas que queran hacer transporte motorizado y si se hubiesen tropezado con las leyes de la induccin. Pero las leyes de la induccin haban sido encontradas porFaradaymuchas dcadas antes.O si, sintiendo la necesidad de suministrar una mejor comunicacin, uno hubiese podido encontrar las ondas electromagnticas. Estas nofueron descubiertasde tal manera.Fueron encontradas porHertz, que resalt la belleza de la fsica y que bas su trabajo en las consideraciones tericas de Maxwell.Creo que no existe prcticamente un ejemplo de innovacin del siglo XX que no est en deuda de esta manera con el pensamiento cientfico bsico.Este punto de vista tambin era compartido por hombres comoFaradayy J. J.Thomson.Faraday, al ser preguntado por el famoso primer ministroGladstonepor la utilizacin prctica del descubrimiento de la electricidad replic: Un da, seor, podr usted ponerle impuestos. De forma anloga,Thomson, que descubri el electrn, sealaba que mientras que la investigacin en ciencia aplicada conduce a la mejora y desarrollo de mtodos viejos, la investigacin en ciencia pura puede resultar en mtodos completamente nuevos y ms poderosos.Conclua que la investigacin en ciencia aplicadaconduce a revoluciones, y las revoluciones, bien sean polticas o industriales, son cosas extremadamente beneficiosas si uno est en el lado de los ganadores.Desde los aos finales del siglo XX, tenemos claro que el conocimiento cientfico representa un valor estratgico desde el punto de vista econmico, lo que realmente se valora es la cantidad de conocimiento invertido en la elaboracinde un producto y esto es lo que se pretende demostrar seguidamente, en el caso especfico del aporte de la fsica cuntica al desarrollo de las altas tecnologas.LA FISICA CUANTICA Y LAS ALTAS TECNOLOGIAS-Las avanzadas tecnologas afectan la educacin, la capacitacin profesional, el tipo de trabajo y el bienestar social.-Algunoscientficos consideran que los mejores trabajos y oportunidades de inversin, en alta tecnologa, ms all del 2000 estn dados por la investigacin y desarrollo en los siguientes campos principalmente:Superchipsde computadores de nueva generacin y su impacto en los mercados internacionales.Supercomputadores y microcomputadores.Mercado mundial de la televisin y el impacto de la televisin de alta definicin.La comercializacin de superconductores de altas temperaturas y nuevos materiales.Todos los productos de alta tecnologa han sido creados segn nuestro conocimiento de la estructura atmica, conocimiento alcanzado basndose en los fundamentos tericos de la Mecnica Cuntica, rama de la Fsica Moderna, que trata del comportamiento a nivel atmico y subatmico.TECNOLOGICAS DE TIPO ATOMICO:Comienzan a desarrollarse despus de la Segunda Guerra Mundial, y llega a su punto ms lgido durante los aos setenta.Durante los aos ochenta constituy una parte significativas de la economa mundial.-Computadores personales.-Potentes estaciones de trabajo.-Fax e impresoras lser.-Ciruga de precisin con lser y comunicacin por satlite.-Imanes superconductores y aceleradores de partculas de altas energas.-Drogasrecombinantes, ADN y diagnosis por imgenes de resonancia magntica.La alta tecnologa abarca un espectro muy ancho de nuevas industrias que representan el estado del arte en investigacin, desarrollo y fabricacin.-Robtica-Supercomputadores-Inteligencia artificial}Son extensiones de Tecnologa de semiconductores y computadores.

-Industria de las telecomunicaciones}Electrnica y ptica lser-Ciencias aeroespaciales y nuevosmateriales}Ramas de la alta tecnologa.Las industrias actuales de alta tecnologa comprenden las siguientes ramas:-Semiconductores-Computadores-Robtica-Supercomputadores-Inteligencia artificial-Lser-Medicina de alta tecnologa-Fibra ptica-Telecomunicaciones-Aeroespacial-Nuevos materiales-Aceleradores de partculas-BiotecnologaEn todas las nuevas industrias subyacen cuatro reas bsicas de alta tecnologa:-Semiconductores-Lser-Superconductores-Ingeniera Gentica}Todos los grandes desarrollos tienen susiniciosen los aos cincuenta

