Universos paralelos

"Cualquiera que no esté impactado con la teoría cuántica no la ha entendido." (Niels Bohr)

Hace ya tiempo escribí varias entradas hablando sobre los conceptos más actuales de la física moderna. En la primera de dichas entradas hice una somera introducción al concepto de campo cuántico, base fundamental del conocido Modelo Estándar de partículas. En concreto, resulta que nuestra visión clásica de un Universo compuesto de átomos moviéndose por entre un espacio vacío es una mala aproximación y un símil que hace más mal que bien. Vamos a resumir a continuación brevemente el contenido de estas entradas antes de adentrarnos en la idea fundamental que queremos debatir en este artículo: los Universos paralelos.

A pesar de lo que siempre nos han contado, las partículas no son sustancias de naturaleza independiente, y tampoco se mueven por entre un vacío...puesto que el concepto de verdadero vacío no existe como tal. En realidad, se dice (y se conoce desde el siglo pasado) en jerga física que las partículas son realmente excitaciones de un campo cuántico. Y es cierto que es el hecho de utilizar estos extraños "palabros" precisamente lo que normalmente detiene a la divulgación científica de ir mucho más allá del concepto tradicional de átomo, pero vamos a intentar explicarlo a continuación de una manera sencilla y visual. No hay que tener miedo:

1) El concepto de campo simplemente hace referencia a las propiedades de cada posición del espacio. Un ejemplo de campo podría ser la temperatura de la cocina de tu casa. Cada posición de tu cocina tiene una temperatura distinta. En este caso la propiedad a determinar del campo es un único número (escalar) para cada posición: la temperatura. Se trata de un ejemplo de campo escalar (1 número es suficiente). Si hicieran falta más números para explicar un campo en cada posición espacial hablaríamos entonces de campo vectorial, un campo tensorial, etc. Y el hecho de que estos campos sean cuánticos simplemente significa que su dinámica (el modo en que se comporta) depende de las propiedades de la mecánica cuántica.

2) La física moderna nos cuenta que lo que en realidad existe (la sustancia básica) en el mundo no son partículas y vacío separándolas (i.e.; la vieja idea de Demócrito), sino campos como los arriba descritos. Estos campos esenciales son espacialmente infinitos e infinitesimales, llenando de este modo todo el espacio del Universo sin dejar hueco para un verdadero vacío. Cada campo es pues una especie de sustrato que se comporta como una colección infinitesimal de números que describen cada posición del espacio.

3) Existe como mínimo un campo cuántico por cada partícula conocida: así pues tenemos un campo para el electrón, el campo de Higgs, el campo del quark up, el campo del quark down, el campo del muón, etc.

4) Cada uno de estos campos se puede entender como si estuviesen compuestos por una infinidad de pequeños "muelles" unidos entre sí. De este modo podemos diferenciar dos tipos de "movimientos": el que hace cada muelle individual al vibrar (estirarse y contraerse a distinta velocidad), y el movimiento de traslación del conjunto de muelles conforme se alteran unos a otros mediante sus "impactos" (de manera similar a como una ola es el resultado ondulatorio de la agitación y vibración conjunta de cada molécula individual de agua).

5) Estos campos (los números que representan cada posición del espacio en realidad, como era el ejemplo de la temperatura de la cocina) presentan por lo tanto ondulaciones (cambios numéricos siguiendo funciones senoidales) que vibran a distinta intensidad, y que se trasladan por entre el espacio de manera similar a como el mar presenta olas de distintas alturas moviéndose a distinta velocidad por su superficie (aunque aquí como vemos lo que se mueve son valores numéricos siguiendo funciones matemáticas).

6) Pues bien: se entiende e interpreta desde la física (llevando quizás demasiado lejos a la metafórica) que la "altura" e intensidad de una onda dentro de un campo cuántico representa cuántas partículas del campo concreto existe en una posición concreta del espacio, mientras que la velocidad de traslación de dicha onda va a representar la energía (momento) que poseen estas partículas.

7) Y muy importante: una posición del espacio que no contenga ondulación alguna se dice que está en reposo (en su estado fundamental), pero que no está vacía. Es decir, que aunque NO existen partículas como tal puesto que no hay ondulaciones en el sentido del punto 6), sí que existe en cada posición infinitesimal del espacio esa sustancia (numérica) que conforma el propio campo y que aún en su estado fundamental presenta cierta vibración y potencial mínimo, remanente del principio de incertidumbre de la mecánica cuántica.

