La teoría del todo: la búsqueda de la explicación de toda la realidad

Embárquense con el Dr. Lincoln en la búsqueda de una teoría del todo: una explicación sencilla y completa de todos los fenómenos físicos del universo. Enfréntense a la incompatibilidad de nuestros dos mejores prototipos: el modelo estándar de la física de partículas y la teoría general de la relatividad.

Descubran cómo James Clerk Maxwell demostró en la década de 1860 que dos fenómenos aparentemente separados, la electricidad y el magnetismo, eran aspectos de una única fuerza subyacente, demostrando así cómo funciona la unificación en física. A continuación, vean cómo las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo hacen una predicción notable.

Sigan uno de los giros más extraños de la ciencia moderna: el descubrimiento del paradójico mundo de la luz, que dio origen a la teoría de la mecánica cuántica. Descubran cómo la luz y la materia se comportan a la vez como partículas y como ondas, y observen las pruebas de esta curiosa característica del mundo cuántico.

Sigan el razonamiento que llevó a Einstein a su teoría especial de la relatividad, propuesta en 1905. Aborden los conceptos erróneos más comunes sobre esta sorprendente nueva visión del tiempo y el espacio, que condujo a ideas como la equivalencia masa-energía, la imposibilidad de viajar más rápido que la luz y el continuo espacio-tiempo.

Profundicen en el mundo cuántico observando cómo la teoría de la electrodinámica cuántica, o QED, une la mecánica cuántica con la relatividad especial. Descubran que los prácticos esbozos del comportamiento subatómico llamados diagramas de Feynman (en honor al físico Richard Feynman) son en realidad ecuaciones disfrazadas.

Estudien la fuerza nuclear débil, responsable de la desintegración beta: la emisión de un electrón desde un núcleo durante la desintegración radiactiva. Descubran que ocurren muchas más cosas, incluidas extrañas transformaciones que suponen un reto para una teoría del todo.

Analicen más idiosincrasias de la fuerza débil, centrándose en las tres partículas masivas que median en sus interacciones. Descubran que la fuerza débil es única en su capacidad de cambiar una característica llamada sabor, y aprendan que a altas energías la fuerza débil es excepcionalmente fuerte.

Un paso clave en la búsqueda de una teoría del todo ha sido la constatación de que las fuerzas electromagnética y débil son aspectos de la misma fuerza. Sigan la saga de la unificación electrodébil, que culminó con el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012.

Exploren la fuerza que ayuda a mantener unido el núcleo atómico, llamada fuerza fuerte. Exploren el descubrimiento de este misterioso mecanismo, que solo funciona a muy corta distancia, y descubran cómo dio lugar a conceptos como los quarks, los gluones y la fuerza cromática, responsable de la interacción fuerte.

Reúnan todos los conceptos estudiados hasta ahora para calibrar lo cerca que están los físicos de una teoría del todo. Céntrense en las deficiencias del modelo estándar. A continuación, céntrense en dos cuestiones candentes: ¿Por qué la masa del bosón de Higgs es tan baja y por qué predomina la materia sobre la antimateria?

Adopten una nueva perspectiva mientras el profesor Lincoln expone ideas especulativas que podrían contribuir a una teoría del todo. Exploren los misterios de los neutrinos, extraordinariamente difíciles de detectar, pero que encierran intrigantes pistas sobre la posible unidad de las fuerzas fundamentales.

Consideren por qué las matemáticas son una herramienta tan eficaz para describir la naturaleza. A continuación, nos centraremos en la extraordinaria intuición del matemático Emmy Noether, que relaciona las simetrías de las ecuaciones de un sistema físico con las leyes de conservación, como la conservación de la energía y la conservación del momento.

Los primeros indicios de una teoría del todo surgirán probablemente de las simetrías y la teoría de grupos. Prepárense para este momento trascendental profundizando en estas importantes ideas matemáticas. Además, aprendan a abordar las teorías del todo propuestas con fascinación, matizada por un sano escepticismo.

Una de las ideas más atractivas para los físicos que buscan una teoría del todo es la supersimetría, que trata las partículas portadoras de fuerza y materia como intercambiables. Exploren los principales problemas que resuelve la supersimetría y las deficiencias que convencen a algunos científicos de que quizá haya que considerar también otras ideas.

Se cree que los componentes fundamentales de la materia son los quarks (que interactúan mediante la fuerza fuerte) y los leptones (que interactúan mediante las fuerzas electromagnética y débil). Pero, ¿podría haber un nivel más profundo? Exploren la teoría de los preones, que podrían ser aún más fundamentales que los quarks y los leptones.

La gravedad es, con mucho, la más débil de las fuerzas fundamentales. Descubran cómo Newton logró la primera gran unificación de la física al demostrar que la gravedad terrestre y la celeste son la misma. También equiparó tácitamente la masa inercial y la masa gravitatoria, lo que condujo a la sorprendente teoría 250 años después.

Basada en la equivalencia de las masas inercial y gravitatoria, la teoría general de la relatividad de Einstein explica la gravedad de una forma nueva y sorprendente. Descubran cómo la materia y la energía determinan la forma del espacio y el tiempo. Investiguen las pruebas que confirman la relatividad general, incluido el descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2015.

Sigan el rastro del descubrimiento de la masa ausente que rodea a la mayoría de las galaxias, lo que lleva a los científicos a deducir que el 85% de toda la materia es "oscura" y no puede observarse directamente. Evalúen las principales teorías sobre esta discrepancia y consideren sus implicaciones para una teoría del todo.

Recurran a la energía oscura, el fantasmal campo de energía que parece estar separando el universo a un ritmo cada vez mayor. Entérense de cómo se hizo este extraordinario descubrimiento en 1998 y exploren las teorías que intentan explicar la energía oscura y sus extrañas consecuencias.

Una teoría del todo debe encajar la gravedad en el ámbito cuántico, reconciliando la teoría general de la relatividad con el modelo estándar de la física de partículas. Exploren las características de la gravedad que hacen tan difícil esta unificación y evalúen dos intrigantes enfoques: la teoría de supercuerdas y la gravedad cuántica de bucles.

Aventúrense en dimensiones extra para investigar la extraordinaria debilidad de la gravedad en comparación con las demás fuerzas fundamentales. Este viaje también arroja luz sobre la posible creación de agujeros negros subatómicos en aceleradores de partículas y por qué los agujeros negros diminutos no suponen ningún riesgo para la humanidad.

Empezando por el Big Bang, tracen la historia de nuestro universo, centrándose en los acontecimientos de la fracción más diminuta del primer segundo, cuando fenómenos como la supersimetría, las supercuerdas y los bucles cuánticos pueden haber entrado en juego. Consideren el poder explicativo de la teoría de la inflación cósmica.

Ahora adéntrense en el reino de otros universos. ¿Existen? Si es así, ¿cómo podríamos saberlo? Empiecen por examinar los parámetros libres que rigen la estructura y el comportamiento de nuestro universo. A continuación, busquen respuestas a cuatro preguntas cruciales que explican por qué los parámetros toman los valores que toman.

Para terminar, repasaremos las teorías unificadas desde Newton y analizaremos una notable ecuación que aúna los principales conocimientos y representa el estado actual de una teoría del todo. A continuación, se analizan los próximos pasos y se expone la agenda de investigación del Dr. Lincoln para esta trascendental búsqueda.