LA ALTA TECNOLOGIA DE SEMICONDUCTORES:Abarca un rango muy variado de productos que incluye transistores, circuitos integrados, chips de memoria y microprocesadores, hardware y software de ordenador, ordenadores personales (microcomputadores), superordenadores, robots e inteligencia artificial.A continuacin se citan algunas fechas importantes en relacin con el desarrollo de la tecnologa de semiconductores:1947.JohnBardeen, WalterBrattainy WilliamShockleyinventan el transistor, y en 1956 se les concede el PremioNobelde Fsica.1959.Se desarrolla una nueva tcnica que permite la fabricacin de transistores mediante capas de materiales semiconductores. Esta tecnologa abri el camino para la produccin en masa de transistores usando obleas planas de silicio.1961.En una oblea de silicio se fabrica en un solo dispositivo un circuito electrnico completamente operativo constituido por varias partes. Esto es el circuito integrado, el chip, que marc el comienzo de la era de la informacin.1971.Se hace realidad el primer microprocesador, un ordenador completo en un nico chip.Conocido como elIntel4004, el chipcontenancerca de 2000 componentes.En la actualidad un chip de cuatromegabitescontiene ocho millones de componentes.1977.Aparece el ordenador personalAppleII, con una memoria de 4kilobites, estableciendo la revolucin del PC:1980.Comienza formalmente la revolucin de los microordenadores con la introduccin del IBM-PC en 1981, del IBM-XT en 1983, de losAppleMacIntoshen 1984, del IBM-AT en 1986 y del IBM-PS/2 en 1987.LA ALTA TECNOLOGICA DE LASER:Proporciona algo ms que las impresoras lser y los discos compactos (CD).Da lugar a una rama industrial totalmente nueva llamadaoptoelectrnica, que incluye las telecomunicaciones por fibra ptica, as como los sistemas de almacenamiento de datos de computador en CD.1954.JamesGordon, H. J.Zeigery CharlesTownesinventan el primer mser operativo, el equivalente al lser en microondas.1960.Se prueba el primer lser.Era de rub, produciendo un haz rojo de luz lser, del mismo tipo que el que se utiliza en los sistemas de seguridad de algunas tiendas.1972.Se mide la velocidad de la luz con una exactitud sin precedentes utilizando un haz lser producido por una mezcla de helio-Nen.1980.Empiezan las aplicaciones de la tecnologa lser. Las aplicaciones industriales incluyen el corte, soldadura, alineamiento y vigilancia.Juega un papel crucial en el campo de la ciruga de precisin, al igual que en telecomunicacionesoptoelectrnicas, por no mencionar el sistema de guiado de misiles y bombas (guerra del Golfo Prsico).LA ALTA TECNOLOGIA DE SUPERCONDUCTORES:El fenmeno de la superconductividad es antiguo, fue descubierto en 1911 porHeikeKamerlingh-Onnes, pero esta rama de la fsica permaneci en total oscuridad durante 70 aos hasta 1986.Ahora todo el mundo est interesado en los nuevos superconductores de alta temperatura, con juicios multimillonarios por los derechos de patentes. En los objetivos de la investigacin y desarrollo de superconductores se incluyen la transmisin de potencia as como el almacenamiento de energa, trenes de levitacin magntica y dispositivos de conmutacin ultrarrpidos para aplicaciones en computadores.1973.Se descubre el primer material superconductor, un compuesto deniobio, que presenta esta propiedad por encima del punto de ebullicin del hidrgeno lquido.1986.Se descubre el primer superconductor, un no metal, que presenta superconductividad a temperaturas superiores al punto de ebullicin del helio lquido. PremioNobelde Fsica para AlexMullery J.Bednorzpor el descubrimiento.1987.Se descubre el primer material que es superconductor a temperaturas superiores del punto de ebullicin del nitrgeno lquido, el cual es barato y fcilmente disponible.Se provoca una desenfrenada carrera mundial a la bsqueda de nuevos materiales.LA ALTA TECNOLOGIA DE LA INGENIERIA GENETICA:Es la nica alta tecnologa en las ciencias de la vida, y cubre un amplio espectro de aplicaciones, enlas molculas ADN, recombinacin de manipulaciones de ADN, en agricultura, petroqumicay biotecnologa farmacutica. Esta rea de alta tecnologa est fuera del mbito de la fsica.1953.JamesWatsony FrancisCrickdescubren que la estructura de la molcula ADN tiene forma de una doble hlice.1961.Se descifra el cdigo bsico de la vida, secuencias de molculas base en una molcula de ADN conectadas a otras de amino-cidos en una molcula de protena.1978.Se produce de forma masiva el primer medicamento producido por ingeniera gentica:lainsulina humana.1986.Se produce por tecnologa de recombinacin de ADN la primera vacuna contra la hepatitis.1988.Primera patente concedida a un animal viviente por ingeniera gentica:unratn propenso al cncer.El hecho de que estas cuatro reas bsicas de alta tecnologa sean productos de la segunda mitad del siglo XX no es el nico denominador comn entre ellas.Tienen un aspecto comn fundamental:la fuente comn de conocimiento, que no es otra que el conocer de forma detalladalas estructuras atmicasque nos han sido reveladas por los fundamentos tericos de lafsica cuntica, desarrollada durante la primera mitad del siglo veinte.Los superconductores y los semiconductores deben sus propiedades a laestructura electrnica de los tomosque forman el material, mientras que el haz de luz lser es debido a una reaccin en cadena de tomos en transicin de niveles de energa superiores a inferiores. El mecanismo por el que dos ramales de una molcula de ADN se separan y reproducen, el proceso mismo de la vida, depende de la estructura de los tomos y de las molculas.Si quisiramos encontrar una nica definicin para la alta tecnologa, se debe decir que esla tecnologa de la fsica cuntica,la tecnologa de tipo atmico.COMENTARIOS FINALES-Hace 75 aos, el fsico dansNielsBohrpropuso un nuevo esquema terico que daba cuenta de los fenmenos atmicos y moleculares. Varios experimentos haban demostrado, que el comportamiento de la naturaleza en la escala atmica contradeca las predicciones de la fsica clsica de Maxwell y Newton.-Desde el punto de vista cientfico, la mecnica cuntica representa una teora coherente como herramienta para entender los fenmenos que suceden en la escala microscpica, cuyas predicciones han sido confirmadas experimentalmente con un impresionante grado de precisin.-La invencin del transistor ha sido el descubrimiento que ha tenido el impacto ms directo en nuestras vidas, uno de sus descubridores el fsicoJohnBardeenen su conferencia de recibimiento del PremioNobelde Fsica, deja en claro que el transistor no se descubri por accidente con estas palabras:el propsito general del programa era el obtener un conocimiento lo ms completo posible de los fenmenos semiconductores, no en trminos empricos, sino sobre la base de la teoraatmica.-El fsicoLeonLederman, galardonado con el Premio Nbel por el descubrimiento delquarktop, una de las partculas fundamentales de la materia, sostiene que el 30% del Producto Interno Bruto de los Estados Unidos los genera la Mecnica Cuntica!-MauricioFortes, Presidente de la Academia de la Investigacin Cientfica de Mxico, en un artculo publicado acerca de este tema, concluye que esta historia tiene dos moralejas:1.Un pas que aspira a librarse de las cadenas del subdesarrollo requiere de una masa crtica de cientficos que conozcan la mecnicacantica.2.La tecnologa moderna slo puede desarrollarse si ocupa un nicho compartido con la ciencia bsica.El punto de vista crucial que da sentido a las dos afirmaciones anteriores, tiene que ver con los tiempos de maduracin que transcurren entre la concepcin de un principio bsico y su eventual aplicacin a escala industrial. Actualmente estos perodos varan entre diez y veinte aos.La globalizacin despierta nuevas exigencias para las ciencias, con un nfasis en concebir esta actividad como un agente utilitario, que debe producir beneficios materiales en el menor tiempo posible.Se confunde a la ciencia con la tecnologa avanzada, al identificarla como un instrumento eficaz, para mejorar el nivel de competitividad de productos y procesos.En todos los pases de economa fuerte, existe un orden histrico que correlaciona la existencia de una comunidad cientfica de primera lnea, que alimenta al desarrollo tecnolgico. Esta relacin de causa y efecto entre ciencia bsica, ciencia aplicada y bienestar social no se puede lograr en un pas que ignora la importancia de cultivar y multiplicar los nichos de conocimientos alojados en nuestras universidades, institutos y centros de investigacin.AbdusSalamPremioNobelde Fsica de 1979 y ciudadano del Pakistn, expresa claramente la problemtica que enfrentan nuestros pases subdesarrollados al tratar de elaborar sus polticas cientficas frente a los organismos internacionales en los siguientes trminos: Dentro del mundo en desarrollo, hay muy pocos que ponen nfasis en que para lograr una eficacia a largo plazo, la transferencia de tecnologa debe ir siempre acompaada de una transferencia de ciencia; que la ciencia de hoy es la tecnologa de maana, y que cuando hablamos de ciencia sta debe entenderse en su sentido ms amplio para que sus aplicaciones sean efectivas. Yo incluso ira ms lejos: si uno fuera maquiavlico, uno podra discernir motivos siniestros entre aquellos que nos tratan de vender la idea de una transferencia de tecnologa sin transferencia de ciencia. No hay nada que nos haya hecho ms dao en el Tercer Mundo que la consigna, reciente en los pases ricos, de una ciencia apropiada. Desafortunadamente, esta consigna fue irresponsablemente repetida en nuestros pases para justificar la paralizacin en el crecimiento global de la ciencia.FsicoWarnerChavesVargasEscuela de FsicaInstituto Tecnolgico de Costa Rica

