LA TEORIA HIPOTETICA QUE EXPLICA EL UNIVERSO
La Teoría del Todo (ToE por sus siglas en inglés, "Theory of Everything") es una teoría hipotética de la Física teórica que explica y conecta en una sola todos los fenómenos físicos conocidos. Inicialmente, el término fue usado con una connotación irónica para referir a varias teorías sobregeneralizadas. Después el término se popularizó en la Física Cuántica al describir una teoría que podría unificar o explicar a través de un modelo simple de teorías todas las interacciones fundamentales de la naturaleza.
Hubo numerosas teorías del todo propuestas por físicos teóricos en el siglo pasado, pero hasta ahora ninguna ha sido capaz de superar una prueba experimental, han tenido tremendas dificultades para que sus teorías tengan resultados experimentales estables. El primer problema en producir una teoría del todo es que las teorías aceptadas, como la mecánica cuántica y la relatividad general, son radicalmente diferentes en las descripciones del universo: las formas sencillas de combinarlas conducen rápidamente a la "renormalización" del problema, en donde la teoría no nos da resultados finitos para datos cuantitativos experimentales.
Otros términos, no del todo sinónimos, empleados para referirse al mismo concepto son teoría unificada, gran teoría unificada, teoría de campos unificada y teoría del campo unificado.
ANTECEDENTES HISTORICOS
El concepto de una "teoría del todo" está arraigada en una vieja idea de causalidad, famosa expresión de Laplace:
"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 sus ojos."
( Essai philosophique sur les probabilités, introducción. 1814 )
TEORIA DEL TODO EN FISICA MODERNA
En la corriente principal de la física actual, la Teoría del Todo podría unificar todas las interacciones fundamentales de la naturaleza, que son consideradas como cuatro: gravitación, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la electromagnética. Dado que la fuerza fuerte puede transformar partículas elementales de una clase a otra, la teoría del todo debería producir una comprensión profunda de varios tipos diferentes de partículas, así como de diferentes fuerzas.
Adicionalmente a las fuerzas listadas aquí, la moderna cosmología requiere una fuerza inflacionaria, energía oscura, y también materia oscura compuesta de partículas fundamentales fuera de la escena del modelo estándar.
La unificación electrodébil es una simetría rota: el electromagnetismo y la fuerza débil parecen distinguirse a bajas energías porque las partículas traen fuerzas débiles, los bosones W y Z tienen la masa de alrededor de 100 GeV/c2, mientras que el fotón, que trae la fuerza electromagnética, no tiene masa. A altas energías los bosones W y Z pueden crear masa fácilmente y la naturaleza unificada de las fuerzas aparece. La teoría de la gran unificación se espera que opere de manera similar, pero las energías en el orden de 1016 GeV o mucho mayores no pueden ser conseguidas por ningún acelerador de partículas en La Tierra. Por analogía, la unificación de las fuerzas GUT con la gravedad se espera que sea a una energía de Planck, alrededor de 1019 GeV.
Podría ser prematuro el estar buscando la teoría del todo cuando no existe evidencia directa de una fuerza electronuclear y mientras en cualquier caso hay muchas diferentes propuestas de GUTs. En efecto el nombre deliberado está envuelto en Hibris. No obstante, muchos físicos creen que la unificación es posible, debido en parte a la historia de convergencia hacia una misma teoría. La supersimetría se ve plausible no sólo por su "belleza" teórica, sino por su naturalidad al producir grandes cantidades de materia oscura, y la fuerza inflacionaria puede ser relacionada a GUT físicas (aunque no parece formar parte inevitable de la teoría). Y ahora las GUTs no son claramente la respuesta final. Tanto el modelo estándar actual como la propuesta GUT son teorías cuánticas de campos que requieren la problemática técnica de la renormalización de respuestas a campos sensibles. Es usual considerar como un signo de que hay una sola teoría de campos efectiva omitiendo fenómenos cruciales sólo a muy altas energías. Además, la inconsistencia entre la mecánica cuántica y la relatividad general implica que una de las dos debe ser remplazada por una teoría que incorpore la gravedad cuántica.
La única candidata principal a Teoría del todo en el momento es la Teoría de supercuerdas o Teoría M.
Investigaciones en curso sobre la gravedad cuántica de bucles puede eventualmente jugar un rol fundamental en la teoría del todo, pero éste no es el principal objetivo. Estas teorías intentan tratar con la renormalización del problema mediante el establecimiento de algunas en el límite inferior de escalas de longitud posible. La teoría de supercuerdas y la supergravedad (se cree que ambas son casos especiales de una teoría sin definir M) suponen que el universo tiene en realidad más dimensiones que lo que puede verse a simple vista: tres espaciales y una temporal. La motivación tras este acercamiento comienza con la teoría Kaluza-Klein en donde se notó que al aplicar la relatividad general en un universo de 5 dimensiones (una dimensión más una pequeña dimensión de doblado) mantenía la equivalente a la relatividad general, de 4 dimensiones, con las leyes de Maxwell del electromagnetismo (también en 4 dimensiones). Esto ha dado lugar a esfuerzos para trabajar con teorías de muchas dimensiones en las que se espera que se puedan producir ecuaciones que sean similares a las conocidas en física. La noción de extradimensiones también ayuda a resolver el problema de la jerarquía, donde la pregunta de por qué la gravedad es más débil que cualquier otra fuerza. La respuesta común dice que la gravedad estaría en una dimensión extra a las otras fuerzas.
