Relativitat general, mecànica quàntica i la teoria del tot (I)

El nostre univers conegut és governat per dues grans doctrines; una de la física clàssica i un altra que pertany a la física moderna. Estem parlant de la relativitat general i la mecànica quàntica. Si us sembla, començarem fent cinc cèntims d’aquests dos pilars:

Relativitat general:

La relativitat general és un terme que per sí sol, sense necessitat de comprensió alguna, ha passat per les nostres orelles alguna que altra vegada. Aquesta teoria fou formulada l’any 1915 pel gran físic Albert Einstein (molt nombrat amb anterioritat en aquest blog), i fou rebuda amb molt d’èxit pel món sencer. Bàsicament explica el comportament dels grans cossos dins del nostre univers, ex: satèl·lits que giren al voltant de planetes, planetes que ho fan al voltant d’estrelles, etc.

És la teoria perfecta per comprendre l’univers en gran escala, però suposa un problema alhora de determinar els moviments de la comunitat més petita coneguda, el microcosmos.

Mecànica quàntica:

La mecànica quàntica va néixer al voltant dels anys 30 i fou impulsada per un gran nombre de científics de l’època que lluitaven per explicar el comportament de partícules, interaccions entre elles, etc.

Descriu amb precisió els comportaments dels àtoms i els seus constituents (entre altres) utilitzant com a pilot les quatre forces de la naturalesa (l’electromagnetisme, força nuclear dèbil, forta i la gravetat) i la seva principal característica que incorpora és el principi d’incertesa (principio de incertidumbre, en castellà) que implica que no es pot conèixer la velocitat d’una partícula i la seva posició a la vegada.

Resumint; La relativitat general explica el comportament dels cossos grans i la mecànica quàntica dels més petits (petits, fent referència a cossos de mides atòmiques).

En busca de la teoria del tot:

Des de que aquestes teories foren formulades, gran part de la comunitat científica ha estat lluitant per arribar al punt que algun dia les puguin fusionar i obtenir la teoria del tot; un conjunt de lleis físiques que ens permetran saber amb certesa i exactitud quins són els comportaments de tots els elements que habiten en el nostre univers (o que el formen), ja siguin en petita o gran escala.

Sembla ser que cada cop ens troben més a prop d’aconseguir-ho, doncs cada vegada també sabem més sobre les teories parcials que la constitueixen, que en principi són les quatre forces de la naturalesa. Però no ens podem permetre el luxe de fer-nos il·lusions, i això és el que precisament li va passar a Max Born l’any 1929, quan va dir a un grup de visitants de la universitat de Gotinga: “ La física, tal com la coneixem, s’acabarà en sis mesos”. Les seves esperances i confiances es basaven en el recent descobriment de l’equació de Dirac que governava el comportament de l’electró. Es pensava que una equació similar governaria el comportament del protó, juntament amb l’electró l’única partícula coneguda fins llavors, i això suposaria el final de la física teòrica. No obstant, el descobriment del neutró i les forces nuclears ho va desmentir i acabant amb les esperances del professor Born.

Existeix la necessitat de fusionar dues teories que per si soles són excel·lents??

Aquesta pregunta és clau. Si la relativitat general governa els cossos a gran escala i la mecànica quàntica ho fa amb els més petits, cadascuna amb gran exactitud, existeix la necessitat de fusionar-les? Més enllà de raons filosòfiques (en aquest cas seran físiques), sí.

Hi ha ocasions en que per comprendre elements del nostre univers no ens serveix tan sols l’aplicació d’algunes de les dues teories, com és el cas dels forats negres.

Com sabem, el nucli d’un forat negre és un tros de matèria de mida atòmica. El fet de ser tant petit implica l’ús de comprensió de la mecànica quàntica, però, a la vegada, té una massa pròpiament de grans estrelles, comportaments que s’expliquen a partir de la relativitat general que funciona a gran escala.

Succeeix el mateix en els orígens del nostre univers, quan es creu que un punt infinitament reduït (mecànica quàntica) concentrava una massa infinita (relativitat general). Tot i que llavors (en el Big Bang) encara no existien cap de les lleis físiques conegudes actualment.

Anteriorment hem esmentat que existeixen necessitats pròpies de la comprensió física que es troben més enllà de les raons filosòfiques. Filosòfiques pel simple fet que els científics no es conformen amb dues teories que respectivament expliquin les coses amb gran precisió, sinó que volen creure amb una sola teoria capaç de governar tot l’univers, o simplement que l’univers governi sobre ella.

Però amb sentit filosòfic, pot existir realment una teoria del tot??

Existeixen tres possibilitats:

• Existeix realment una teoria unificada completa, que algun dia serem capaços de descobrir si som lo suficientment intel·ligents per fer-ho.
• No existeix ninguna última teoria de l’univers, sinó només una seqüència infinita de teories que descriuen l’univers cada cop amb major precisió.
• No hi ha ninguna teoria de l’univers. Els esdeveniments no es poden predir amb una certa mesura, sinó que succeeixen d’una manera aleatòria i arbitrària.

Aquest últim cas suposa que mai podrem saber l’estat d’una partícula en el futur sabent com és en el present si actua d’una manera adequada i constant, de la mateixa manera que podem saber la posició d’un cotxe si ens diuen que partint d’una certa coordenada viatjarà quinze minuts a una velocitat constant de 100 km/h, com creuen els impulsors de l’actual teoria del tot (la teoria de cordes). I especifica que mai ho podrem saber posat que limitaríem el poder de Déu per decidir quan una cosa actua d’una manera o altra (com argumenta Stephen Hawking).

Més endavant parlarem de la principal teoria del tot amb la que es treballa actualment i que, tot i que és impossible de demostrar amb proves, sembla ser la més adequada: La teoria de cordes.

1 Un pensament filosòfic és tot aquell que té una coherència física però que no es troba al nostre abast de demostració.