¿Hacia dónde se dirige la física (y qué tan pronto llegaremos allí)?

El futuro pertenece a aquellos que se preparan para él, como saben muy bien los científicos que solicitan fondos para investigación a agencias federales como la NASA y el Departamento de Energía. El precio de los instrumentos caros, como un telescopio espacial o un acelerador de partículas, puede alcanzar los 10.000 millones de dólares.

Y así, en junio pasado, la comunidad de física comenzó a considerar qué quieren hacer a continuación y por qué.

Ese es el mandato de un comité designado por la Academia Nacional de Ciencias, llamado Física elemental de partículas: progreso y promesa. Compartiendo la presidencia están dos científicos destacados: Maria Spiropulu, profesora de física Shang-Yi Ch’en en el Instituto de Tecnología de California, y el cosmólogo Michael Turner, profesor emérito de la Universidad de Chicago, ex director asistente de la National Science Fundación y ex presidente de la American Physical Society.

En la década de 1980, el Dr. Turner estuvo entre los científicos que comenzaron a utilizar las herramientas de la física de partículas para estudiar el Big Bang y la evolución del universo, y el universo para aprender sobre la física de partículas. El Dr. Spiropulu, nacido en Grecia, formó parte del equipo en 2012 que descubrió el largamente buscado bosón de Higgs en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, conocida como CERN; ahora usa computadoras cuánticas para investigar las propiedades de los agujeros de gusano. El informe del comité está programado para publicarse en junio de 2024.

Recientemente, The Times se reunió con los dos científicos para analizar el progreso del grupo, las decepciones de los últimos 20 años y los desafíos que se avecinan. La conversación ha sido editada para mayor claridad y brevedad.

¿Por qué convocar este comité ahora?

Tornero: Siento que las cosas nunca han sido más emocionantes en la física de partículas, en términos de oportunidades para comprender el espacio y el tiempo, la materia y la energía, y las partículas fundamentales, si es que son partículas. Si le preguntara a un físico de partículas a dónde va el campo, obtendría muchas respuestas diferentes.

Pero, ¿cuál es la gran visión? ¿Qué tiene de emocionante este campo? Estaba tan entusiasmado en 1980 con la idea de una gran unificación, y eso ahora parece pequeño en comparación con las posibilidades que se avecinan.

Te refieres a las Grandes Teorías Unificadas, o GUT, que se consideraban una forma de lograr el sueño de Einstein de una sola ecuación que abarcara todas las fuerzas de la naturaleza. ¿Dónde estamos en la unificación?

Tornero: Por lo que sabemos, los componentes básicos de la materia son los quarks y los leptones; las reglas que los gobiernan están descritas por la teoría cuántica de campos llamada Modelo Estándar. Además de los bloques de construcción, hay portadores de fuerza: el fotón, de la fuerza electromagnética; ocho gluones, de la fuerza del color fuerte; los bosones W y Z, de la fuerza nuclear débil, y el bosón de Higgs, que explica por qué algunas partículas tienen masa. El descubrimiento del bosón de Higgs completó el Modelo Estándar.

Pero la búsqueda de las reglas fundamentales no ha terminado. ¿Por qué dos tipos diferentes de bloques de construcción? ¿Por qué tantas partículas “elementales”? ¿Por qué cuatro fuerzas? ¿Cómo encajan la materia oscura, la energía oscura, la gravedad y el espacio-tiempo? Responder a estas preguntas es el trabajo de la física de partículas elementales.

Espiropoulos: La curva es que no entendemos la masa del Higgs, que es unas 125 veces la masa de un átomo de hidrógeno.

Cuando descubrimos el Higgs, lo primero que esperábamos era encontrar estas otras nuevas partículas supersimétricas, porque la masa que medimos era inestable sin su presencia, pero aún no las hemos encontrado. (Si el campo de Higgs colapsara, podríamos burbujear en un universo diferente y, por supuesto, eso aún no ha sucedido).

Eso ha sido un poco aplastante; durante 20 años he estado persiguiendo las partículas supersimétricas. Así que somos como ciervos en los faros: no encontramos supersimetría, no encontramos materia oscura como partícula.

Tornero. La unificación de las fuerzas es sólo una parte de lo que está pasando. Pero es aburrido en comparación con las preguntas más amplias sobre el espacio y el tiempo. Discutir qué son el espacio y el tiempo y de dónde vienen está ahora dentro del ámbito de la física de partículas.

Desde la perspectiva de la cosmología, el Big Bang es el origen del espacio y el tiempo, al menos desde el punto de vista de la relatividad general de Einstein. Así que el origen del universo, el espacio y el tiempo están todos conectados. ¿Y el universo tiene un fin? ¿Existe un multiverso? ¿Cuántos espacios y tiempos hay? ¿Esa pregunta tiene sentido?

Espiropoulos: Para mí, por cierto, la unificación no es aburrida. Solo digo.

Tornero: Quise decir aburrido relativamente hablando. ¡Sigue siendo muy interesante!

Espiropoulos: El indicio más fuerte que tenemos de la unidad de la naturaleza proviene de la física de partículas. A energías suficientemente altas, las fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil) parecen igualarse.

Pero no hemos llegado a la escala de Dios en nuestros aceleradores de partículas. Así que posiblemente tengamos que reformular la pregunta. En mi opinión, la ley fundamental sigue siendo un rompecabezas persistente, y la forma en que lo resolveremos será a través de un nuevo pensamiento.

