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Universos paralelos

Universos paralelos es el nombre de una hipótesis física, en la que entran en juego la existencia de varios universos o realidades relativamente independientes. El desarrollo de la física cuántica, y la búsqueda de una teoría unificada (teoría cuántica de la gravedad), conjuntamente con el desarrollo de la teoría de cuerdas, han hecho entrever la posibilidad de la existencia de múltiples dimensiones y universos paralelos conformando un multiverso.

Universos paralelos o términos similares también se encuentran como temáticas de la literatura, particularmente en lo que por ejemplo se refiere al género literario fantastique.

Universos paralelos en física

Teoría de los universos

La paradoja cuántica del «gato de Schrödinger» vista desde el punto de vista de la interpretación de los universos múltiples. En esta interpretación cada evento involucra un punto de ramificación en el tiempo, el gato está vivo y muerto, incluso antes de que la caja se abra, pero los gatos «vivos» y «muertos» están en diferentes ramificaciones del universo, por lo que ambos son igualmente reales, pero no pueden interactuar el uno con el otro.1

Una de las versiones científicas más curiosas que recurren a los universos paralelos es la interpretación de los universos múltiples o interpretación de los mundos múltiples (IMM), de Hugh Everett.2 Dicha teoría aparece dentro de la mecánica cuántica como una posible solución al problema de la medida en mecánica cuántica. Everett describió su interpretación más bien como una metateoría. Desde un punto de vista lógico la construcción de Everett evade muchos de los problemas asociados a otras interpretaciones más convencionales de la mecánica cuántica. Recientemente sin embargo, se ha propuesto que universos adyacentes al nuestro podrían dejar una huella observable en la radiación de fondo de microondas, lo cual abriría la posibilidad de probar experimentalmente esta teoría.3 El problema de la medida es uno de los principales «frentes filosóficos» que abre la mecánica cuántica. Si bien la mecánica cuántica ha sido la teoría física más precisa hasta el momento, permitiendo hacer cálculos teóricos relacionados con procesos naturales que dan 20 decimales correctos y ha proporcionado una gran cantidad de aplicaciones prácticas (centrales nucleares, relojes de altísima precisión, ordenadores), existen ciertos puntos difíciles en la interpretación de algunos de sus resultados y fundamentos (el premio Nobel Richard Feynman llegó a bromear diciendo «creo que nadie entiende verdaderamente la mecánica cuántica»).

El problema de la medida se puede describir informalmente del siguiente modo:

  1. De acuerdo con la mecánica cuántica un sistema físico, por ejemplo un conjunto de electrones orbitando en un átomo, queda descrito por una función de onda. Dicha función de onda es un objeto matemático que supuestamente describe la máxima información posible que contiene un estado puro.
  2. Si nadie externo al sistema ni dentro de él observara o tratara de ver como está el sistema, la mecánica cuántica nos diría que el estado del sistema evoluciona determinísticamente. Es decir, se podría predecir perfectamente hacia dónde irá el sistema.
  3. La función de onda nos informa cuáles son los resultados posibles de una medida y sus probabilidades relativas, pero no nos dice qué resultado concreto se obtendrá cuando un observador trate efectivamente de medir el sistema o averiguar algo sobre él. De hecho, la medida sobre un sistema es un valor aleatorio entre los posibles resultados.

Eso plantea un problema serio: si las personas y los científicos u observadores son también objetos físicos como cualquier otro, debería haber alguna forma determinista de predecir cómo tras juntar el sistema en estudio con el aparato de medida, finalmente llegamos a un resultado determinista. Pero el postulado de que una medición destruye la «coherencia» de un estado inobservado e inevitablemente tras la medida se queda en un estado mezcla aleatorio, parece que sólo nos deja tres salidas:4

(A) O bien renunciamos a entender el proceso de decoherencia, por lo cual un sistema pasa de tener un estado puro que evoluciona deterministicamente a tener un estado mezcla o «incoherente».
(B) O bien admitimos que existen unos objetos no-físicos llamados «conciencia» que no están sujetos a las leyes de la mecánica cuántica y que nos resuelven el problema.
(C) O tratamos de proponer una teoría que explique el proceso de medición, y no sean así las mediciones quienes determinen la teoría.

Diferentes físicos han tomado diferentes soluciones a este «trilema»:

  1. Niels Bohr, que propuso un modelo inicial de átomo que acabó dando lugar a la mecánica cuántica y fue considerado durante mucho tiempo uno de los defensores de lainterpretación ortodoxa de Copenhague, se inclinaría por (A).
  2. John von Neumann, el matemático que creó el formalismo matemático de la mecánica cuántica y que aportó grandes ideas a la teoría cuántica, se inclinaba por (B).
  3. La interpretación de Hugh Everett es uno de los planteamientos que apuesta de tipo (C).

