La Teoría del Todo se trata de una hipótesis que se formula en base a modelos teóricos físicos y matemáticos, la cual trata de explicar que todos los fenómenos físicos están conectados. Esta teoría busca unificar bajo un modelo simple que todas las interacciones naturales fundamentales tienen relación y están conectadas como parte de un gran universo.
La teoría del Todo
La Teoría del Todo es uno de los mayores retos que ha tenido el mundo de la física. Se trata básicamente de unificar en un modelo estándar la relación previamente establecida que enlaza desde las partículas infinitamente pequeñas hasta su conexión con los grandes astros que orbitan en el espacio.
Las grandes mentes en el campo de la física han asumido la Teoría del Todo como un reto difícil de conquistar, ya que elaborar una teoría que logre hacer que coincidan las leyes que rigen el mundo de la física, como por ejemplo los postulados en física cuántica en las Leyes de mundo de las partículas y la Teoría de la relatividad, ha sido todo un desafío.
Dos de los grandes sabios en la materia, los científicos Stephen Hawking y Albert Einstein dedicaron su vida y la mayor parte de su trabajo de investigación científica a cumplir el sueño de tratar de encontrar una base científica lógica que lograra interconectar todo.
Para entender el cosmos (el conjunto de todo lo existente), la ciencia se vale en la descripción de las 4 fuerzas fundamentales, en ellas tenemos principios como la gravedad y el electromagnetismo, relevantes en todo sentido pues convivimos con estas premisas a diario sin darnos cuenta.
Otras dos de las fuerzas elementales como lo son las interacciones fuertes y débiles, actúan principalmente a escala de partículas microscópicas, las cuales se vuelven la base de los procesos subatómicos.
Conceptualizando la idea
Para entender completamente la Teoría del Todo, debemos tratar de enfocarnos en que en el universo se puede conceptualizar el cosmos como parte de pequeñas cuerdas oscilantes, lo cual es la base para la célebre teoría de Stephen Hawking llamada «Teoría de las cuerdas«.
Cuando el científico presenta las ideas que lo llevaron hasta la formulación de esta teoría, muchos miembros de la comunidad científica cambiaron su manera de pensar, inclinándose por las afirmaciones de Hawking, lo cual ayudó a resolver muchos de los problemas teóricos que no habían encontrado solución hasta la fecha.
En diversos ámbitos científicos pueden tener diferentes términos para dirigirse a la misma teoría, como por ejemplo, la teoría unificada, gran teoría unificada, teoría de campos unificada y teoría del campo unificado. Todos estos nombres se refieren al mismo concepto donde la idea de unificación es primordial.
Según el astrónomo físico y matemático de origen Francés, Pierre Simon Laplace, se puede describir la idea de la Teoría del Todo de la siguiente manera:
«Algún día la humanidad podrá contar con un intelecto que en cualquier momento dado tendrá conocimiento de todas las fuerzas que existen en la naturaleza y de los elementos que la componen.
Cuando seamos lo suficientemente inteligentes como para someter estos datos a análisis, es cuando se podrá condensar en una simple fórmula desde el movimiento de los grandes cuerpos del universo hasta el comportamiento del átomo más ligero; para un intelecto de tal magnitud nada podría ser incierto»
Principio de Causalidad
El concepto de la Teoría del Todo está relacionado con el ‘Principio de Causalidad‘ , el cual describe la relación entre la causa y el efecto, lo cual es una de las bases de las ciencias naturales, especialmente en el área de la física.
Entre los principios de la física clásica, se presume que todas las cosas que acontecen son causadas por eventos que han sucedido anteriormente, y que esta relación puede expresarse en las Leyes de la Naturaleza.
Ante esta afirmación el científico Pierre Simon Laplace lanza su hipótesis, en la que afirma que si se tiene conocimiento del estado del mundo con precisión sistemática, se puede llegar a predecir cualquier evento en el futuro en base a modelos físicos y cálculos matemáticos.
La perspectiva del científico en dicha aseveración es lo que comúnmente se llama ‘el determinismo’, una doctrina filosófica en la que el pensamiento y las acciones realizadas por el hombre está determinado por un decreto irrompible de causa y consecuencia, por lo cual el estado en el que se esté ahora determina el futuro.
Durante el desarrollo histórico de la ciencia, el llamado ‘Demonio de Laplace‘ es básicamente el primer tratado sobre el determinismo causal, que data de año 1814.
Según esta publicación de Laplace, si alguna persona intelectualmente desarrollada y con la inteligencia suficientemente brillante como para ubicar cada átomo en el universo podría calcular los hechos futuros con las leyes de la ‘Física clásica’.