Teora de Cuerdas vs. Gravedad Cuntica de Bucles

La idea de la materia aceptada es que se compone de partculas minsculas guiados por campos de fuerza cunticos. Esto ya est muy lejos de la vista de sentido comn que la materia es, bueno, slo trozos de cosas. Si que parece bastante difcil de tomar, entonces preprate para un poco ms alejados del sentido comn.

Los fsicos tericos que trabajan en el campo enrarecido de la gravedad cuntica de bucles han desarrollado una manera de describir las partculas elementales como meros enredos en el espacio. Si estn en lo cierto, podra ser la generalizacin cientfica ms profunda de todos los tiempos, en el que todo en el universo surge de una simple red de relaciones, sin bloques de construccin fundamentales en absoluto.

Hasta ahora, la gravedad cuntica de bucles ha parecido como un pariente pobre de la teora de cuerdas, que durante aos ha sido la ruta ms popular a una "teora del todo" en el que todas las fuerzas de la naturaleza, y especialmente la gravedad, el forastero, entre otros - estn unidos. La teora de cuerdas se basa el mundo, desde pequeas cuerdas y membranas que habitan en un espacio de 9 10 dimensiones. Se acaba con algunos de los infinitos molestos de la mecnica cuntica y, sobre todo, predice las partculas que transportan la gravedad.

Sin embargo, para algunos ojos, la teora de cuerdas ha desvelado. Ha quedado claro que hay muchas soluciones diferentes inconcebiblemente a sus ecuaciones, cada una con diferentes constantes de la naturaleza y las leyes de la fsica, la mayora de los cuales estn en desacuerdo con lo que sabemos sobre nuestro universo. La teora de cuerdas no parece tanto una teora del todo en nuestro universo como una teora de todo lo dems. Otra crtica es que en vez de predecir la existencia de espacio y tiempo, la teora de cuerdas los toma como un hecho.