A finales de 1990 se notó que uno de los problemas de tener muchas candidatas a teorías del todo (pero particularmente con la teoría de cuerdas) era que éstas no contenían las características de predecir el universo. Por ejemplo, muchas teorías de la gravedad cuántica pueden crear universos con un número arbitrario de dimensiones o con arbitrarias constantes cosmologicas. Incluso la "estándar" teoría de cuerdas 10-dimensional permite a las dimensiones "espiraladas" ser compactadas en muchos diferentes caminos (uno estimado es 10^(500) donde cada una corresponde a colecciones diferentes de partículas fundamentales y fuerzas de baja energía).
Una solución especulativa es que muchas de esas posibilidades son realizables en uno u otro de los universos posibles, pero sólo un número pequeño de ellos son habitables, y por lo tanto las constantes universales fundamentales son en definitiva el resultado de un principio antrópico como consecuencia de una teoría del todo. Esta aproximación antrópica es claramente criticada en que, como la teoría es lo suficientemente flexible para abarcar casi cualquier observación, no podría hacer predicciones útiles (como originales, falsas o verificables). Desde este punto de vista, la teoría de cuerdas podría ser considerada como pseudociencia, donde una teoría infalsable es constantemente adaptada para que los resultados experimentales se ajusten a ella.
PERSPECTIVAS ACTUALES DE LA TEORIA DEL TODO
Ninguna teoría física al momento se cree que sea precisamente exacta. En lugar de ello, la física ha procedido por series de "aproximaciones sucesivas" permitiendo predicciones cada vez más exactas sobre una amplia gama de fenómenos. Muchos físicos creen que existen muchos errores en los confusos modelos teóricos con la naturaleza real de la realidad y sostienen que la serie de aproximaciones nunca terminará en "verdad". El mismo Einstein expreso su visión en ocasiones. Desde su punto de vista, podemos razonablemente esperar por "una" teoría del todo donde consistente -en sí misma- incorpore todas las fuerzas conocidas actualmente, pero no debemos esperar en tener la respuesta final. En cambio, estaba abierto a opinar que a pesar de la aparente complejidad matemática en cada teoría, en un sentido profundo asociado con su subyacente simetría gaugiana y al número de constantes físicas universales, las teorías se simplificarán. Si eso ocurre, el proceso de simplificación no puede continuar indefinidamente.
Hay un debate filosófico dentro de la comunidad física de la existencia o no de la teoría del todo y si debe ser llamada "la" ley fundamental del universo. Una opción es la posición reduccionista dura de que la teoría del todo es la ley fundamental y que todas las otras teorías que aplican en el universo son una consecuencia de la ley del todo. Otra visión es que las leyes emergentes (llamadas "leyes libres flotantes" por Steven Weinberg) donde gobierna un comportamiento de sistemas complejos deberían ser igualmente fundamentales. Ejemplos son la segunda ley de la termodinámica y la teoría de la selección natural.
En punto comienza en que a través de nuestro universo esas leyes describen sistemas cuyo comportamiento puede ("en principio") ser predicho por una ToE, que también se realizarán en un universo con diferentes leyes de bajo nivel, sujeto sólo a algunas condiciones muy especiales. Por lo tanto no es de ayuda, ni siquiera en principio, invocar un nivel bajo de leyes para discutir el comportamiento de los sistemas complejos. Algunos argumentan que esta actitud podría violar la Navaja de Occam si es completamente válida la formulación de la teoría del todo. Si no es claro que hay cualquier punto en cuestión este debate (por ejemplo entre Steven Weinberg y Phillip Anderson que no hay derecho a aplicar la palabra "fundamental" que respete los temas de interés.
Aunque el nombre "teoría del todo" sugiera el determinismo citado de Laplace, este da una impresión muy engañosa. El determinismo queda frustrado por la probabilidad natural de las predicciones de la mecánica cuántica por la extrema sensibilidad a las condiciones iniciales que llevan al caos matemático y por la dificultad matemática extrema de aplicarla a la teoría. Por lo tanto, aunque el moderno modelo estándar de la física de partículas "en principio" prediga todos los fenómenos no gravitacionales conocidos, en la práctica sólo unos pocos resultados han sido derivados de una teoría completa (por ejemplo: las masas de unos de los simples hadrones) y esos resultados (especialmente las masas de la partícula donde son las más relevantes para la física de altas energías) son menos precisas que las actuales mediciones experimentales.
Una verdadera teoría del todo difícilmente podría aplicarse. El principal motivo para investigar una ToE, a parte de la pura satisfacción de completar un siglo de búsqueda, es que todas las unificaciones predigan con éxito los nuevos fenómenos, muchos de ellos (p.e. generadores eléctricos) han probado su gran importancia práctica. Como en otros casos de teorías de reducción, la teoría del todo podría también permitirnos definir con certeza el dominio de validez y el error residual de aproximaciones de altas energías para una completa teoría de donde puedan obtenerse cálculos prácticos.
