Nuestro universo elegante: repensar el principio más profundo de la naturaleza

En el Antiguo Museo de Berlín se encuentra un niño con los brazos levantados al cielo. Aparte del talón derecho, ligeramente arqueado, esta antigua estatua griega es casi perfectamente simétrica. ¿El escultor impuso este equilibrio por razones puramente artísticas? Hermann Weyl no lo creía. Nos atrae la simetría, dijo el matemático alemán, porque gobierna el orden mismo del universo.

A principios del siglo XX, Weyl ayudó a descubrir la simetría (y, por extensión, la belleza) como base de la física moderna. Aquí significa mucho más que equilibrio visual. Significa que la naturaleza se comporta de la misma manera en diferentes lugares, en diferentes momentos y bajo innumerables cambios. La simetría explica por qué la energía no se puede crear ni destruir, e incluso por qué muchas cosas existen. No es de extrañar que Weyl pensara que tenía un estatus metafísico. La simetría, dijo, “es una idea mediante la cual el hombre a través de los tiempos ha tratado de comprender y crear orden, belleza y perfección”.

Hoy en día, la mayoría de los físicos persiguen una simetría cada vez mayor en ideas como la supersimetría y la teoría de cuerdas. ¿Pero es realmente tan sagrado como parece? Una serie de resultados recientes sugieren que el universo tiene una ley más profunda: una preferencia por niveles extremos del extraño fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento. Si se confirma, marcaría un cambio profundo en nuestra comprensión de la realidad, de una gobernada por la perfección geométrica a otra moldeada por una interconexión fantasmal de las cosas. "Nos da una nueva perspectiva", dice Ian Low, teórico de la Universidad Northwestern en Illinois. "Antes de esto, no teníamos idea de dónde viene la simetría".

En física –al menos históricamente hablando– la simetría comenzó a surgir con Galileo Galilei a principios del siglo XVII. La idea revolucionaria de Galileo fue que el movimiento es relativo. No existe un punto de referencia absoluto: sólo notas que algo se mueve cuando algo más se mueve de manera diferente. Tres siglos más tarde, Albert Einstein se dio cuenta de que lo mismo se aplica a la gravedad: sólo notas su atracción cuando algo intenta resistirla, como el suelo bajo tus pies. Si de repente te encontraras en caída libre (atrapado en un ascensor, por ejemplo), tu sentido de la gravedad desaparecería.

Ambos son ejemplos de simetría, en el sentido de que la naturaleza se comporta de la misma manera en diferentes escenarios. Para Galileo, una bala de cañón rueda igual tanto en el puerto como en la cubierta de una galera veneciana que pasa. Para Einstein, una persona atrapada en un ascensor en caída libre podría pensar brevemente que está flotando en el espacio, ya que la sensación de ingravidez es equivalente. Pero fue la matemática alemana Emmy Noether quien realmente cristalizó las implicaciones de la simetría.

En 1918, Noether demostró que siempre que las leyes de la naturaleza son simétricas bajo algún cambio fundamental, debe existir una cantidad que también se conserva. En el caso de las simetrías de Galileo y Einstein, esta cantidad no es evidente de inmediato, pero hay ejemplos familiares. Si un experimento da el mismo resultado al otro lado de la habitación, la simetría de este cambio en el espacio implica directamente la conservación del impulso. Asimismo, si un experimento da el mismo resultado al día siguiente, la simetría de este cambio en el tiempo implica directamente la conservación de la energía. El teorema de Noether proporcionó a los físicos un nuevo tipo de herramienta, una que revelaba que las leyes comunes eran manifestaciones de un único orden subyacente.

En las décadas siguientes, físicos como Weyl comenzaron a buscar tipos de simetría menos obvios. Enterradas en las propiedades de partículas fundamentales, como electrones y fotones, estas simetrías “calibre” no implicaban simplemente cantidades conservadas, como energía y momento; También señalaron la existencia de partículas fundamentales aún nuevas. Y sorprendentemente, una a una, se fueron encontrando estas partículas: gluones, quarks, bosones W y Z y el bosón de Higgs. Juntas, junto con otras partículas conocidas, se han convertido en el modelo estándar de la física de partículas: la teoría de mayor éxito en la historia de la ciencia.

