Live Science conversó con el físico galardonado con el Premio Nobel David Gross, quien recientemente recibió el Premio Especial Breakthrough en Física Fundamental de $3 millones, sobre la búsqueda para unificar todas las fuerzas y por qué la humanidad podría no vivir para ver una teoría unificada.
La búsqueda para unificar la gravedad con las otras tres fuerzas ha plagado a los físicos durante mucho tiempo. Queda por ver si finalmente idearemos una teoría “unificada” comprobable. (Crédito de la imagen: koto_feja vía Getty Images) Suscríbete a nuestro boletín
Cuando el físico teórico David Gross tenía 13 años, recibió una copia de un libro de ciencia popular, “The Evolution of Physics” (Cambridge University Press, 1938), firmado por Albert Einstein. El libro, coescrito por el propio Einstein, inició a Gross en un viaje al corazón de los átomos, donde finalmente ayudó a responder una pregunta que había desconcertado a los físicos de partículas durante años: si las partes constituyentes de los protones y neutrones, llamadas quarks, podían ser descompuestas.
El principio resultante de libertad asintótica, que desarrolló junto con Frank Wilczek y H. David Politzer, reveló que las fuerzas entre los quarks disminuían a medida que se acercaban y se fortalecían a medida que se separaban. La libertad asintótica se convirtió en parte de un modelo más grande llamado cromodinámica cuántica y allanó el camino para unificar las fuerzas fuerte, débil y electromagnética, lo que completó el Modelo Estándar de la física de partículas. El trío obtuvo el Premio Nobel de Física por su trabajo en 2004.
Durante las últimas décadas, Gross ha pasado de estudiar las partes de un átomo a desarrollar teorías de cuerdas que podrían unificar la cuarta fuerza —la gravedad— con las otras tres. Anteriormente director del Instituto Kavli de Física Teórica de la Universidad de California, Santa Bárbara, Gross ganó recientemente el Premio Especial Breakthrough en Física Fundamental de $3 millones, en honor a una vida de logros en física.
Live Science conversó con Gross sobre su vida y trabajo, lo que yace en el corazón de un átomo, por qué unificar las cuatro fuerzas fundamentales es tan desafiante, y por qué cree que la principal barrera para una teoría de la gravedad cuántica no es la ciencia, sino el tiempo que le queda a la humanidad en la Tierra.
Tia Ghose: Cuéntame cómo te interesaste por primera vez en la física.
David Gross: Siempre fui bueno y disfruté resolviendo acertijos matemáticos. En mi bar mitzvah, recibí un regalo de un amigo de la familia que resultó ser el hermano de Leopold Infeld, quien colaboró con Einstein en un libro de divulgación científica. Se llama “The Evolution of Physics”.
Me cautivó ese libro. En ese momento, me di cuenta de que los acertijos matemáticos eran mucho más interesantes cuando aplicabas las matemáticas al mundo real, y decidí convertirme en físico teórico. Una vez que decides que quieres hacer física teórica, el camino es recto; no es particularmente torcido: tienes que aprender matemáticas; tienes que aprender física; tienes un largo camino por recorrer hasta llegar a las fronteras del conocimiento. Y así fue una decisión temprana y sabia.
TG: ¿Sientes que llegaste a las fronteras del conocimiento?
DG: ¡Oh, sí, incluso más allá!
David Gross es un teórico de cuerdas y físico teórico. En 2004, compartió el Premio Nobel de Física con Frank Wilczek y Hugh David Politzer “por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte”. (Crédito de la imagen: Tony J. Mastres para UCSB Photographic Services)
TG: En 2004, ganó el Premio Nobel de Física por desarrollar la teoría de la libertad asintótica. ¿Puede hablarme de eso?
DG: Cuando comencé la escuela de posgrado… los teóricos realmente no tenían ni idea, ni una comprensión profunda de lo que estaba sucediendo dentro del núcleo.