La posibilidad de que en una simple fórmula pueda establecer las relaciones físicas las cuales tienen características fundamentalmente probabilísticas, es una empresa determinista.
Aún si los mecanismos que gobiernan las partículas tienden al azar, se la mayoría de las veces siguen las reglas que gobiernan ciertas condiciones donde se pueden calcular la probabilidad de que algo ocurra.
El azar
Muchas de las interpretaciones que se le da por parte de la comunidad científica a la Ecuación de Schrödinger, le otorgan poca importancia al azar, el consenso coloca a esta característica relevante solo en el mundo atómico. Descubre más sobre la reconocida paradoja en nuestro artículo El gato de Schrödinger
Una de las mayores dificultades para encontrar una teoría unificada es el lograr la armonía entre las leyes que gobiernan cada aspecto en la naturaleza, lograr concatenar todo ese cúmulo de información y transformarlas en una teoría que las explique en su totalidad.
Desde que surge esta inquietud, han habido numerosas propuestas provenientes de renombrados físicos teóricos, aunque hasta el momento no se ha podido realizar con éxito una prueba experimental, pues de las que se han realizado ninguna ha arrojado resultados convincentes. Descubre más sobre datos curiosos sobre científicos de renombre en Inventos de Leonardo Da Vinci
Uno de los problemas más grandes para formular este tipo de teoría, radica en que las teorías que ya han sido comprobadas y aceptadas como la de la mecánica cuántica y la de la relatividad, son puntos de vista opuestos en cuanto a su perspectiva del universo.
Antecedentes de la Teoría del Todo en la Historia
Los filósofos Griegos desde tiempos remotos habían elaborado ideas de que la diversidad de fuerzas existentes es solo aparente, pues en el fondo el todo depende de una unidad cósmica.
Muchos trabajos de investigación de las grandes mentes pensantes en el campo de la física teórica y experimental, dedicaron sus esfuerzos a encontrar el punto clave de la unión de todo.
Un ejemplo de esto son las propuestas en en área de mecánica que se realizaron en el Siglo XVII que se basó en la hipótesis de que todas las fuerzas podían reducirse a una fuerza de contacto entre partículas sólidas.
Esta hipótesis queda totalmente descartada debido al trabajo experimental de Newton para la fecha; posteriormente fue el mismo Newton en que en su trabajo llamado ‘Principia‘ nos presenta la idea de que puede existir una unificación de fuerzas, las cuales hasta el momento eran consideradas totalmente opuestas.
Este conjunto de teorías están constituidas principalmente por los trabajos teóricos experimentales de Galileo Galilei acerca de la Ley de Gravitación Terrestre, Las leyes de Kepler las cuales rigen el movimiento planetario y la Ley de Gravitación Universal la cual rige las mareas. Descubre más sobre la interesante vida de inteligentes hombres de ciencia en nuestro artículo Galileo Galilei
Conexión entre electricidad y magnetismo
Desde que en el año 1820 Hans Christian Oersted descubre la conexión entre la electricidad y el magnetismo, gradualmente fueron apareciendo teorías sobre fuerzas de contacto, elasticidad, viscosidad, fricción y presión que eran producto de pequeñas interacciones de partículas de la materia.
A finales de 1920 en el área de la mecánica cuántica se demostró que os enlaces químicos que tienen lugar entre los átomos eran indicios de fuerzas eléctricas.
Los intentos de realizar una unificación entre la fuerza de gravedad con el magnetismo, tienen una larga data, después de la formulación de la Teoría Gravitatoria que hizo Albert Einstein en el año 1915 la probabilidad de que se pudiera establecer una teoría unificada en este campo cobró fuerza aunque nunca se logró comprobar de manera acertada.
La aparición entre las fuerzas fundamentales de la fuerza nuclear débil, que es la que se refiere a la fuerza de desintegración de la naturaleza radioactiva de los elementos y la fuerte la cual se encarga de la unión de los nucleones, boicotearon los esfuerzos de la búsqueda de la unificación ya que no podían clasificarse como pertenecientes a la gravedad o en el electromagnetismo.
La relación de coexistencia pacífica entre la gravedad y el electromagnetismo puede establecerse sin problemas, pero la gravedad no puede incluirse dentro de las ciencias cuánticas, así que se unifica con otras fuerzas fundamentales.