"La rivalidad entre las dos teoras se debi en parte a los diferentes antecedentes y prejuicios de sus profesionales"

Gravedad cuntica de bucles, a pesar de su nombre confusamente similar, toma un enfoque diferente en el que todo se construye a partir de una red de relaciones. Ellos no son ni siquiera las relaciones entre los objetos como tales, slo un grfico resumen de las conexiones, pero a gran escala algo as como nuestro espacio y el tiempo sin problemas surgen de la red. Ahora, tal vez, la materia tambin lo hace, porque resulta que cuando la red est ligado en una trenza que forma algo as como una partcula. Esta entidad es estable, y puede tener carga elctrica y la "imparcialidad" - una caracterstica de las partculas que ha hilado hacia la izquierda o la derecha. Es ms, algunas de las trenzas de diferentes coincidir con las partculas conocidas. Eso ya parece ser una mejora con respecto a la teora de cuerdas, que permite a los universos en los que hay conjuntos completamente diferentes de las partculas.

Como conseguir-hacia fuera, algunos tericos de cuerdas han recurrido al principio antrpico, lo que sugiere que las leyes y constantes de nuestro universo tiene que ser la forma en que van a permitir el surgimiento de la vida - de lo contrario no estaramos aqu para medirlos. Este razonamiento antrpico es filosficamente incmodo para muchos cientficos, que cuestionan incluso si es comprobable. Gravedad cuntica de bucles, si bien se prescriben las propiedades de las partculas, podra encontrarse con el problema filosfico de lo contrario: por qu un universo que es favorable para la vida surgen de las leyes fsicas fundamentales?

La rivalidad entre las dos teoras pueden llegar a ser falsa. Se debi en parte a los diferentes antecedentes y prejuicios de sus practicantes, con los tericos de cuerdas, principalmente procedentes de la fsica de partculas y el campamento de bucle de la relatividad general. Al final, tal vez una teora final ser compartir aspectos de lazos y cuerdas - o una teora va a salir a contener el otro.Ambas teoras han sido criticados porque no han logrado predecir ni un solo nmero que puede ser probado por la experiencia. Los tericos parecen estar libres de especular a su antojo, dicen los crticos. Eso es un poco injusto. Lo que estn haciendo est luchando para dar cabida a lo que sabemos sobre el universo en un solo marco.

ahora profundicemos en ambos temas:

Teoria de cuerdas

La Teora de Cuerdas realmente surgi por una casualidad de esas que a veces se dan en ciencia. Cuando en los aos 60 los experimentos en el CERN (Centro Europeo para la Fsica de Partculas) comenzaban a ahondar en la materia ms all de lo que nunca se haba conseguido, surgi un problema. Los mesones, partculas ya predichas en 1949 por Hideki Yukawa, presentaban un problema al descubrirse que no eran partculas elementales, si no que estaban compuestas de una partcula unida a una antipartcula, que ms adelante se conoceran como quarks; siendo imposible observar estos componentes por separado. Por tanto, deba existir algn mecanismo que explicase el confinamiento de los quarks en el interior del mesn, mecanismo que, en vista de los resultados experimentales, G. Veneziano observ que era similar al comportamiento de una cuerda elstica.

As pues, los fsicos tericos, esas maquinas que converten cafe en locuras matemtico-fsicas, se pusieron manos a la obra para desarrollar una teora que explicase el comportamiento de una cuerda en un marco tanto relativista (pues la energa tpica del confinamiento de los quarks es del orden de los MeV) como cuntico (pues estamos hablando de un sistema subnuclear). Sin embargo, esta teora, conocida como Teora de Cuerdas Bosnicas, presentaba dos problemas graves.

El primero era que las dos propiedades anteriores slo eran compatibles si las cuerdas vivan en un espacio tiempo de 26 dimensiones!, un valor ciertamente lejos del nmero de dimensiones que advertimos cotidianamente. Adems, en el espectro de partculas creado por las excitaciones de las cuerdas (al cuantizar, las vibraciones de la cuerda pasan a observarse como partculas) apareca una partcula de espn 2 que nunca haba sido observada experimentalmente.

Por todo esto, y por la llegada de la Cromodinmica Cuntica, la verdadera teora que describe los quarks y sus interacciones; la Teora de Cuerdas desapareci del mundo de la fsica de partculas pero no por mucho tiempo.

En las Teoras de Cuerdas, las vibraciones de las cuerdas se observan como partculas cunticas.

No pasaron muchos aos hasta que Scherk y Schwarz encontrasen que, si se consideraba el tamao de las cuerdas del orden de la longitud de Planck (aproximadamente 10^-35 metros), la antes misteriosa partcula de espn 2 resultaba ser un gravitn, el propagador de las ondas gravitatorias. Es decir, la Teora de Cuerdas contena naturalmente la gravitacin, al menos en el caso de tener un espacio vaci. As mismo, y puesto que la teora original slo contena bosones, incluyeron fermiones por el mecanismo de aadir SUSY a la formulacin (y pasndose las cuerdas a denominarse, a veces, supercuerdas), de tal suerte que la dimensin crtica del espacio-tiempo se reduce hasta 10; que si bien sigue siendo un valor mayor que las 4 a las que Einstein nos acostumbr, es un nmero ms aceptable que las 26 anteriores; pese a que sigue exigiendo la existencia de algn mecanismo que compactifique las dimensiones extras(las reduzca a un punto inadvertible) de manera que nuestro mundo sea, de manera efectiva, cuadri-dimensional.