Aun así, no todo lo que vemos es simétrico, incluso según el modelo estándar: el mundo no es uniforme; las partículas tienen masas diferentes, aparentemente aleatorias; hay mucha más materia que antimateria. Pero para los físicos, lejos de ser un punto conflictivo, estos ejemplos de simetría rota no han hecho más que reforzar la convicción de que la simetría es la base a partir de la cual se debe juzgar toda la enmarañada variedad del universo. "Es sólo una ligera exageración decir que la física es el estudio de la simetría", dijo el fallecido teórico Philip Anderson. Werner Heisenberg, el gigante de la mecánica cuántica, fue aún más lejos. La simetría es “el arquetipo original de la creación”, afirmó.

A finales del siglo XX, esta convicción se había convertido en ortodoxia. En la búsqueda de una comprensión más profunda de la naturaleza, los teóricos postularon la supersimetría, que refleja partículas conocidas con “supercompañeros” más pesados, y la teoría de cuerdas, que se basa en cuerdas en lugar de partículas, con simetrías aún más complejas. Pero han surgido dudas. A pesar de las grandes expectativas, no se ha encontrado ninguno de los supercompañeros predichos, mientras que la teoría de cuerdas no ha logrado hacer ninguna predicción comprobable. En 2023, el pionero de la teoría de cuerdas Leonard Susskind sorprendió a muchos de sus colegas al admitir que su formulación principal no va a ninguna parte. "Puedo decirles con 100% de confianza que no vivimos en ese mundo", escribió.

Entrelazamiento cuántico

Aún así, la simetría es el pan de cada día de muchos teóricos en activo, uno de ellos es Martin Savage de la Universidad de Washington en Seattle. Durante años, él y sus colegas han tomado prestadas ideas de la computación cuántica para ayudar con los cálculos basados ​​en la simetría de cómo los protones y los neutrones chocan y se dispersan entre sí, lo cual es clave para comprender las explosiones estelares conocidas como supernovas y otros eventos astrofísicos. Las computadoras cuánticas funcionan aprovechando el hecho de que múltiples partículas a menudo pueden “entrelazarse” en diversos grados, es decir, tener propiedades que existen sólo en relación entre sí, en lugar de ser individualmente distintas. Por extraño que parezca, permite un tipo de procesamiento paralelo que es imposible en la computación clásica, lo que podría facilitar la resolución de problemas complejos como la dispersión de protones y neutrones.

Pero en 2018, después de reescribir el problema de la dispersión en el lenguaje de la computación cuántica, los investigadores notaron algo extraño: el sistema alcanzó su simetría interna más alta precisamente cuando el entrelazamiento general de las partículas dispersas era menor. La naturaleza, en toda su elegancia, parecía preferir la simetría, pero también parecía preferir el menor comportamiento cuántico posible. "Fue un patrón absolutamente sorprendente", dice Savage.

Al presentar los resultados en una conferencia, el coautor de Savage y colega de la Universidad de Washington, David Kaplan, se preguntó en voz alta si el entrelazamiento minimizado era sólo una coincidencia o un indicio de algo profundo. "Kaplan es un teórico muy respetado", dice Low, que estuvo presente. “Él despertó mi interés”.

De vuelta en casa, Low no podía quitarse la idea de la cabeza. Con Thomas Mehen, un colega teórico de la Universidad de Duke en Carolina del Norte, demostró que, en una colisión general de dos partículas, el resultado menos entrelazado es también el más simétrico permitido por la física de baja energía. Luego, unos años más tarde, con Marcela Carena en el Fermilab de Illinois y otros, Low descubrió que la supresión del entrelazamiento en la dispersión de alta energía de dos bosones de Higgs genéricos llevaba las ecuaciones a su máxima simetría, una que naturalmente coincidía con el Higgs particular que vemos en los experimentos. En otras palabras, dondequiera que había simetría, parecía que también había poco entrelazamiento. "Fue entonces cuando realmente despertamos el interés de la comunidad de física de partículas", dice Low.

