Teoría del todo para niños

Una teoría del todo (también conocida como ToE, por sus siglas en inglés) es una idea muy importante en la física teórica. Busca una explicación única que conecte todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Al principio, este término se usaba de forma un poco divertida. Pero luego se volvió muy popular en la física cuántica. Describe las propuestas para unir o explicar todas las interacciones básicas del universo en un solo modelo. Otros nombres parecidos son teoría unificada o teoría de campos unificados.

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 idea de una "teoría del todo" se basa en el principio de causalidad. Su descubrimiento nos acercaría a entender el universo de una manera completa. Aunque esto suena a que todo estaría determinado, la física actual, especialmente la mecánica cuántica, nos dice que algunas cosas pueden ser aleatorias. Sin embargo, incluso si hay algo de azar, podemos conocer las reglas que lo gobiernan. La mayor dificultad para encontrar esta teoría es unir leyes que funcionan en diferentes escalas. Necesitamos una teoría que explique todo, desde lo más pequeño (átomos) hasta lo más grande (galaxias). Debe explicar la existencia de las cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la fuerza electromagnética, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.

Durante el siglo XX, muchos físicos propusieron teorías del todo. Pero hasta ahora, ninguna ha podido ser confirmada con experimentos. Uno de los mayores desafíos es que las teorías actuales, como la mecánica cuántica y la relatividad general, describen el universo de formas muy diferentes. Combinarlas de manera sencilla suele llevar a problemas matemáticos.

Historia de la búsqueda de una teoría unificada

Desde la época de los antiguos griegos, los filósofos pensaron que la gran variedad de cosas que vemos esconde una unidad. Creían que las fuerzas de la naturaleza podrían ser menos de las que parecen. Por ejemplo, en el siglo XVII, se propuso que todas las fuerzas eran solo el resultado del contacto entre partículas pequeñas. Esta idea cambió cuando Isaac Newton explicó la gravedad a larga distancia. El trabajo de Newton en su libro Principia fue la primera prueba de que fuerzas diferentes podían unificarse. Él explicó la gravedad terrestre, el movimiento de los planetas y las mareas con una sola ley: la Ley de gravitación universal.

En 1820, Hans Christian Oersted descubrió una conexión entre la electricidad y el magnetismo. Décadas de trabajo llevaron a la teoría del electromagnetismo de James Clerk Maxwell. También en los siglos XIX y siglo XX, se vio que muchas fuerzas de contacto (como la elasticidad, la viscosidad o la fricción) eran en realidad interacciones eléctricas entre partículas diminutas. A finales de la década de 1920, la nueva mecánica cuántica mostró que los enlaces químicos entre átomos también eran ejemplos de fuerzas eléctricas. Esto confirmó la idea de que las leyes básicas para gran parte de la física y toda la química ya se conocían. El reto era unir estas fuerzas fundamentales en un solo modelo.

Los intentos de unir la gravedad con el magnetismo comenzaron en 1849 con Michael Faraday. Después de que Albert Einstein publicara su teoría de la gravedad (la relatividad general) en 1915, la búsqueda de una teoría de campo unificado se hizo más seria. Muchos científicos, incluyendo a Einstein, intentaron combinar la gravedad con el electromagnetismo, pero ninguna de estas propuestas tuvo éxito.

La búsqueda se complicó con el descubrimiento de las fuerzas débil y fuerte. Estas no podían incluirse fácilmente en la gravedad o el electromagnetismo. Otro obstáculo fue entender que la mecánica cuántica debía ser parte de la teoría desde el principio. En el siglo XX, el trabajo se centró en las tres fuerzas "cuánticas": el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte. Las dos primeras se unificaron en 1967-68 por Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam. Las fuerzas fuerte y electrodébil coexisten en el modelo estándar de partículas, pero siguen siendo distintas. Se han propuesto muchas teorías de gran unificación (GUT) para unirlas.

La Teoría del Todo en la física actual

En la física moderna, una Teoría del Todo buscaría unificar las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza: la gravitación, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Como la fuerza débil puede cambiar un tipo de partícula elemental en otro, una teoría del todo debería explicar los diferentes tipos de partículas y fuerzas. El patrón de unificación que se busca es el siguiente:

Además de estas fuerzas, la cosmología moderna también considera la fuerza inflacionaria, la energía oscura y la materia oscura.

La unificación electrodébil es una "simetría rota". Esto significa que el electromagnetismo y la fuerza débil parecen diferentes a bajas energías. Esto se debe a que las partículas que transmiten la fuerza débil (los bosones W y Z) tienen masa, mientras que el fotón (que transmite la fuerza electromagnética) no tiene masa. A muy altas energías, los bosones W y Z pueden ganar masa fácilmente, y la naturaleza unificada de las fuerzas se hace evidente. Se espera que las teorías de gran unificación (GUT) funcionen de manera similar, pero a energías mucho más altas que las que se pueden alcanzar en los acelerador de partículas de la Tierra. La unificación de las fuerzas GUT con la gravedad se espera a energías aún mayores.

Muchos físicos creen que la unificación es posible. Esto se debe en parte a que la historia de la física muestra una tendencia a unir teorías. La supersimetría es una idea que parece prometedora. No solo es "bella" teóricamente, sino que también podría explicar la existencia de la materia oscura.