La propuesta de Everett es que cada medida «desdobla» nuestro universo en una serie de posibilidades (o tal vez existían ya los universos paralelos mutuamente inobservables y en cada uno de ellos se da una realización diferente de los posibles resultados de la medida). La idea y el formalismo de Everett es perfectamente lógico y coherente, aunque algunos puntos sobre cómo interpretar ciertos aspectos, en particular cómo se logra la inobservabilidad o coordinación entre sí de esos universos para que en cada uno suceda algo ligeramente diferente. Pero por lo demás es una explicación lógicamente coherente y posible, que inicialmente no despertó mucho entusiasmo sencillamente porque no está claro que sea una posibilidad falsable.

El Principio de simultaneidad dimensional, establece que: dos o más objetos físicos, realidades, percepciones y objetos no-físicos, pueden coexistir en el mismo espacio-tiempo. Este principio tiene correspondencia biunívoca con la teoría de Interpretación de Mundos Múltiples, IMM y la teoría de Multiverso de nivel III, aunque no ha sido planteado por Hugh Everett, ni tampoco por Max Tegmark.

Sin embargo, en una encuesta sobre la IMM, llevada a cabo por el investigador de ciencias políticas L. David Raub, que entrevistó a setenta y dos destacados especialistas en cosmología y teóricos cuánticos, dio los siguientes resultados:
Resultados de la encuesta sobre la IMM5
Respuesta Sí, creo que la IMM

es correcta

No acepto la IMM Quizás la IMM sea correcta,

pero aún no estoy convencido

No tengo una opinión ni a favor

ni en contra

Resultados 58% 18% 13% 11%
Entre los especialistas que se inclinaron por (1) estaban, Stephen Hawking, Richard Feynman o Murray Gell-Mann, entre los que se decantaron por (2) estaba Roger Penrose. Aunque Hawking y Gell-Mann han explicado su posición. Hawking afirma en una carta a Raub que «El nombre 'Mundos Múltiples' es inadecuado, pero la teoría, en esencia, es correcta» (tanto Hawking como Gell-Mann llaman a la IMM, 'Interpretación de Historias Múltiples'). Posteriormente Hawking ha llegado a decir que «La IMM es trivialmente verdadera» en cierto sentido. Por otro lado Gell-Man en una reseña de un artículo del físico norteamericano Bruce DeWitt, uno de los principales defensores de la IMM, Murray Gell-Mann se mostró básicamente de acuerdo con Hawking: «... aparte del empleo desacertado del lenguaje, los desarrollos físicos de Everett son correctos, aunque algo incompletos». Otros físicos destacados como Steven Weinberg o John A. Wheeler se inclinan por la corrección de esta interpretación. Sin embargo, el apoyo de importantes físicos a la IMM refleja sólo la dirección que está tomando la investigación y las perspectivas actuales, pero en sí mismo no constituye ningún argumento científico adicional en favor de la teoría.

Los agujeros negros como entrada a los universos paralelos

Se ha apuntado que algunas soluciones exactas de las ecuación del campo de Einstein pueden extenderse por continuación analítica más allá de las singularidades dando lugar a universos espejos del nuestro. Así la solución de Schwarzschild para un universo con simetría esférica en el que la estrella central ha colapsado comprimiéndose por debajo de su radio de Schwarzschildpodría ser continuada analíticamente a una solución de agujero blanco (un agujero blanco de Schwarzchild se comporta como la reversión temporal de un agujero negro de Schwarzschild).6 La solución completa describe dos universos asintóticamente planosunidos por una zona de agujero negro (interior del horizonte de sucesos). Dos viajeros de dos universos espejos podrían encontrarse, pero sólo en el interior del horizonte de sucesos, por lo que nunca podrían salir de allí.

Una posibilidad igualmente interesante son los universos Reissner-Nordström y de Kerr-Newman. Este último universo es una solución posible de las ecuaciones de Einstein que puede ser continuada analíticamente a través de una singularidad espacial evitable por un viajero. A diferencia de la solución completa de Schwarzchild, la solución de este problema da como posibilidad la comunicación de los dos universos sin tener que pasar por los correspondientes horizontes de sucesos través de una zona llamada horizonte interno.

Teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas (también teoría de supercuerdas) es una hipótesis científica y modelo fundamental de física teórica que asume que las partículas materiales, aparentemente puntuales, son en realidad «estados vibracionales» de un objeto extendido más básico llamado «cuerda» o «filamento»

De acuerdo a esta, las ideas fundamentales son dos:

  • Los objetos básicos de la teoría no serían partículas puntuales, sino objetos unidimensionales extendidos (en las cinco teorías de cuerdas convencionales estos objetos eran unidimensionales o "cuerdas"; actualmente en la teoría-M se admiten también de dimensión superior o «p-branas»). Esto renormaliza algunos infinitos de los cálculos perturbativos.
  • El espacio-tiempo en el que se mueven las cuerdas y p-branas de la teoría no sería el espacio-tiempo ordinario de cuatro dimensiones, sino un espacio de tipo Kaluza-Klein, en el que a las cuatro dimensiones convencionales se añaden seis dimensiones compactadas en forma de variedad de Calabi-Yau. Por tanto convencionalmente en la teoría de cuerdas existe una dimensión temporal, tres dimensiones espaciales ordinarias y seis dimensiones compactadas e inobservables en la práctica. La inobservabilidad de las dimensiones adicionales está relacionada al hecho de que éstas estarían compactadas, y sólo serían relevantes a escalas pequeñas comparables con la longitud de Planck. Igualmente, con la precisión de medida convencional las cuerdas cerradas con una longitud similar a la longitud de Planck se asemejarían a partículas puntuales.