En el Siglo XX el trabajo de unificación se centró en entender la naturaleza de las tres fuerzas cuánticas, como lo son el electromagnetismo, y las fuerzas débiles y fuertes; para o cal se realizaron experimentos que determinaron que las fuerzas fuertes y la débil pueden coexistir en el modelo estándar de partículas, aunque no significa que se puedan unificar.
La Teoría del Todo en la Física moderna
La física es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, en ella se establecen las leyes que explican los fenómenos naturales. Actualmente la Teoría del Todo busca unificar todas las interacciones fundamentales de la naturaleza.
Interacciones Fundamentales
Para entender un poco el término, se les llama interacciones fundamentales a las 4 formas posibles y predeterminadas de como puede establecerse la relación y conexión de las partículas en el universo.
Si analizamos un modelo estándar, las partículas de la materia no interaccionan directamente entre sí, para lograr realizar esta acción, se valen de partícula de tipo inmaterial o virtual, las cuales llevan por nombre Bosones Portadores.
Los bosones portadores son partículas elementales, o partículas virtuales, a las cuales se les denomina de esa manera debido a que carecen de masa, estas partículas actúan como agentes intermediarios de cada uno de los cuatro tipos de interacciones fundamentales que pueden afectar la materia. Los cuatro tipos de interacciones fundamentales de la materia son:
Interacción nuclear fuerte
Es la que tiene la capacidad de mantener unidos los quarks, los cuales son un tipo de partículas elementales de que tienen como característica especial un spin fraccionario. Los quarks se unen para formar los hadrones, los cuales no son partículas elementales pero si son subatómicas.
Interacción nuclear débil
Esta fuerza elemental es la responsable de los cambios que sufren los quarks y los leptones, estos últimos son partículas elementales que se ven moldeadas por la influencia de la interacción nuclear fuerte.
Interacción Electromagnética
Este tipo de interacción fundamental es la que pueden experimentar las partículas elementales que están cargadas con energía eléctrica.
Interacción Gravitatoria
Es básicamente la interacción que ocurre sobre las partículas solo por que tienen la característica de tener masa.
La unificación de las interacciones
La física moderna ha mancomunado esfuerzos de la comunidad científica internacional para realizar estudios teórico experimentales en los cuales se ha establecido el enfoque en lograr la unificación de las interacciones en un modelo único, que las pueda explicar a todas.
Hasta ahora el único avance que se ha conseguido es comprobar que la interacción débil y la interacción electromagnética se han logrado unificar en la interacción electrodébil.
Por otra parte, la teoría de la unificación de la fuerza fuerte con la débil presenta inconvenientes imposibles de solventar, ya que solo existe interacción en condiciones especiales, lo cual es llamado la teoría de la Gran Unificación.
La fuerza fuerte tiene la capacidad de transformar partículas elementales entre diferentes clases, y la Teoría del Todo debería lograr realizar una comprensión total de los diferentes tipos de partículas y de los diferentes tipos de fuerzas. La cosmología es la ciencia que se dedica a estudiar los elementos del universo como un conjunto y como parte de un todo.
Esta rama del conocimiento incluye entre las interacciones de las fuerzas a la fuerza inflacionaria (la cual explica la expansión del universo), la energía oscura (energía que impulsa la expansión del cosmos), y la materia oscura (elementos que no emiten ningún tipo de radiación).
Simetría rota
El término de simetría rota es un concepto que consiste en que un objeto se rompe tanto en la simetría rotacional como en la traslacional. A manera de ejemplo, es cuando se puede tomar y hacerlo rotar solo en ciertos ángulos.
En la física moderna se aplica el concepto de simetría rota para describir cuando en el proceso de la electrificación débil, la fuerza electromagnética y la fuerza débil suelen distinguirse de las bajas energías debido a que tienen fuerzas de tipo débil, como lo son los bosones W y Z y el fotón, el cual ni siquiera tiene masa.
Por otro lado el comportamiento de los bosones frente a las altas energías los hace capaz de crear fácilmente partículas masivas, lo cual hace desaparecer las características unificadas de estas fuerzas.
En la Teoría de la Gran Unificación, la cual es la teoría que busca unificar tres de las cuatro fuerzas fundamentales que existen, tales como, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética.
En esta teoría la fuerza gravitacional no se considera relevante, pero en la Teoría del Todo si se establece como parte de las cuatro interacciones fundamentales.
La teoría de Cuerdas
La teoría de cuerdas es un esquema que se utiliza para explicar de manera general la interacción de las partículas fundamentales de la naturaleza en una sola teoría; esta modela las partículas así como los campos físicos como si se tratara de vibraciones producidas por cuerdas delgadas y de características simétricas. Estas cuerdas se mueven en un espacio tiempo que está en más de cuatro dimensiones (exactamente 10 dimensiones más una temporal).