¿Qué estaba pasando? ¿Deberían los teóricos haberse centrado todo el tiempo en el entrelazamiento en lugar de la simetría? Al igual que la propia física cuántica, el entrelazamiento es un concepto complicado: las matemáticas funcionan, pero su significado sigue siendo difícil de alcanzar. En el modelo estándar, lo que llamamos “partícula” es simplemente un cuanto de energía en un lugar y momento determinados. De manera similar, puedes tener dos cuantos de energía: una partícula aquí y otra allá. Pero escuche esto: también puede tener dos cuantos de energía, con parte de ambos cuantos aquí y el resto de ambos allá. En otras palabras, las partículas pueden estar entrelazadas: una mezcla de “aquí y allá” y “allí y aquí”. Desde nuestra perspectiva, es como si no hubieran decidido en qué dirección tomar.

Nadie ha observado nunca directamente este tipo de enredo puro. Busque una partícula y siempre aparecerá como un cuanto completo en un lugar determinado: aquí o allá, nunca en ambos. Pero eso sólo profundiza el enigma. Las ecuaciones funcionan perfectamente, pero parecen describir un mundo en el que, cuando no miramos, el espacio y el tiempo pierden todo significado objetivo. No sorprende que durante décadas después de que la mecánica cuántica se afianzara, la mayoría de los físicos no pudieran concebir la posibilidad de que algo tan fantasmal como el entrelazamiento fuera la verdadera base de la ley física.

El misterio del 'sabor'

Por sí solos, los resultados anteriores de Savage, Low y otros no han sido lo suficientemente audaces como para superar esa desgana, pero un resultado de marzo del año pasado sí podría hacerlo. Uno de los mayores misterios de la física de partículas es por qué la naturaleza tiene tres casi copias, o “sabores”, de partículas fundamentales como los quarks y los leptones, idénticas en todos los aspectos excepto en sus masas. ¿Por qué tres sabores? ¿Por qué no uno, cuatro o 1000? Es más, ¿por qué las partículas ocasionalmente cambian de sabor a un ritmo determinado? "El rompecabezas de sabores del modelo estándar es la ballena blanca", dice Jesse Thaler, teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts. "De todos los misterios del universo, espero comprender la materia oscura antes de comprender el sabor".

Intrigados por los resultados anteriores del entrelazamiento, Thaler y su entonces colega Sokratis Trifinopoulos se propusieron determinar cómo minimizarlo afectaría el cambio de sabor o la mezcla entre quarks. Esperaban que minimizar el enredo haría que la simetría de los sabores fuera perfecta, es decir, no permitiría ninguna mezcla. De hecho, descubrieron que el entrelazamiento minimizado daba precisamente el pequeño nivel de mezcla entre quarks observado en experimentos con colisionadores de partículas, un resultado que ha sorprendido a todos. "Ha surgido de la nada", dice Low. "No sé qué hacer con ello. La gente no sabe qué hacer con ello. Parece demasiado bueno para ser verdad".

Lo que hace que el resultado de Thaler y Trifinopoulos sea tan inquietante es que, durante décadas, los físicos han intentado (sin éxito) explicar la mezcla de sabores observada recurriendo a argumentos de simetría. Por alguna razón, la supresión del entrelazamiento parece dar una respuesta instantánea. El propio Thaler está perplejo. “¿Qué debería tener que ver el enredo con algo?” él dice. "¿A quién le importa el valor que tenga?"

Una línea de pensamiento es vincular el grado de entrelazamiento con la “cuantidad” de la naturaleza. Se supone que las reglas de la física cuántica se aplican a todo. Aun así, las cosas pueden estar más o menos enredadas, con cualidades que dependen más o menos unas de otras. Si el mundo tuviera más entrelazamiento, todo sería una especie de sopa cuántica Magimixed, sin estructuras atómicas distintas, ni siquiera materia reconocible.

Sería difícil imaginar cómo los humanos podrían existir en un mundo como ese, y mucho menos percibirlo. Las estructuras de las que dependemos (átomos, moléculas, estrellas) existen sólo dentro de una estrecha ventana de estabilidad. Esto lleva a Savage a preguntarse si el universo está sintonizado para mantener el entrelazamiento lo suficientemente bajo como para que esa estructura (y nosotros) existamos. "En cierto modo, no es una explicación, pero minimiza lo perturbado que estoy por todo esto", dice. La idea resuena con otro estudio reciente de Low y sus colegas, que han calculado cómo la dispersión de partículas genera diferentes niveles de “magia” cuántica, una medida más precisa de hasta qué punto un sistema se aleja del comportamiento clásico. Una vez más, el universo, que en el fondo siempre está regido por la mecánica cuántica, parece preferir un resultado clásico, al menos en lo que respecta a las fuerzas relativas del electromagnetismo y la fuerza débil que gobierna la desintegración radiactiva.

