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Una nueva teoría de la gravedad prescinde de la materia oscura

Como sabe cualquiera que haya abierto una lavadora después del centrifugado, el giro tiende a expulsar las cosas hacia fuera. En la lavadora, son las paredes del tambor las que impiden que la ropa salga volando. Pero las galaxias, que también centrifugan, no tienen tambor; ¿qué es lo que evita que las estrellas salgan volando en todas direcciones?

Lo que mantiene una galaxia unida es la gravedad, que tiende a juntar las masas unas a otras. Es lo mismo que nos mantiene pegados al suelo. El problema es que, cuando los físicos calculan la masa de una galaxia, las cuentas no salen: la gravedad es demasiado baja como para compensar la inercia que tiende a dispersarla. Como conté ayer, la solución por la que se ha optado es suponer que la masa es realmente mucho mayor de lo que se ve, pero el resto es invisible: materia oscura. A más masa, más gravedad, y así todo cuadra.

Representación hipotética de la distribución de materia oscura (nube azul) en la Vía Láctea. Imagen de ESO/L. Calçada vía Wikipedia.

Representación hipotética de la distribución de materia oscura (nube azul) en la Vía Láctea. Imagen de ESO/L. Calçada vía Wikipedia.

Pero algunos físicos piensan que tal vez no sea necesario inventar un tipo de materia de la que hasta ahora no ha podido obtenerse ninguna prueba; que quizá la inercia sea menor de lo que sospechamos, o la gravedad sea mayor. Ayer conté un ejemplo de lo primero, una hipótesis que reduce el valor de la inercia. Otras propuestas se basan en un aumento del valor de la gravedad, asegurando que al menos en ciertos casos no se comporta como sospechamos.

La propuesta más conocida en esta línea fue desarrollada por el israelí Mordehai Milgrom en 1983, y se conoce como Dinámica Newtoniana Modificada, o MOND. En breve, lo que Milgrom propone es que el valor familiar proporcionado por Newton para la gravedad no funciona en escalas extremas, cuando la aceleración es enormemente baja o la distancia al centro de la galaxia es muy grande, como ocurre en las estrellas de la periferia. En estos casos la gravedad sería mayor de lo normal, compensando la inercia que tiende a dispersar la galaxia.

Un resultado similar –una gravedad mayor– se deriva de una nueva teoría propuesta ahora por el holandés Erik Verlinde, de la Universidad de Ámsterdam. Aunque en este caso, el punto de partida es completamente distinto. Verlinde comenzó su carrera bajo la dirección de Gerard ’t Hooft, conocido sobre todo (además de por su Nobel en 1999) como el creador del llamado Principio Holográfico.

El Principio Holográfico es una audaz propuesta según la cual el universo es la proyección de un holograma contenido en una esfera que lo rodea. La idea del holograma es la misma que conocemos de las tarjetas de crédito: una superficie de dos dimensiones que contiene información sobre un objeto tridimensional. Dado que el holograma tiene una dimensión menos que el objeto al que representa, en el caso del universo se trataría de un espacio tridimensional en un área bidimensional; o si añadimos el tiempo, un universo 4D en un espacio 3D, siendo el tiempo una de estas dimensiones.

El Principio Holográfico es una aplicación cosmológica de la Teoría de Cuerdas, un modelo emergente de la física que trata de conciliar la cuántica con la relativística, hasta ahora dos mundos separados. En cuántica no existe la gravedad, el concepto fundamental de la relatividad. En la Teoría de Cuerdas, la materia no está formada por esas bolitas con las que asociamos la imagen de las partículas subatómicas, sino por hilos de una sola dimensión que vibran de diferentes maneras para originar las diferentes clases de partículas. Una de esas partículas originadas por una de las muchas vibraciones posibles es el gravitón, la responsable de la gravedad, por lo que la Teoría de Cuerdas ofrece un modelo de gravedad cuántica que trata de desbrozar el camino hacia eso que habitualmente se conoce como Teoría del Todo.

El Principio Holográfico interesa a muchos físicos porque permite correlacionar dos teorías en principio muy distintas que se diferencian en una dimensión, lo que permite abordar problemas muy complejos en un marco mucho más sencillo. En el caso que nos ocupa, la ventaja es que la gravedad aparece en el universo como consecuencia de la información contenida en ese holograma.

Sin embargo, lo que propone Verlinde es una enmienda al modelo de su maestro: que en realidad el holograma es incompleto. Imaginemos uno de esos cuadros holográficos que se venden en los bazares, y supongamos que una parte de la imagen, por ejemplo la mano de un personaje, no estuviera representada en el holograma, sino que sobresaliera del cuadro como un objeto tridimensional real. Según Verlinde, al menos una parte de la gravedad no está codificada en el holograma, sino que surge intrínsecamente como una propiedad del tejido del espacio-tiempo, del mismo modo que la temperatura aparece como consecuencia del movimiento de las partículas.