Poco después de terminar la escuela de posgrado, me fui a una beca postdoctoral, de Berkeley a Harvard, y se estaban realizando algunos experimentos maravillosos. [En estos experimentos, el objetivo] era disparar electrones, que entendemos muy bien, contra protones a energías muy altas, y observar las diversas dispersiones de estos electrones… para tener esencialmente un microscopio que mirara dentro del protón.
Estos experimentos fueron muy sorprendentes y parecieron indicar que el protón estaba hecho de partículas puntuales, [con] ninguna estructura. Eso se había observado al menos a distancias cortas y durante tiempos cortos, y eso era bastante misterioso.
Había estado trabajando en esto y haciendo predicciones de lo que podría suceder si hacía varias suposiciones extravagantes. Y parecía que estas partículas eran consistentes con ser lo que se llama quarks, que se habían hipotetizado anteriormente como objetos matemáticos para explicar los patrones de las partículas que se producían.
Pero este experimento reveló que eran reales y que de alguna manera se movían libremente —lo que no tenía ningún sentido, porque entonces serían fácilmente expulsados del protón si lo golpeabas lo suficientemente fuerte. Nadie había visto nunca el quark.
Y me obsesioné con eso, lo que llevó al descubrimiento de la libertad asintótica y luego de la cromodinámica cuántica. La libertad asintótica es esta propiedad de que la fuerza entre los quarks se debilita cuando se acercan, lo cual es contraintuitivo y diferente a cualquier otra teoría que conociéramos.
La fuerza se debilita cuando se acercan, la fuerza se fortalece cuando se alejan, y tal vez lo suficientemente fuerte como para que nunca puedas separarlos, lo cual parece ser el caso.
Así que ese fue el momento decisivo para la teoría de la fuerza nuclear fuerte. En los mismos años —a principios de los 70— también se estaba construyendo la teoría de la fuerza nuclear débil, nuevamente, en un conjunto diferente, pero el mismo tipo de generalización de la electrodinámica. Y a mediados o finales de los 70, completamos lo que llamamos el Modelo Estándar, la teoría estándar de la física de partículas: de qué está hecha la materia, cuáles son las fuerzas que actúan entre ellas.
TG: En ese momento, parece que unificamos tres de las fuerzas, pero queda este elemento atípico, la gravedad, ¿verdad? ¿Así que de ahí pasas a otra cosa?
DG: No pude seguir adelante inmediatamente. Una vez que tuvimos una teoría en la que se podían calcular fenómenos nucleares… se podía calcular, hacer predicciones y probar la teoría.
La cromodinámica cuántica es una historia muy profunda, larga, complicada y hermosa que continúa hoy en pleno apogeo. A distancias cortas, cuando los quarks están cerca, es fácil porque la fuerza [fuerte] se debilita cada vez más, por lo que se puede calcular fácilmente —y la gente ahora ha extendido esos cálculos durante más de 50 años con una precisión increíble.
Pero lo que más me interesaba era tratar de entender, ¿es realmente cierto que los quarks están completamente confinados, y cómo funciona eso? ¿Y cómo controlas la teoría cuando las fuerzas se vuelven fuertes? Eso es mucho más difícil.
Muchas preguntas quedan abiertas. Pero me cansé de ello porque era difícil y no podía resolverlo realmente.
Y además, como dices, había indicios dentro de la teoría estándar de que, si la llevabas al extremo —a energías muy altas y distancias muy cortas— fallaba porque entraba la gravedad. Así que esa fue una señal de que deberíamos intentar unificar todas las fuerzas con la gravedad.
Y eso llevó a la teoría de cuerdas, en la que he estado trabajando principalmente desde entonces.
TG: ¿Puede explicar un poco sobre la teoría de cuerdas y en qué está trabajando?
DG: Las preguntas que hacemos [en la teoría de cuerdas] son aún más ambiciosas que unificar todas las fuerzas. La gravedad es, según Einstein, en nuestro entendimiento, la dinámica del espacio-tiempo, ¿verdad?