Pero la cosa no se queda aqu, si no que la Teora de Cuerdas es capaz de describir todas las interacciones contempladas en el modelo estndar, pues las vibraciones de las cuerdas son capaces de dar lugar a todos los bosones que propagan estas interacciones si las condiciones son idneas.

Sin embargo, con todas estas mejoras aadidas, la Teora de Cuerdas no es una teora nica; si no que es posible construir hasta 5 formulaciones distintas, en funcin de si describen cuerdas abiertas o cerradas y con distintos tipos de interaccin. Estas cinco teoras son: Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIB, Tipo HO y Tipo HE. Y aqu ocurre una cosa realmente graciosa, pues el que existan varias teoras compatibles lleva, ms que ser un escollo, a uno de los grandes xitos de la teora, pues resulta que el lmite de baja energa de las distintas Teoras de Cuerdas, cuando las cuerdas dejan de interactuar y se propagan libremente, es la Supergravedad!! Nombrndose, por tanto, las distintas teoras de cuerdas en funcin de a qu supergravedad se reducen.

Es adems interesante el cmo surge esta identificacin. Cuando se considera una Teora de Cuerdas sin interacciones, el acoplo de la teora no est definido de antemano, por lo que hay que recurrir a anular su variacin, al igual que hacamos en la integral de camino, de manera que la teora sea renormalizable. Pues bien, cuando hacemos esto, nos encontramos con que se han de cumplir un juego de ecuaciones que resultan ser, ni ms ni menos, que las ecuaciones de campo de la Supergravedad, a veces llamadas Ecuaciones de Einstein Generalizadas. Es decir, que en este sentido, la gravedad surge naturalmente como una necesidad de que la propia teora sea consistente. Si no existiese gravedad, no se podra formular una teora de cuerdas que funcionase. Maravilloso no?

Es decir, caminando por dos carreteras distintas hemos llegado al mismo punto, dos teoras creadas independientemente para resolver un problema desde distintos puntos de vista resultan confluir llegados un momento, lo que nos indica, siendo optimistas, que seguramente vayamos por el buen camino. Y esto lleva de nuevo a una pregunta; si todo casa tan bien en el caso de existir 5 teoras, ha de haber un motivo que explique el porqu de esta variedad; motivo que no comprendimos hasta finales del Siglo XX.

La Teora M

En los aos ochenta del siglo pasado, comenz a estar de moda, sobre todo en la corriente europea de fsicos de cuerdas, el anlisis de las relaciones entre las distintas teoras encarnadas en lo que se conocen como Dualidad T y Dualidad S, esta ltima descubierta por el espaol Lus E. Ibez y su grupo. Como era de esperar, lo que estas dualidades constataban era que las distintas descripciones de las cuerdas estaban relacionadas entre s bajo ciertas condiciones.

La primera en descubrirse fue la Dualidad T, que actuaba en el caso de que existiese una dimensin enrollada en torno a un crculo. En este caso, se puede demostrar que la fsica de dos sistemas donde el radio del crculo sea R o 1/R son idnticas, llevando a relacionar entre s las dos teoras de Tipo II as como las dos de tipo H.

A continuacin lleg la contribucin espaola de la Dualidad S, que identifica teoras con constante de acoplo g con aquellas donde la constante de acoplo es 1/g. Es decir, relaciona los rangos de interaccin dbil con los de interaccin fuerte. Resultaron ser duales s, adems de la teora Tipo IIB consigo misma, la Tipo I con la tipo HO.

Por tanto, parece claro que todas las teoras de cuerdas estn ntimamente relacionadas, mostrando distintos aspectos de lo que resulta ser una misma realidad.

Esta idea fue llevada al extremo cuando en los aos 90 E. Witten propuso que las cinco teoras no eran si no aspectos distintos de una sola, esta vez 11-dimensional, a la que llam Teora M (Sobre la M han corrido ros de tinta. Se la ha llegado a asociar con las palabras magia, misterio, membrana o incluso hasta con la W de Witten invertida.).

Adems, el hecho de que sea 11-dimensional es muy importante, pues su lmite a baja energa resulta ser la Supergravedad en 11 dimensiones!! La cual es la Supergravedad ms grande que se puede construir, cerrando perfectamente las relaciones entre SUGRAs y Teoras de Cuerdas.

Sin embargo, la Teora M presenta un gran problema a la hora de trabajar con ella. Si en las Teoras de Cuerdas el objeto fundamental son, valga la redundancia, las cuerdas; al abrirse una dimensin extra, estas se convierten en la teora M en membranas bidimensionales, las cuales no son tratables con las tcnicas matemticas actuales.

La Conjetura de Maldacena

Comenzamos hablando sobre el problema de la gravedad y hemos terminado describiendo las distintas Teoras de Cuerdas y lo que supone la teora M. Tambin hemos visto que la aparicin de la gravedad es directa en forma de SUGRAs, que permiten incluir las ideas de Einstein sobre el espacio tiempo y expandirlos en el mismo corazn de la teora.