En 2010 Verlinde publicó su teoría de la Gravedad Emergente, como se ha dado en llamar. Ahora, en un nuevo estudio la aplica a los movimientos de las estrellas en las galaxias, llegando a un sorprendente resultado: esa gravedad emergente explica la fuerza habitualmente atribuida a la presencia de la materia oscura. Es decir, que la desviación de la gravedad einsteniana en el caso de las grandes escalas se compensa cuando se introduce esa porción extra de gravedad oscura. No hace falta materia extra que no se ve, sino una fuerza extra que no se había calculado.

Tal vez piensen que sustituir la materia oscura por una gravedad oscura es como elegir muerte en lugar de susto. Pero lo cierto es que se trata de encontrar el origen de un balance de fuerzas que evidentemente existe. Ante el continuado fracaso en los intentos de detección de materia oscura, algunos físicos han llegado a sugerir que esta materia se encuentra escondida en otra dimensión, siendo la gravedad la única de las fuerzas fundamentales cuyos efectos son transversales a todas las dimensiones. Y esto no solo explicaría por qué la gravedad de la que tenemos constancia es tan débil (solo tendríamos constancia de una parte de ella), sino que encajaría con el universo de 11 dimensiones propuesto por una variante unificadora de la Teoría de Cuerdas llamada Teoría M. Pero la hipótesis de Verlinde prescinde por completo de la materia oscura, y es probable que algunos defensores de la Teoría de Cuerdas respirarían aliviados con esta solución.

Aún habrá que esperar para comprobar cómo la teoría de Verlinde es recibida por la comunidad física, y qué posibles objeciones plantearán los expertos. Pero como dije ayer, están surgiendo nuevas visiones alternativas que tal vez, solo tal vez, algún día podrían hacernos recordar con una sonrisa los tiempos en que teníamos inmensos, carísimos y complejos detectores buscando un tipo de materia tan invisible como –tal vez, y solo tal vez– inexistente.

Todo lo que siempre quisiste saber sobre la Teoría de Cuerdas

Recuerdo una ocasión en la que un físico le explicaba a un amigo: “La materia está formada por cuerdas que vibran de distinta manera”. A lo que el amigo replicó: “Vale, eso lo entiendo. Ahora explícame la trompeta”.

Este (mal) chiste refleja la (aparente) dificultad de explicar ciencias complejas, como la física, a un público no iniciado (pero interesado). La Teoría de Cuerdas, un modelo aún no probado que lo explicaría (casi) todo, suele citarse como ejemplo. Sin embargo, en mi sola opinión, como un no-físico que ha debido bregarse autodidácticamente unos ciertos conocimientos de esta disciplina a través de la dedicación al periodismo de ciencia, la física tiene otros campos cuyos mínimos fundamentos básicos resultan mucho más abstrusos. Qué decir del Principio Holográfico y la endemoniada Correspondencia Anti-de Sitter/Teoría Conforme de Campos (AdS/CFT), o incluso de ciertos aspectos enrevesados de la fotónica, sobre todo cuando suscitan interpretaciones raras de la cuántica como el Formalismo de Vector de Dos Estados.

La idea esencial, creo, está en la posibilidad de transmitir una imagen mental con la que cualquier persona sin conocimientos técnicos pueda quedarse. Por ejemplo, somos capaces de formarnos una imagen mental del magnetismo porque lo vemos a diario funcionando en la puerta de la nevera. Pero de no ser por nuestra experiencia, nos resultaría muy difícil comprender el campo magnético. En esta entrevista, Richard Feynman desarrollaba un prolijo circunloquio sobre la mujer que resbala en el hielo, el marido y el hospital, para acabar respondiendo al entrevistador: “No puedo explicarle esa atracción [magnética] en términos de ninguna otra cosa que le resulte familiar”. “No voy a ser capaz de darle una respuesta a por qué los imanes se atraen unos a otros, excepto decirle que lo hacen”.

También habría que añadir que los científicos, como los quarks, vienen en varios sabores. Los hay intensamente concernidos por la disposición o la voluntad de explicar la ciencia al público. Pero también existen los que, por motivos que ellos sabrán, prefieren sentirse parte de una especie de élite intelectual que guarda celosamente sus secretos.

La demostración de que sí es posible formarse una imagen mental de la Teoría de Cuerdas está en este vídeo (con subtítulos en castellano) de Brian Greene en una conferencia TED que pronunció hace diez años. Greene es, además de uno de los principales paladines de la Teoría de Cuerdas, un tipo dotado con esa especial facilidad para transmitir nociones complejas de forma accesible, algo que ha demostrado en sus varias obras destinadas al público en general. En esta charla responde a las preguntas que cualquier persona con curiosidad por la ciencia tal vez se ha hecho al respecto: ¿Qué es la Teoría de Cuerdas? ¿De dónde surge? ¿Qué demonios es eso de las cuerdas? ¿Dónde están? ¿Cómo son (si es que realmente existen)? ¿Por qué la teoría se considera plausible? ¿Por qué requiere la existencia de dimensiones espaciales adicionales? ¿Puede demostrarse?

Respecto a esto último, hay que tener en cuenta que Greene dio esta conferencia cuando el LHC aún estaba en construcción. La comprobación de los efectos que menciona aún no se ha logrado.