Las candidatas principales a una teoría del todo son la teoría de supercuerdas y la gravedad cuántica de bucles. Estas teorías intentan resolver problemas al establecer un límite mínimo para las escalas de longitud posibles. La teoría de supercuerdas y la supergravedad (que se cree que son casos especiales de una teoría más grande llamada Teoría M) sugieren que el universo tiene más dimensiones de las que podemos ver. La idea de dimensiones extra también ayuda a explicar por qué la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas. Una posible respuesta es que la gravedad se extiende a una dimensión extra, mientras que las otras fuerzas no.

A finales de la década de 1990, se notó que muchas teorías candidatas a la teoría del todo no podían predecir las características exactas de nuestro universo. Por ejemplo, algunas teorías de la gravedad cuántica podrían crear universos con un número cualquiera de dimensiones. Una idea especulativa es que muchas de estas posibilidades existen en diferentes universos. Solo un pequeño número de ellos serían habitables, y por eso las constantes fundamentales de nuestro universo serían el resultado de un principio antrópico. Sin embargo, esta idea es criticada porque, si la teoría es tan flexible, no podría hacer predicciones útiles.

¿Qué debería explicar una teoría del todo?

Una teoría del todo debería poder aclarar varios fenómenos:

• Parámetros inexplicables: Las teorías actuales de las interacciones electrodébil y fuerte funcionan bien, pero tienen números que deben ser determinados por experimentos. Una teoría del todo debería explicar estos números y predecir su valor.
• Problemas de la relatividad general: Una teoría del todo debería explicar fenómenos como el Big Bang o la naturaleza de las singularidades espaciotemporales (puntos donde las leyes de la física dejan de funcionar), que la relatividad general y la mecánica cuántica no explican por completo.
• Satisfacción filosófica: Muchos creen que la naturaleza última del universo es simple. Los modelos actuales, como el modelo estándar, son muy complejos y se cree que no están completos.

Ideas actuales para una teoría del todo

Han surgido dos teorías que podrían convertirse en la teoría unificada:

• La Teoría M: Es una versión de la teoría de cuerdas que se basa en un espacio de 11 dimensiones.
• La teoría cuántica de bucles: Propone que el propio espacio-tiempo está formado por "cuantos" o unidades mínimas, algo que aún no se ha demostrado.

La Teoría del Todo en la filosofía

El significado de una Teoría del Todo en la física es un tema de debate filosófico. Algunos filósofos, como Aristóteles o Platón, intentaron construir sistemas que lo abarcaran todo. Otros tienen dudas sobre si esto es posible.

Relación con el teorema de incompletitud de Gödel

Algunos científicos sugieren que el teorema de incompletitud de Gödel implica que cualquier intento de construir una teoría del todo está destinado a fallar. El teorema de Gödel dice que cualquier teoría matemática lo suficientemente compleja es inconsistente o incompleta. Stanley Jaki y Freeman Dyson han argumentado que esto significa que una teoría del todo no podría ser completamente determinista o exhaustiva.

Stephen Hawking creyó al principio en una Teoría del Todo, pero después de considerar el teorema de Gödel, concluyó que no se podría obtener. Sin embargo, muchos científicos y matemáticos creen que el teorema de Gödel no es relevante para la teoría del todo. El teorema de Gödel habla de lo que se puede demostrar en un sistema matemático a largo plazo, no de la capacidad de conocer las reglas o hacer cálculos.

Para entenderlo, piensa en el "Juego de la Vida" de Conway. Este juego tiene reglas simples, pero es imposible predecir su comportamiento a largo plazo desde una configuración inicial. Las criaturas dentro del juego conocerían todas las reglas, que serían su "teoría del todo", pero aun así no podrían predecir todo.

Perspectivas actuales de la Teoría del Todo

Actualmente, ninguna teoría física se considera perfectamente exacta. La física avanza mediante "aproximaciones sucesivas", que permiten predicciones cada vez más precisas. Muchos físicos creen que los modelos teóricos son solo aproximaciones y que la "verdad" final nunca se alcanzará. El propio Einstein pensaba que podíamos esperar una teoría del todo que unifique todas las fuerzas conocidas, pero no la respuesta final.

Existe un debate filosófico sobre si una teoría del todo es la "ley fundamental" del universo. Una postura es que la teoría del todo es la ley principal y que todas las demás teorías son una consecuencia de ella. Otra visión es que existen "leyes emergentes" (como la segunda ley de la termodinámica o la selección natural) que gobiernan sistemas complejos y que son igualmente fundamentales.

Aunque el nombre "teoría del todo" sugiere que todo estaría determinado, esto es engañoso. La mecánica cuántica introduce la probabilidad, y la teoría del caos matemático muestra que una pequeña diferencia en las condiciones iniciales puede llevar a resultados muy diferentes. Por lo tanto, aunque el modelo estándar de la física de partículas "en principio" predice todos los fenómenos no gravitacionales, en la práctica es muy difícil aplicarlo. La principal razón para buscar una Teoría del Todo, además de la satisfacción de completar una búsqueda de siglos, es que las unificaciones anteriores han predicho nuevos fenómenos importantes.

Véase también

En inglés: Theory of everything Facts for Kids

• Teoría de cuerdas
• Teoría del campo unificado
• Teoría M
• Una teoría del todo excepcionalmente simple
• Cronología del universo temprano