Sin embargo, la cosa no termina aqu. Desde que Bekenstein obtuviese su clebre expresin para la entropa de un agujero negro, la gravedad empez a destacarse por encima de las otras interacciones fundamentales de la naturaleza, dando a entender que era, de algn modo, especial. El summun de esta realidad apareci a mediados de los aos 90, cuando el fsico argentino Juan Martn Maldacena enunciase lo que se conoce en crculos divulgativos como Conjetura de Maldacena, o en entornos ms profesionales como Correspondencia AdS/CFT.

Lo que Maldacena encontr es que, cuando se describe el comportamiento de cuerdas en un espacio tiempo curvado de una forma muy particular (concretamente un Anti DeSittertensoriado a otro espacio), el sistema es completamente equivalente al que describe una teora de campos sobre la frontera conforme del espacio-tiempo, frontera que resulta ser un espacio de Minkowsky!! En palabras cotidianas, cada cosa que ocurre en el interior de una esfera de cristal se corresponde con algo que ocurre en su superficie.

Las consecuencias de esta conjetura son muy importantes, pues existe la posibilidad de que el resto de interacciones (electromagnticas y nucleares) sean tan slo una ilusin, el reflejo sobre el cristal de un escaparate del contenido de la tienda. As, podra ser que el electromagnetismo tan slo sea la imagen proyectada de la interaccin de algunas cuerdas en un supuesto interior del espacio-tiempo. De la misma manera, la necesidad de compactificar las dimensiones adicionales desaparece en cierto modo si consideramos que, quizs, nuestro mundo sea solamente la frontera; siendo el interior del espacio-tiempo inaccesible.

Quizs resulte que, al final, la nica interaccin sea la gravedad

Gravedad Cuntica de Lazos

La gravedad cuntica es la hipottica teora que combinara en un nico esquema conceptual los principios de la mecnica cuntica con la teora gravitatoria. Desde los inicios de la mecnica cuntica, sobre los aos 20 del pasado siglo, los cientficos se han preguntado cmo se incorporan las ideas cunticas en la teora de la gravedad. A da de hoy no hay una teora confirmada que lo haya logrado.

Sin embargo, no faltan propuestas, siendo sin duda alguna la ms popular la teora de cuerdas. Esta teora se basa en la idea de que las materia est conformada por filamentos de energa que estn en vibracin. Dicha teora requiere para su consistencia interna la presencia de un nmero de dimensiones mayor de cuatro (10 u 11 segn la versin de teora de cuerdas que empleemos) y la presencia de supersimetra. La supersimetra relaciona partculas con espn entero con compaeras de espn semientero y viceversa. A da de hoy no hay pruebas experimentales ni de las dimensiones extra ni de los compaeros supersimtricos de las partculas que conocemos. Pero est claro que el esquema presentado por teora de cuerdas, a pesar de los detalles comentados, es muy sugerente porque permite unificar en una nica teora todas las partculas conocidas y todas las interacciones, incluyendo la gravedad y todo esto a nivel cuntico. No queremos hablar en esta entrada de esta teora, que ha sido tratada extensamente en muchos sitios presentando sus virtudes y sus problemas. Ms bien lo que queremos es presentar, sencillamente, las bases de una teora de gravedad cuntica que se ha venido desarrollando desde mediados de los aos 80 del siglo anterior.

La teora anteriormente mencionada se la conoce en castellano como Gravedad Cuntica de Lazos (algunos prefieren Bucles). En esta entrada nos referiremos a ella como Loop Quantum Gravity que es su nombre en ingls y generalmente emplearemos LQG para referirnos a ella.

En qu se basa LQG?

La motivacin de la LQG es simple, combinar las teoras actuales de gravedad con la mecnica cuntica.

La gravedad viene descrita por la Relatividad General (RG en lo que sigue) y nos dice que la gravedad no es ms que la respuesta del espaciotiempo a la presencia de cualquier otro campo (electromagntico, fuerte, etc). La gravedad es la manifestacin del cambio de la geometra del espaciotiempo como respuesta a la presencia de energa en el mismo (y a como est distribuida).

Segn la RG la gravedad no es una fuerza ni una interaccin. Es algo mucho ms especial, es la manifestacin de la propia geometra del espaciotiempo y esta geometra es dinmica. Esto implica que responde a la presencia de materia y energa. Y claro, si la geometra cambia, la forma de propagarse la materia y la energa tambin cambia. La relacin entre geometra y energa presente en el espaciotiempo es lo que condensan las ecuaciones de Einstein de la RG.

Cuando hablamos de geometra esencialmente nos referimos a eso, a como medir longitudes, reas, volmenes etc. Y la geometra est condensada en un objeto matemtico denominado mtrica, que para lo que nos interesa es lo que nos permite medir los conceptos anteriormente mencionados. Por tanto RG nos dice que la mtrica es algo que cambia cuando hay energa y/o materia en una regin del espaciotiempo. El tpico ejemplo de la sabana que se curva porque ponemos un cuerpo con masa es bastante bueno y aunque no es totalmente fiel a la teora s que nos da una idea acerca de lo que ocurre.

La conclusin aqu es simple: RG trata del propio espaciotiempo, de su comportamiento como un objeto fsico dinmico. Esto es tan as que lo que se est buscando con las ondas gravitacionales son ondulaciones del propio espaciotiempo.