8) Las partículas de un cierto tipo son como vemos excitaciones ondulatorias del campo cuántico al que pertenecen, de manera que el sustrato y la sustancia del mundo no es la partícula en sí, sino esa especie de propiedad (numérica) ubicua que denominamos campo.

9) Finalmente comentar que los distintos campos interaccionan (se acoplan) entre sí dando como resultado lo que normalmente se conoce como fuerza. Es decir, que una fuerza no es ni más ni menos que el hecho de que una ondulación de cierto campo "tropezó" con una ondulación de otro campo distinto dando como resultado una perturbación que acaba modificando el estado de los campos implicados en el proceso.

10) El modo (probabilidad) en que los campos se acoplan entre sí (el resultado de las interacciones), además del modo en que las ondas de cada campo se mueven (su dinámica) vienen determinadas por las matemáticas de lo que se conoce como el modelo estándar de partículas. Estas matemáticas permiten determinar la fenomenología microscópica (calcular la manera en que los valores numéricos de los distintos campos van a variar) con una precisión de decenas de decimales.

En resumen:

El Universo completo está lleno de varios tipos de "mares" (campos), y cada "mar" representa un tipo especial de partícula. Cuando cierto mar no presenta excitación alguna en una posición o lugar x, se dice que está en su estado fundamental y que allí NO hay partículas (aunque sigue habiendo "algo" -el campo- y no se puede decir que en x exista un verdadero vacío). Estos mares pueden presentar como decimos ondulaciones y flujos que se mueven vibrando por entre su ser. La velocidad de traslación y el modo de vibración individual del "agua" ("muelles" siguiendo un movimiento ondulatorio armónico simple) determinarán el momento y el número de partículas en cierta posición x.

La excitación ondulatoria en estos mares se puede traspasar o ceder de un tipo de mar a otro, lo cual constituye el hecho de que una excitación preexistente en cierto mar en la posición x, se pueda convertir en una excitación en otro mar distinto en ese mismo punto x, dando como resultado el equivalente a la aniquilación espontánea de un tipo de partícula y la aparición de otra. Pero en realidad como vemos no se trata de que nada salga de la nada o desaparezca en ella, sino que simplemente las excitaciones ondulatorias se transmiten con cierta probabilidad de un tipo de mar a otro.

Podemos así comprender que las 3 partículas estables que sabemos componen todo lo que vemos en nuestro día a día (electrones, quarks up y quarks down), no son otra cosa más que vibraciones ondulantes dentro de sus mares constituyentes (campos cuánticos). La materia se reduce de este modo a ondas de probabilidad (sinusoidales) moviéndose (numéricamente) dentro de ciertos sustratos cuánticos primordiales que embeben de manera ubicua al Universo por completo desde su mismo origen.

La materia es número, es función, cambio algebraico, ondulación y probabilidad...y poco más.

Partículas "virutales" y partículas "reales".

La partícula "virtual" en física teórica es un término bastante confuso de partida, pero gracias al símil de los "mares" que venimos haciendo desde el principio podemos acordar que será "virtual" aquella partícula que no cumpla con un único requerimiento: esto es, que sea una perturbación en un "mar" (campo cuántico) pero que ¡no presente un movimiento estable, regular, suave y periódico!

Por lo tanto, partículas "reales" y "virtuales" son en esencia la misma cosa: perturbaciones y alteraciones en sus "mares" correspondientes las cuales alteran el estado fundamental de reposo ("mar" sin "olas" -o técnicamente, campo cuántico en su estado de vacío-). Siendo de remarcar que la única diferencia entre ambos fenómenos físicos es el hecho de que las partículas "virtuales" constituyen perturbaciones (alteraciones dinámicas) no periódicas, semi-caóticas, y abruptas que sin embargo acontecen en el mismo "mar" (campo cuántico) que las suaves perturbaciones (senoidales) capaces de permanecer y trasladarse como un flujo en dicho "mar" (las partículas "reales").

Interacción entre mares a base de partículas "virtuales".

Y es precisamente la función de las partículas "virtuales" la de perturbar los diferentes campos cuánticos según sean las propiedades intrínsecas que las partículas "reales" posean a la hora del acoplamiento efectivo. En el caso de dos electrones que se aproximan y repelen, visual y simbólicamente se podrían interpretar los hechos como sigue:

Empezamos con dos suaves y periódicas ondas ("olas") en el "mar" de electrones que se van moviendo y trasladando por el espacio (los puntos azules de la ilustración). El simple movimiento de cada electrón individual produce (debido a la carga eléctrica que transporta de manera intrínseca) una perturbación abrupta, caótica y no periódica en el "mar" de fotones (campo cuántico electromagnético). Estas alteraciones ("olas") no periódicas (no ondulatorias) ya vimos que no se mueven por el espacio y desaparecen casi tan pronto como aparecen: ¡son fotones "virtuales"! 