Esta teoría a su vez tiene las siguientes variantes:

  1. La Teoría de cuerdas de Tipo I, donde aparecen tanto "cuerdas" y D-branas abiertas como cerradas, que se mueven sobre un espacio-tiempo de diez dimensiones. Las D-branas tienen una, cinco y nueve dimensiones espaciales.
  2. La Teoría de cuerdas de Tipo IIA es también una teoría de diez dimensiones pero que emplea sólo cuerdas y D-branas cerradas. Incorpora los gravitinos (partículas teóricas asociadas al gravitón mediante relaciones de supersimetría). Usa D-branas de dimensión 0, 2, 4, 6 y 8.
  3. La Teoría de cuerdas de Tipo IIB. Difiere de la teoría de tipo IIA principalmente en el hecho de que esta última es no quiral (conservando la paridad).
  4. La Teoría de cuerda heterótica SO(32) (Heterótica-O), basada en el grupo de simetría O(32).
  5. La Teoría de cuerda heterótica E8xE8 (Heterótica-E), basada en el grupo de Lie excepcional E8. Fue propuesta en 1987 por Gross, Harvey, Martinec y Rohm.

Estas teorías existen unas correspondencias entre dos objetos que, a priori, son diferentes pero  en el fondo son equivalentes llamadas "dualidades" (Dualidad-T [una simetría de la teoría cuántica de campos con diferentes descripciones clásicas, que ha sido utilizada para relacionar varias teoría de cuerdas entre sí, como las dos teorías de cuerdas de Tipo II y las dos teorías de cuerdas heteróticas. Fue inicialmente propuesta por Thomas Henry Buscher y desarrollada por Martin Roček y Erik Verlinde], Dualidad-S [también llamada dualidad fuerte-débil, es una simetría de la teoría cuántica de campos que relaciona parejas de teorías cuánticas de campo o de teoría de cuerdas. La transformación de la dualidad-S mapea estados y vacío con constante de acoplamiento g en una teoría de estados y vacíos con constante de acoplamiento 1/g en una teoría dual. Esto ha permitido utilizar la teoría de perturbación, que había sido utilizada sólo para teorías de "acoplado débil" con g<1, para describir también los regímenes de "acoplado fuerte" (g>1) en teoría de cuerdas, asignándolos a regímenes duales de acoplado débil] y Dualidad-U [una simetría que combina las transformaciones de la dualidad-S y la dualidad-T. El término es más a menudo utilizado en el marco del "grupo (simetría) de dualidad-U" de la teoría M que define un sustrato espacial particular (variedad topológica). Ésta es la unión de todas las dualidades-S y la dualidades-T disponibles en esa topología. El significado estricto de la palabra " dualidad-U" es una de aquellas dualidades que no se pueden clasificar ni como dualidad-S ni como dualidad-T. El nombre es una abreviatura de "dualidad unitaria".]), lo que a efectos prácticos significa que estas teorías podrían estar ligadas a la relatividad de Einstein y a la mecánica cuántica, a la vez que implica que los cálculos que para una variante de la teoría de cuerdas resultan complicados otra diferente puede resolverlas sin problema y viceversa.

El término teoría de cuerdas se refiere en realidad a las teorías de cuerdas bosónicas de 26 dimensiones y la teoría de supercuerdas de diez dimensiones, esta última descubierta al añadir supersimetría a la teoría de cuerdas bosónica. Hoy en día la teoría de cuerdas se suele referir a la variante supersimétrica, mientras que la antigua se conoce por el nombre completo de "teoría de cuerdas bosónicas". En 1995, Edward Witten conjeturó que las cinco diferentes teorías de supercuerdas son casos límite de una desconocida teoría de once dimensiones llamada Teoría-M. La conferencia donde Witten mostró algunos de sus resultados inició la llamada Segunda revolución de supercuerdas.

En esta Teoría-M intervienen como objetos animados físicos fundamentales no sólo cuerdas unidimensionales, sino toda una variedad de objetos no perturbativos, extendidos en varias dimensiones, que se llaman colectivamente p-branas (este nombre es una aféresis de "membrana"). De acuerdo con su creador, Ed Witten, como se acotó en el documental de la PBS basado en el libro de Brian Greene "El universo elegante", la "M" en la teoría-M "significa magiamisterio o membrana (este último término por el que originalmente nació la M) de acuerdo con el gusto de cada cual." También añadió: "Algunos cínicos han sugerido ocasionalmente que M también significa murky (cenagoso), puesto que el nivel de comprensión de la teoría es en realidad primitivo.", aunque también se la ha llamado "Teoría-U" por ser la proposición de una “Teoría universal” que unifique las cinco teorías de las Supercuerdas.