Si ahora queremos cuantizar, es decir encontrar la versin cuntica, la gravedad escrita como RG lo que tenemos que hacer es encontrar la teora cuntica para la mtrica. Sin embargo, esto no conduce a una teora apropiada, surgen muchos problemas para dar sentido a esta teora, aparecen infinitos y peor que eso, muchos clculos no tienen ni tan siquiera un sentido claro. As que hay que buscar otra forma de intentar llegar a la teora cuntica. Y la clave est en los potenciales.

En las teoras de las interacciones no gravitatorias (electromagntica, dbil, fuerte) los potenciales son esenciales (de forma ms tcnica empleamos potenciales gauge que se presentan como conexiones en el sentido matemtico).

En este punto necesitamos otro concepto bien conocido, las lneas de campo. Este concepto fue introducido por Michael Faraday. Uno puede visualizar el campo como constituido por infinitas lneas que marcan por donde va el campo. Evidentemente uno no puede considerar infinitas lneas, as que en general elegimos un nmero finito (y fijado) de lneas para representar el campo.

Pero se puede tomar otra perspectiva. Imaginemos que el campo slo est definido en esas lneas, un nmero finito de ellas. Y el potencial slo est definido en los puntos de ese campo. Evidentemente para conocer el campo en su totalidad hay que conocer la infinitas lneas de campo y cuando vale el potencial en todos los puntos de dichas lneas. Pero uno siempre puede descomponer este conjunto de infinitas lneas en sumas de situaciones descritas por distintos nmeros de lneas.

LQG llega a la misma conclusin, cuando fuerzan a la RG a ser cuntica, la teora te dice que slo puedes obtener informacin en lneas de campo (tcnicamente en Wilson Loops). En este caso las lneas son cerradas, son crculos y de ah viene el nombre de bucle o lazo (loop es ms apropiado y el matiz en ingls en distinto a las palabras castellanas por las que se traducen). Esto implica que LQG predice una discretizacin efectiva del espaciotiempo, ya no se puede sondear en cualquier sitio, slo tiene sentido hablar de gravedad (y por tanto del espaciotiempo y por donde se propagan partculas y energas) en esos loops.

Dnde estn esos loops?

Esos loops no estn en ningn sitio, esos loops definen el propio espaciotiempo por el cual la materia se propaga. As que no tiene sentido de hablar del espacio donde estn definidos los loops. Slo tiene sentido hablar de dichos loops. Es decir, que a nivel cuntico un estado cuntico del espacio est dado por una configuracin de dichos loops. No tiene sentido hablar de lo que hay fuera de los mismos.

Pero pronto se descubri que este procedimiento era ciertamente complicado a la hora de hacer clculos. Y se encontr una simplificacin, las redes de espn (a las que nos referiremos como espn networks).

Espn Networks

Sorprendentemente la respuesta se encontr en los espn networks, que fueron introducidos por Roger Penrose para dar una definicin cuntica del espacio, sin embargo no fueron muy populares porque no se deducan de primeros principios y en esencia era una construccin introducida a mano. Casualmente LQG recuper este concepto partiendo de los principios de la relatividad general combinados con la cuntica.

Los espn Networks son simplemente grafos, conjunto de lneas unidas en nodos, donde cada lnea del grafo tiene una etiqueta que puede tomar valores 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,

Estas lneas tienen una orientacin, es decir, podemos decir si la lnea entra a un nodo o sale del nodo dado. Adems, los nodos tambin tienen informacin, en ellos hay un objeto matemtico que transforma los valores de las etiquetas entrantes en los valores de las etiquetas salientes, correspondientes a las lneas entrantes y salientes de un nodo dado. Esta es una caracterstica esencial de la teora.

El punto esencial es que dado un conjunto de loops siempre se puede encontrar un espn network equivalente.

Los estados cunticos del espaciotiempo, o de la geometra siguiendo las enseanzas de RG, vienen dados por un espn network (conjunto de lneas unidas en los nodos y las etiquetas de cada lnea). Es por eso que a veces se dice que los espn networks representan un estado cuntico de la geometra y por eso tambin se suele llamar a LQG, Geometra Cuntica.

Geometra en LQG

Es evidente que si queremos hablar de geometra hemos de dar la receta para medir longitudes, ngulos, reas o volmenes. LQG da dichas recetas y se encuentra un resultado sorprendente. Aqu presentamos nicamente el rea porque es el caso ms simple y el mejor conocido.

Si queremos calcular el rea de una superficie dada, S, lo que tenemos que hacer es mirar cuantas lneas de un espn network la pinchan. Entonces miramos las etiquetas asociadas y una determinada funcin de dichas etiquetas nos da el valor del rea.

Para concretar, supongamos que la superficie S nicamente est pinchada por un lado del espn network. Dicho lado tiene una etiqueta de valor j. El rea de la superficie S viene dada por esta expresin:

Lo que implica esto es que las reas no pueden tomar cualquier valor, existe un mnimo de rea que viene dada por el valor j=1/2. Evidentemente si tenemos muchos lados pinchando el rea vendr dada por la suma de las correspondientes races cuadradas de las etiquetas j de cada lado que pincha la superficie de inters.

Para volmenes, longitudes y ngulos tambin es conocido que no pueden tomar ms que ciertos valores. As que en cierto sentido la geometra del espaciotiempo est discretizada.