Pero aunque las alteraciones -"virtuales"- en el "mar" de fotones no se trasladen como tal, el hecho es que siempre aparecen y desaparecen de manera contínua de modo que de todas formas una especie de "nube de fotones virtuales" siempre acompaña al electrón, siendo la probabilidad de que un electrón genere un abrupto fotón "virtual" en cierta posición x del espacio inversamente proporcional a la distancia entre el electrón y x (aunque el rango efectivo es en realidad infinito, y cualquier electrón puede generar con cierta probabilidad -cada vez menor- un fotón "virtual" a cualquier distancia no importa cuan lejos miremos). Por lo tanto, conforme más cerca de la suave onda del electrón nos coloquemos, más probable es que surja de manera espontánea una áspera perturbación en el "mar" de fotones. Así pues podemos imaginar esa suave onda periódica que se mueve (el electrón) rodeada de círculos concéntricos de fotones "virtuales" (perturbaciones que no son ondas, y que aparecen y desaparecen rápidamente) conformando una especie de "nube" cuya densidad disminuye conforme nos alejamos espacialmente del electrón.

Pues bien, cuando dos electrones se aproximan ocurre algo muy interesante. La densidad de fotones "virtuales" que acompañan a ambos electrones empiezan a armonizar y compaginarse de tal suerte que van dictando una dinámica muy particular para ambas partículas "reales". En el caso de que las cargas eléctricas sean iguales (como el caso de dos electrones) estas aditivas alteraciones (abruptas -"virtuales"-) en el "mar" de fotones determinará un flujo repulsivo contra la suave onda (perturbación ondulatoria en el "mar") del electrón, modificando de este modo su camino recto (el cual se habría visto inalterado de no ser por esta interacción con el "mar" de fotones).

Es decir, que las alteraciones ("los fuertes y caóticos oleajes") generados por cada electrón (debido a su carga) en el "mar" de fotones, son los que "empujan" las ondas de las partículas "reales" modificando su momento (sentido de movimiento y velocidad). ¡Es precisamente en este sentido en el que se dice que las partículas "virtuales" son las encargadas de transmitir las "fuerzas" en la naturaleza! De no ser por ellas, todas las partículas se moverían libremente sin interactuar unas con otras en modo alguno, y por lo tanto las trayectorias de éstas jamás se verían alteradas: todo iría siempre siguiendo el camino más recto posible...y punto.

El Modelo Estándar y sus interacciones.

El Modelo Estándar es el encargado de reunir matemáticamente todo lo explicado hasta ahora de modo que sea posible la predicción de fenómenos en física de partículas con alta precisión (de hecho, con la mayor precisión alcanzada hasta la fecha por la humanidad en un experimento). Para ello se vale del concepto abstracto del lagrangiano: grosso modo una función matemática como otra cualquiera, si no fuese por la particularidad que tiene de reflejar con congruencia el comportamiento de estos "mares" cuánticos y sus posibles interacciones. 

Esta función matemática le costó a la humanidad más de 50 años de duro esfuerzo teórico antes de quedar en su forma actual. Esta fórmula logra describir de manera congruente la mayor parte del fenómeno del universo necesitando para ello de 12 partículas materiales (los fermiones, que aparecen siempre exclusivamente como partículas "reales"), y 6 partículas portadoras de la fuerza (los bosones, encargados de producir las interacciones entre los "mares" cuando aparecen como partículas "virtuales").

Hay cuatro fuerzas conocidas (interacciones) cada una mediada por una partícula fundamental intermediaria o portadora (un bosón actuando como partícula "virtual"): los fotones (interacción electromagnética como la del ejemplo anterior), gravitones (interacción gravitatoria), los gluones (interacción nuclear fuerte), y las partículas W± y Zº, portadoras de la fuerza nuclear débil.

A estas partículas simplemente hay que añadir el famoso bosón de Higgs, el encargado de dotar de masa a las partículas fundamentales (gracias a su interacción con casi todas las demás partículas).