Tornero: Me gusta lo que dice María. Se siente como si tuviéramos todas las piezas del rompecabezas sobre la mesa; parece que las cuatro fuerzas diferentes que vemos son solo facetas diferentes de una fuerza unificada. Pero esa puede no ser la forma correcta de formular la pregunta.

Ese es el sello distintivo de la gran ciencia: haces una pregunta y, a menudo, resulta ser la pregunta equivocada, pero tienes que hacer una pregunta solo para descubrir que es la pregunta equivocada. Si es así, pides uno nuevo.

La teoría de cuerdas, la cacareada “teoría del todo”, describe las partículas y fuerzas básicas de la naturaleza como cuerdas vibrantes de energía. ¿Hay esperanza en nuestro horizonte para entenderlo mejor? Esta supuesta fibrosidad solo aparece en energías millones de veces más altas de lo que podría lograr cualquier acelerador de partículas jamás imaginado. Algunos científicos critican la teoría de cuerdas por estar fuera de la ciencia.

Espiropoulos: No es comprobable.

Tornero: Pero es una poderosa herramienta matemática. Y si nos fijamos en el progreso de la ciencia en los últimos 2500 años, desde los milesios, que comenzaron sin matemáticas, hasta el presente, las matemáticas han sido el tema principal. Geometría, álgebra, Newton y cálculo, y geometría de Einstein y no Riemanniana.

Espiropoulos: Sería más atrevido y diría que la teoría de cuerdas es un marco, como otros marcos que hemos descubierto, dentro del cual tratamos de explicar el mundo físico. El modelo estándar es un marco, y en los rangos de energías en los que podemos probarlo, el marco ha demostrado ser útil.

Tornero: Otra forma de decirlo es que tenemos nuevas palabras y lenguaje para describir la naturaleza. Las matemáticas son el lenguaje de la ciencia, y cuanto más se enriquece nuestro lenguaje, más completamente podemos describir la naturaleza. Tendremos que esperar y ver qué sale de la teoría de cuerdas, pero creo que será grande.

Entre las muchas características de la teoría de cuerdas está que las ecuaciones parecen tener 10⁵⁰⁰ soluciones, que describen 10⁵⁰⁰ diferentes universos posibles o incluso más. ¿Vivimos en un multiverso?

Tornero: Creo que tenemos que lidiar con eso, aunque suene loco. Y el multiverso me da dolor de cabeza; al no ser comprobable, al menos no todavía, no es ciencia. Pero puede ser la idea más importante de nuestro tiempo. Es una de las cosas que están sobre la mesa. Dolor de cabeza o no, tenemos que lidiar con eso. Necesita subir o salir; o es parte de la ciencia o no es parte de la ciencia.

¿Por qué se considera un triunfo que el modelo estándar de cosmología no diga qué es el 95 por ciento del universo? Solo el 5 por ciento es material atómico como estrellas y personas; El 25 por ciento es alguna otra “materia oscura”, y alrededor del 70 por ciento es algo aún más extraño, Mike lo ha llamado “energía oscura”, que está causando que el universo se expanda a un ritmo acelerado.

Tornero: Eso es un gran éxito, sí. Hemos nombrado todos los componentes principales.

Pero no sabes cuáles son la mayoría de ellos.

Espiropoulos: Nos estancamos cuando llegamos muy profundo. Y en algún momento necesitamos cambiar de marcha: cambiar la pregunta o la metodología. Al final del día, comprender la física del universo no es un paseo por el parque. Más preguntas quedan sin respuesta de las que se responden.

Si la unificación es la pregunta equivocada, ¿cuál es la correcta?

Tornero: No creo que se pueda hablar de espacio, tiempo, materia, energía y partículas elementales sin hablar de la historia del universo.

El Big Bang parece el origen del espacio y el tiempo, por lo que podemos preguntar: ¿Qué son realmente el espacio y el tiempo? Einstein nos mostró que no son solo el lugar donde suceden las cosas, como decía Newton. Son dinámicos: el espacio puede doblarse y el tiempo puede deformarse. Pero ahora estamos listos para responder la pregunta: ¿De dónde vienen?

Somos criaturas del tiempo, por lo que pensamos que el universo tiene que ver con el tiempo. Y esa puede ser la forma incorrecta de ver el universo.

Tenemos que tener en cuenta lo que dijiste antes. Muchas de las herramientas de la física de partículas tardan mucho tiempo en desarrollarse y son muy caras. Estas inversiones siempre dan sus frutos, a menudo con grandes sorpresas que cambian el curso de la ciencia.

Y eso hace que el progreso sea un desafío. Pero soy optimista con la física de partículas porque las oportunidades nunca han sido mayores y el campo ha estado a la vanguardia de la ciencia durante años. La física de partículas inventó la gran ciencia global y las instalaciones nacionales y ahora globales. Si la historia sirve de guía, ¡nada les impedirá responder las grandes preguntas!

Se necesitaron tres décadas para construir el telescopio espacial James Webb.

Espiropoulos: Espacio: ¡bingo!

Tornero: Quiero decir, la ciencia se trata de grandes sueños. A veces los sueños están más allá de tu alcance inmediato. Pero la ciencia ha permitido a la humanidad hacer grandes cosas: las vacunas contra el covid, el Gran Colisionador de Hadrones, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, el telescopio Webb. — que amplían nuestra visión y nuestro poder para dar forma a nuestro futuro. Cuando hacemos estas grandes cosas hoy en día, las hacemos juntos. Si continuamos soñando en grande y trabajando juntos, nos esperan cosas aún más asombrosas.