Un ltimo comentario sobre esta frmula, y por ende de la teora entera. En LQG tenemos un parmetro, un nmero real, denominado que es el parmetro de Barbero-Immirzi (Fernando Barbero puede ser considerado uno de los padres de esta teora, y actualmente es un investigador del CSIC). No hay restriccin alguna al valor de este parmetro, nicamente ha de ser distinto de cero. As que hay que fijar su valor de alguna forma. Hasta la fecha no hay un consenso sobre el valor o el papel que juega el parmetro de Barbero-Immirzi en la teora.

Preguntas sobre LQG:

Cul es el mayor problema de la LQG?

El principal problema de la LQG es que no se sabe si cuando revertimos el proceso de convertirla en una teora cuntica volvemos a obtener RG.

Cuando uno tiene una teora cuntica, un criterio de consistencia es calcular el lmite clsico, es decir, lo que nos queda cuando revertimos el proceso de cuantizacin ha de ser la teora clsica correspondiente.

Veamos este esquema:

Partimos de una teora clsica A, efectuamos el proceso de cuantizacin, obtenemos la teora cuntica A, que llamaremos qA. Ahora revertimos el proceso, lo que se llama lmite clsico de la teora qA, y miramos a ver si acabamos otra vez en A.

Teora clsica A (cuantizacin)> Teora qA (lmite clsico)> Teora clsica A

Para el electromagnetismo esto funciona perfectamente:

Electromagnetismo de Maxwell > Electrodinmica Cuntica -> Electromagnetismo de Maxwell.

Evidentemente en el proceso de lmite clsico la teora cuntica te dice que hay diferencias con la teora clsica pura, lo que se llaman correcciones cunticas, pero que tales correcciones son muy pequeas y no perceptibles a las escalas de energas y velocidades usuales del mundo clsico (aquel que no es relativista ni cuntico, nuestro da a da).

Para LQG lo que tenemos es:

Relatividad General > Loop Quantum Gravity > ???

Hasta que los fsicos trabajando en este tema no prueben que de hecho se recupera RG (con correcciones cunticas) la LQG no es til.

Es LQG una teora unificadora?

La respuesta inicial es no. LQG puede aceptar cualquier tipo de campo no gravitatorio viviendo sobre los espn networks. As que no hay restricciones ni unificaciones. Sin embargo, hay una unificacin sutil en LQG, en esta teora la gravedad se formula de manera idntica al resto de interacciones del modelo estndar de la fsica de partculas.

Adems, no sabemos si la teora puede dar mayores pistas a la unificacin porque an no conocemos la teora en su totalidad. Habr que esperar a mayores avances.

Puede ser formulada LQG en un espaciotiempo con un nmero de dimensiones mayores de cuatro?

Pues hasta hace poco la respuesta era no, pero desde Mayo de este ao hay una versin de la teora que permite extender las tcnicas de LQG a un nmero arbitrario de dimensiones. Adems permite introducir supersimetra en este contexto en dimensiones extra. Esto puede ser til para ver si LQG y Teora de Cuerdas tienen algn punto en comn.

Cules son los motivos para seguir investigando en LQG?

El principal es que el tema es interesante y que es ciertamente complicado. Adems de que hay resultados parciales que indican que se est en el buen camino. Los resultados ms prometedores son:

- En LQG se puede calcular la entropa de los agujeros negros. Si bien es cierto que inicialmente para encontrar la ley de Bekenstein-Hawking que dice que la entropa de un agujero negro es A/4, para encontrar el coeficiente 1/4, hay que fijar un parmetro libre de la teora para acomodar este valor. Esto parece un poco ad hoc, pero actualmente los ltimos resultados indican que no hay que fijar dicho parmetro para encontrar la proporcionalidad correcta entre entropa y rea en un agujero negro. Hay que comentar que LQG permite calcular la entropa de agujeros negros pausibles en astrofsica.

- Cuando se importan las tcnicas de LQG a la cosmologa se encuentra que la singularidad inicial del universo, el punto inicial del big bang, no es un punto especial. El universo fluye por dicho estado inicial de forma suave. Esto es lo que ha dado lugar a la teora del big bounce o el gran rebote. Lo que viene a decir es que nuestro universo tuvo un universo previo que colaps y rebot en lo que nosotros llamamos big bang.

Las preguntas que surgen son muchas, qu era ese universo? era igual que el nuestro pero colapsando? de donde surgi?. Todas estas preguntas se estn investigando y no hay una respuesta clara. Pero adems se estn buscando seales susceptibles de ser observadas en la radiacin csmica de fondo, y por tanto someter esta teora al escrutinio de la experiencia, que proceden de este modelo de evolucin del universo. Posiblemente esta teora cosmolgica basada en LQG, que se conoce como LQC, afecte a la teora inflacionaria, y por tanto podr ser discriminada por observaciones cosmolgicas que cada da son ms precisas.

Conclusin

Y as estn las cosas, este es el tablero donde los fsicos tericos juegan en la actualidad, intentando juntar todas estas piezas para dar lugar a una nueva teora que, gracias al Monstruo Espagueti Volador, empieza a asomar las orejas por encima de los montones de hojas que llenan los escritorios de los fsicos de medio mundo.

Quizs en 10, 20 o 30 aos podamos mirar hacia atrs y, al igual que ahora lo hacemos con todo lo que ocurri el siglo pasado, rernos de nuestra ingenuidad y verlo todo tan claro que nos parezca mentira haber estado tan perdidos.