La teoría de Supercuerdas engloba cinco teorías o formulaciones que incluyen teorías de cuerdas combinadas, las cuales tienen requerimientos de supersimetría. Se utilizan como sinónimos para designar estas hipótesis tanto los términos de la Teoría de Cuerdas como el de la Teoría de Supercuerdas.
La Teoría de Supercuerdas y la de Supergravedad tienen supuestos en los cuales se indica que el cosmos tiene muchas más dimensiones de las que nosotros podemos percibir, esencialmente según esta teoría se trata de 3 dimensiones espaciales y una dimensión temporal.
La inspiración de estas teorías se fundamentan en la teoría Kaluza Klein la cual fundamentalmente es una generalización de la teoría de la relatividad. De aquí se deriva la premisa de que al aplicar la relatividad general de un universo de 5 dimensiones, se continuaba estando en similitud y equivalencia con la relatividad general de 4 dimensiones.
La aplicación del concepto de múltiples dimensiones es el enfoque se le da a las teorías de unificación, lo cual ha ayudado a resolver problemas como el de la jerarquía, donde ante la pregunta de porqué la gravedad es más débil que cualquier otra fuerza, la respuesta es que, según las teorías multidimensionales, la gravedad está en una dimensión extra a otras fuerzas.
Acerca de Stephen Hawking
Stephen William Hawking fue un físico teórico, en su vida se dedicó a la investigación de teorías basadas en modelos matemáticos para explicar y dar a conocer completamente como se producen los fenómenos físicos.
El objetivo de la física teórica es básicamente comprender el universo, los modelos conceptuales realizados por Hawking se han utilizado para racionalizar y predecir fenómenos físicos, llegando a plantear una teoría física que explica la realidad de la dimensión en la que vivimos.
Hawking es uno de las mentes más brillantes que ha existido en la historia de la humanidad, entre sus muchos títulos ademas de físico teórico, también era astrofísico y cosmólogo, sus trabajos de investigación en esta área abarcan el aplicar la física a la astronomía para poder explicar el universo como un conjunto de donde todo es parte.
Stephen Hawking también se dedicó a la divulgación científica, ya que quería dar a conocer los avances en materia científica a todos los que querían tener acceso a este tipo de conocimiento, no solo dando a conocer los resultados de sus trabajos de investigación, sino que también explica los fundamentos que lo llevan a elaborar sus modelos y teorías.
Carrera
Los trabajos más importantes en la carrera del reconocido físico consisten en los aportes que realizó con sus hipótesis y teoremas sobre las Singularidades Espacio Temporales, es decir Hawking trabajó en un campo donde no se pueden definir las magnitudes físicas relacionadas con las fuerzas gravitatorias.
Una de las teorías más reconocidas de este inteligente científico es la que realizó desde el marco de la Teoría de la Relatividad general, la cual indica que los agujeros negros emiten cierto tipo de radiación, a esta teoría se le llamó ‘La Radiación de Hawking‘.
En los años 1970 Hawking pone a prueba el primero de sus teoremas sobre la Singularidad del Espacio Temporal, con el cual demostró que las curiosidades matemáticas nos solo suceden en casos especiales, sino que ocurren con una frecuencia relativa.
Agujeros Negros
Posteriormente, luego de realizar un análisis a las emisiones de los Rayos Gamma, Hawking sugiere teoremas en los que indica que después de efectuarse el ‘big bang‘ se formaron agujeros negros diminutos.
Este trabajo de investigación da como resultado las cuatro leyes que rigen la ‘Termodinámica de los agujeros negros’, y luego en el año 1974 calculó que en los agujeros negros estaban en la capacidad de crear y emitir térmicamente partículas subatómicas, hasta que se desgastan y terminan por evaporarse.
Stephen Hawking desarrollo un modelo topológico en el cual el universo era un espacio sin fronteras refiriéndose al espacio – tiempo, para lo cual se vale inicialmente en los modelos clásicos de la teoría del big bang, de las cuales emanó la propuesta de que la ausencia de fronteras es coherente con un universo no cerrado.
Stephen Hawking trabajó toda su vida con las leyes básicas que rigen el universo. En colaboración con el también físico teórico Roger Penrose demostró que la Teoría de la Relatividad de Einstein tiene una implicación en que el espacio y el tiempo tienen un principio en el big bang y un final en los agujeros negros.