Cada vez más, las matemáticas del entrelazamiento están marcando el rumbo de la teoría física. Si bien la teoría de cuerdas tradicional (el tipo ahora completamente abandonado por gente como Susskind) está en decadencia, muchos de sus teóricos se han aferrado a una nueva idea en la que las cuerdas podrían no ser objetos reales en absoluto, sino proyecciones holográficas de un mundo más plano. En esta visión holográfica, el espacio suave y simétrico del mundo de dimensiones superiores no es fundamental en absoluto, sino que está construido a partir de patrones de entrelazamiento en un reino cuántico de dimensiones inferiores. Por el contrario, teóricos como Ivette Fuentes de la Universidad de Southampton en el Reino Unido han demostrado cómo la geometría de nuestro familiar universo tridimensional puede afectar al entrelazamiento. Sus cálculos muestran que la expansión del espacio-tiempo desde el Big Bang probablemente ha aumentado el entrelazamiento, por ejemplo.

Aunque estas ideas hablan el mismo idioma, no está claro cómo podrían conectarse con la supresión del entrelazamiento en el modelo estándar. El entrelazamiento y su misteriosa forma de trascender el espacio y el tiempo aún desafía la comprensión concreta. "Es lo que me mantiene despierto por la noche", dice Low.

¿El fin de la simetría?

También existen dudas muy reales sobre si el entrelazamiento puede ser alguna vez una respuesta definitiva a algo. Para empezar, si un entrelazamiento mínimo coincide con una alta simetría, eso no prueba necesariamente que el primero engendre la segunda; algunos investigadores sostienen que lo contrario es igualmente probable. Vale la pena señalar que, en el modelo estándar, se requieren principios de simetría para definir las partículas en primer lugar. Sin simetría no hay partículas, entonces, ¿qué queda por enredar?

Un número cada vez mayor de teóricos cuánticos hace caso omiso de este tipo de críticas como reliquia de una visión del mundo pasada de moda. Para ellos, los objetos son redundantes y la realidad, si se puede llamar así, existe sólo en términos de relaciones codificadas en patrones fundamentales de entrelazamiento. Aún así, muchos se aferran a la sabiduría más antigua. “Cuando me encontré con el trabajo de Noether, pensé que era el teorema más bonito”, dice Fuentes. "No creo que esté preparado para dejar de lado la simetría".

De hecho, el atractivo de la simetría siempre ha sido su obvia asociación con la belleza. Para los escultores griegos antiguos, como el que modeló al niño orante en el Altes Museum, la belleza residía en la simetría, en la armonía y en las proporciones correctas, un reflejo del orden cósmico divino. Los científicos a lo largo de los siglos han heredado fácilmente esta filosofía. El sello del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, donde trabajaron Einstein, Weyl y muchos otros, lleva dos palabras: verdad y belleza.

Pero, por supuesto, la belleza está en el ojo de quien la mira y cambia con los tiempos. Una escultura griega antigua, con sus formas idealizadas, es muy diferente a, digamos, las abstracciones espaciales de una obra de arte de Henry Moore. Del mismo modo, en la ciencia, por ejemplo, las órbitas planetarias perfectamente circulares de Ptolomeo –alguna vez consideradas el epítome de la belleza– tuvieron que ceder finalmente el paso a las elipses de Johannes Kepler.

Que el entrelazamiento mínimo sustituya a la simetría como principio rector dependerá de su éxito continuo en la realización de predicciones. A Savage, por ejemplo, le gustaría que prediga no sólo la mezcla de sabores de quarks, sino también por qué los sabores vienen en grupos de tres en primer lugar. En cuanto a si entonces sería visto como bello, Thaler adopta una postura pragmática. "Por definición, la teoría que coincide con el experimento es hermosa", dice.

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física de partículas / física cuántica