Ahora estamos empezando a entender que tendremos que, una vez más, como muchas veces en la historia de la física, modificar, mejorar nuestra comprensión del espacio-tiempo.
¿De qué está hecho el espacio-tiempo y cómo se comporta a distancias cortas? ¿Cómo evolucionó el universo?
No entendemos mucho de eso. Pero especialmente no entendemos el principio, y ahí es donde todas nuestras ideas se desmoronan —incluso, hasta ahora, los intentos de usar la teoría de cuerdas— pero la teoría de cuerdas todavía ofrece la mejor esperanza de tratar de abordar la cuestión de cómo comenzó el universo.
TG: Entonces, uno de los obstáculos es que tienes todas estas teorías [unificadas], pero para probarlas, necesitas experimentos, y los regímenes de energía donde podrías probarlas son extremos, ¿verdad?
DG: Es muy difícil probarlos directamente. Así que, en el siglo XIX, los químicos y físicos hipotetizaron la existencia de átomos.
Pero nadie había visto nunca un átomo ni tenía forma directa de investigar de qué estaba hecho un átomo, o incluso si existían átomos y cosas así. Así que era una situación similar.
Y luego los avances o los avances reales en la comprensión de que la estructura atómica de la materia ordinaria y del átomo ocurrieron en el siglo XX; no se anticiparon, y muchas personas consideraban los átomos como, “OK, algún tipo de artificio matemático para construir teorías”, pero no eran realmente reales.
Eso sucede una y otra vez [en la ciencia], y, por supuesto, lo genial es que los experimentos pueden resolver el problema. Eso sucedió con los átomos, con el movimiento browniano [el movimiento aleatorio de las partículas, que fue dilucidado por Einstein] y Rutherford [cuyos experimentos con láminas de oro mostraron que los átomos estaban mayormente vacíos con núcleos densamente empaquetados]. Y luego se desarrolló la mecánica cuántica, y ahora entendemos la materia ordinaria por completo.
En este caso [la prueba de las teorías de cuerdas], se vuelve cada vez más difícil cuanto más te alejas de la escala humana. Quiero decir, la escala que estamos mirando es tan diminuta. Es tan diminuta como puedes conseguir.
TG: ¿Y esta es la escala de Planck [1.6X10-35 metros, donde se cree que los efectos cuánticos dominan la gravedad]?
DG: Sí, la escala de Planck es la escala donde la gravedad se convierte en una fuerza muy fuerte, donde la estructura del espacio en sí se vuelve tan complicada que probablemente ni siquiera sea bueno pensar en el espacio.
TG: ¿Usar la palabra “espacio” ni siquiera tiene sentido quizás a esa escala?
DG: El espacio es… una imagen del mundo que desarrollamos como bebés para obtener el juguete o la comida. Es cómo explicamos cómo funciona el mundo.
Pero puede que no sea la explicación correcta; puede ser una noción aproximada o una especie de noción aproximada. Y, de hecho, ahí es a donde nos dirigimos, pero apenas estamos empezando a entender qué podría significar eso y a desarrollar las herramientas para lidiar con ello.
Titan II, el misil balístico intercontinental más grande de su época, ahora en exhibición en un museo en Green Valley, Arizona. El premio Nobel David Gross argumenta que el riesgo de guerra nuclear ha aumentado en los últimos años. (Crédito de la imagen: Michael Dunning vía Getty Images)
TG: ¿Cree que en 50 años estaremos más cerca de tener algún tipo de teoría unificada que incorpore todas las fuerzas?
DG: Actualmente, dedico parte de mi tiempo a intentar decirle a la gente… que las posibilidades de que vivas 50 [más] años son muy pequeñas.
Debido al peligro de guerra nuclear, tienes unos 35 años.
TG: ¿Por qué cree que nos aniquilaremos, esencialmente, en 35 años, más o menos?
