Albert Einstein
La búsqueda de Einstein de una teoría unificada
Después de hacerse famoso por varios avances brillantes en física, incluyendo el movimiento browniano, el efecto fotoeléctrico y las teorías especial y general de la relatividad, Albert Einstein pasó los últimos treinta años de su vida en una infructuosa búsqueda de una forma de combinar la gravedad y el electromagnetismo en una única y elegante teoría.
Einstein estaba motivado por la necesidad intelectual de unificar las fuerzas de la naturaleza. Estaba convencido de que toda la naturaleza debía ser descrita por una sola teoría. «El intelecto que busca una teoría integrada no puede contentarse con la suposición de que existen dos campos distintos totalmente independientes entre sí por su naturaleza», dijo Einstein en su conferencia del Nobel en 1923.
Además, creía que había un vínculo entre la necesidad de resolver las aparentes paradojas de la mecánica cuántica y la necesidad de unificar el electromagnetismo y la gravedad. Einstein siempre insistió en que la mecánica cuántica podía derivarse de alguna teoría más completa. Para Einstein, que nunca estuvo satisfecho con la rareza y la aleatoriedad inherentes a la teoría cuántica, cualquier teoría del campo unificado aceptable tenía que tener como consecuencia la mecánica cuántica.
En la década de 1920, cuando Einstein empezó a trabajar en una teoría del campo unificado, el electromagnetismo y la gravedad eran las únicas fuerzas conocidas, y el electrón y el protón eran las únicas partículas subatómicas conocidas. La mayoría de los físicos de la época estaban entusiasmados con la recién descubierta teoría cuántica y se dedicaban a explorar sus extrañas e interesantes consecuencias. No veían ninguna necesidad de una teoría que uniera el electromagnetismo y la gravedad.
Pero Einstein, y varios otros científicos, sí trabajaron en el problema de la unificación. En 1918, Hermann Weyl propuso un esquema de unificación basado en una generalización de la geometría de Riemann. Inspirado en el trabajo de Weyl, Theodor Kaluza demostró que, ampliando el espacio-tiempo a cinco dimensiones, se podían producir las ecuaciones de Einstein en cuatro dimensiones, más un conjunto extra de ecuaciones que es equivalente a las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo. La quinta dimensión sería compacta, enrollada tan pequeña que no podríamos detectarla. Oskar Klein refinó más tarde esta idea.
La última pizarra de Einstein, Instituto de Estudios Avanzados (1955).
A Einstein le gustaba el enfoque de las cinco dimensiones. En 1919, escribió a Kaluza: «La idea de lograr la unificación mediante un mundo cilíndrico de cinco dimensiones nunca se me habría ocurrido… A primera vista me gusta enormemente su idea». Kaluza publicó su trabajo en 1921, y Einstein publicó su primer trabajo sobre la teoría del campo unificado, con Jacob Grommer, siguiendo un enfoque similar, en 1922.
Otro enfoque que intentó Einstein consistía en ampliar la relatividad general para incluir las ecuaciones del electromagnetismo, generalizando el tensor métrico y manteniendo la geometría de 4 dimensiones.
Einstein trabajó en estos dos enfoques básicos de forma persistente durante los últimos treinta años de su vida, pero ninguno de los dos métodos llegó a producir la teoría unificada completa que buscaba.
Persiguió y luego rechazó pronto una idea tras otra. «La mayoría de mis hijos intelectuales acaban muy jóvenes en el cementerio de las esperanzas defraudadas», escribió Einstein en una carta de 1938.
Pero nunca abandonó su búsqueda de una teoría unificada. Incluso cuando estaba en su lecho de muerte, continuó con su trabajo. El día antes de morir, pidió que le trajeran sus últimos apuntes.
Una de las razones por las que Einstein no logró descubrir una teoría unificada puede ser su rechazo a la mecánica cuántica, que le hizo ignorar los nuevos avances de la física y distanciarse del resto de la comunidad física. Einstein era consciente de su posición, y comentó en 1954 que «debo parecer un avestruz que siempre entierra la cabeza en la arena relativista para no enfrentarse a los malvados cuantos». Pero cuanto más trabajaba en la unificación, más se alejaba Einstein del resto de la comunidad física.
También se enfrascó cada vez más en argumentos matemáticos formales, en lugar de seguir la intuición física que le había guiado en su juventud hasta sus grandes descubrimientos.
Muchos dicen que Einstein fracasó porque simplemente se adelantó a su tiempo. Los conocimientos y herramientas necesarios para completar una teoría unificada simplemente no se habían desarrollado antes de que Einstein muriera en 1955.
Hoy en día, muchos físicos están retomando su búsqueda. El enfoque más prometedor parece ser la teoría de las cuerdas, que requiere 10 o más dimensiones y describe todas las partículas elementales como cuerdas que vibran, con diferentes modos de vibración que producen diferentes partículas.
La teoría de las cuerdas aún no ha hecho ninguna predicción comprobable, y a algunos científicos les preocupa que los teóricos de las cuerdas, como Einstein en sus últimos años, se hayan alejado demasiado de la realidad física en su obsesión por las bellas matemáticas. Pero muchos otros creen que la teoría de cuerdas es la clave para completar la búsqueda de Einstein, y los investigadores esperan encontrar formas de probar algunas de las predicciones de la teoría de cuerdas.
Aunque su propio trabajo nunca produjo una teoría física útil, Einstein estableció la unificación como un objetivo importante de la física. De hecho, una teoría del todo es comúnmente llamada el «santo grial» de la física moderna. Probablemente, Einstein estaría encantado de que tantos físicos estén dedicando con entusiasmo sus carreras a perseguir su sueño.
Ed. Nota: A medida que el Año Mundial de la Física va llegando a su fin, vamos a terminar nuestra serie de columnas de historia centradas en Einstein. También cambiamos de autor. Durante cinco años, «Este mes en la historia de la física» ha sido escrito por la editora asociada Jennifer Ouellette; las próximas columnas (al igual que ésta) serán obra del escritor científico Ernie Tretkoff.