Esquema con todas las partículas del Modelo Estándar

Esquema con todas las interacciones del Modelo Estándar

Por último, por supuesto, debemos nombrar el famoso lagrangiano, la ecuación fundamental del modelo. Esta función intimida a primera vista, pero baste decir que toda esa álgebra simplemente es una manera de poder cuadrar los dos esquemas anteriores de modo que se pueda representar la dinámica de interacciones propuestas con el fenómeno observado al experimentar. Es una fórmula enrevesada y compleja, pero no hubo más remedio que hacerla así para que los datos numéricos fuesen congruentes. De todas formas no hay mucho más que una larga serie de sumas, restas, multiplicaciones y divisiones en ella. La aparente dificultad no es más que una ilusión debido a lo críptico de los símbolos utilizados:

El problema de la materia oscura y la energía oscura.

Merece la pena mencionar en este punto el problema existente actualmente con el desconocimiento sobre qué es la materia y la energía oscura. Sencillamente no se sabe qué son. Sin embargo, se puede atisbar la explicación más plausible: qué sean representaciones de nuevos campos cuánticos ("mares") aún no descubiertos. En este sentido, y si nos fijamos en el esquema anterior sobre las interacciones del Modelo Estándar, la mejor apuesta es que la materia oscura es un nuevo tipo de partícula material (partícula "real") que interacciona únicamente (o casi) mediante el intercambio de gravitones (fuerza gravitatoria) y no (o apenas) mediante el intercambio de ninguno de los demás bosones portadores de fuerza. De esta forma no habría manera de detectar ("ver) estas partículas oscuras más allá de la observación de sus efectos gravitacionales.

Por otra parte, la energía oscura se podría explicar mediante el uso de un campo cuántico "especial", similar al campo de Higgs o el hipotético inflatón. Estos campos actúan sobre lo que se entiende tradicionalmente como masa, y pueden hacer aparecer efectos extraños sobre el mismísimo espacio-tiempo (como es la aparición de una fuerza repulsiva que aumenta linealmente con el volumen del espacio).

Una posible explicación para la materia y energía oscura

En cualquier caso, lo importante del asunto es señalar que las matemáticas del Modelo Estándar permiten la existencia de más partículas fundamentales y más interacciones de las descritas hasta el momento. Sería, groso modo, tan "sencillo" como añadir y/o modificar miembros algebraicos en la estructura de la ecuación del lagrangiano.

Universos paralelos.

Y por fin llegamos a lo que se pretendía tratar desde un inicio en esta entrada: las matemáticas del Modelo Estándar también permiten de la existencia de uno (o varios) Universos que convivan de manera simultánea pero independiente con el nuestro. Sería éste el caso si la realidad contuviese campos cuánticos independientes (grafos inconexos); es decir, si existiesen otros grupos de campos cuánticos (partículas) sin interacción alguna entre sí (ni siquiera gravitatoria). Es decir, que muy bien podría existir un paquete independiente de campos cuánticos similares a los de nuestro día a día, pero con la particularidad de que no interaccionan con ninguno de nuestros bosones portadores de fuerza (ni siquiera con el gravitón).

Una manera sencilla de visualizar lo que acabamos de decir es suponer que existe de manera paralela a los campos descritos en el Modelo Estándar una especie de negativo inconexo de partículas y fuerzas. Tendríamos así las mismas partículas materiales y portadoras de fuerza pero no tendrían conexión ni interacción alguna con las de nuestro "mundo". Es decir, que no habría ningún punto de encuentro ni afectación entre estos campos y los del Modelo Estándar. ¡Tendríamos así "mundos" paralelos conviviendo en la misma región del espacio-tiempo! Y cada Universo tendría sus eventos causales y sus "seres" (fenómenos) autónomos. En estos hipotéticos (y posibles) mundos paralelos podrían incluso existir seres inteligentes como nosotros, los cuales habrían dado a sus campos cuánticos y fuerzas otros nombres, e incluso podrían sospechar de la existencia de nuestro Universo, como estamos nosotros haciendo aquí con el suyo.

Pero hay que dejar claro que esta tesis que defendemos no se limita a la posible existencia de uno o unos pocos Universos paralelos conviviendo literalmente con el nuestro, sino que debemos recalcar la posibilidad de que exista una infinidad de ellos todos actuando a la vez de manera concurrente pero desconectada. De hecho, esta idea podría servir de soporte al multiverso matemático del que nos habla el famoso físico Max Tegmark en su obra "Nuestro Universo matemático". Miles de billones de diversas estructuras matemáticas todas sucediendo en el mismo instante pero inconexas entre sí. Una infinidad de mundos paralelos donde únicamente aquellas estructuras con la complejidad necesaria para albergar vida consciente contendrá seres capaces de preguntarse por la propia estructura matemática que los sustenta (sus propiedades y su comportamiento fenoménico).

¡Es sorprendente que la física moderna permita (e incluso favorezca) la posibilidad de este tipo de hipótesis!