DG: Es una estimación burda. Incluso después de que terminó la Guerra Fría, cuando teníamos tratados de control de armas estratégicas, todos los cuales han desaparecido, hubo estimaciones de que había un 1% de posibilidad de guerra nuclear [cada año]. Las cosas han empeorado tanto en los últimos 30 años, como se puede ver cada vez que se lee el periódico.
Siento que no es una estimación rigurosa, que las posibilidades son más bien del 2%. Eso es una posibilidad de 1 entre 50 cada año. La esperanza de vida esperada, en el caso del 2% [anual], es de unos 35 años. [La esperanza de vida esperada es el tiempo promedio que se tardaría en tener una guerra nuclear hasta ese momento. Se calcula utilizando ecuaciones similares a las utilizadas para determinar la “vida media” de un material radiactivo.]
TG: Entonces, ¿qué sugiere como remedios para reducir ese riesgo?
DG: Tuvimos algo llamado la Asamblea de Premios Nobel para la reducción del riesgo de guerra nuclear en Chicago el año pasado.
Hay pasos, que son fáciles de tomar —para las naciones, quiero decir. Por ejemplo, hablar entre sí.
En los últimos 10 años, ya no hay tratados. Estamos entrando en una carrera armamentista increíble. Tenemos tres superpotencias nucleares.
La gente está hablando de usar armas nucleares; hay una guerra importante en curso en el centro de Europa; estamos bombardeando Irán; India y Pakistán casi fueron a la guerra.
OK, eso ha aumentado la posibilidad [de guerra nuclear]. Realmente me gustaría tener una estimación sólida —podría ser más, y creo que soy conservador— pero una estimación del 2% [de guerra nuclear] en el mundo loco de hoy.
TG: ¿Cree que alguna vez llegaremos a un punto en el que nos desharemos de las armas nucleares?
DG: No estamos recomendando eso. Es idealista, pero sí, espero que sí. Porque si no lo haces, siempre existe el riesgo de que una IA dentro de 100 años [pueda lanzar armas nucleares], pero las posibilidades de que [la humanidad] viva, con esta estimación, 100 años, son muy pequeñas, y vivir 200 años es infinitesimal.
Así que la respuesta a la pregunta de Fermi de “¿Dónde están las civilizaciones, todos los organismos inteligentes de la galaxia, y por qué no nos hablan?” es que se han matado a sí mismos.
Me pediste que pensara en el futuro, y he estado obsesionado en los últimos años, pensando en eso —no en el futuro de las ideas y la comprensión de la naturaleza, sino en la supervivencia de la humanidad.
TG: Creo que en cierto modo, durante la Guerra Fría, era más fácil para la gente conceptualizar porque teníamos un enemigo principal. Ahora hay interacciones caóticas entre países.
DG: Ahora hay nueve potencias nucleares. Incluso tres es infinitamente más complicado que dos. Los acuerdos, las normas entre países, se están desmoronando. Las armas se están volviendo más locas. La automatización, y quizás incluso la IA, estarán pronto al control de esos instrumentos.
TG: Eso también me asusta —que muchas armas estén utilizando sistemas de IA para tomar decisiones en algún nivel.
DG: Será muy difícil resistirse a hacer que la IA tome decisiones porque actúa muy rápido. Si tienes 20 minutos para decidir si enviar unos cientos de misiles nucleares a China y Rusia para “nuestro querido presidente”, los militares podrían sentir que es más sensato que la IA tome esa decisión. Pero si juegas con la IA, sabes que a veces alucina.
TG: El problema parece demasiado grande para que la gente común haga algo al respecto, que es lo mismo que con el cambio climático, ¿verdad?
DG: La gente ha hecho algo con respecto al clima. Los científicos comenzaron a advertir a la gente sobre eso hace 40 años. Y convencieron a la gente de que es un peligro real.
Es un argumento mucho más difícil de hacer que el de las armas nucleares.
Las creamos; podemos detenerlas.
Nota del editor: Esta entrevista ha sido editada y condensada para mayor claridad.
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