Las 7 Teorías Físicas más importantes (explicadas)

La ciencia es el pilar de la sociedad. Sin ella, nunca habría habido progreso. Y sin progreso, seríamos meros animales que se limitan a sobrevivir en un mundo lleno de peligros. Y esta ciencia tiene, en las leyes y las teorías, sus más fundamentales cimientos. La historia está llena de momentos clave en los que se formularon hipótesis que nos permitieron, permiten y permitirán entender la naturaleza de la realidad que nos rodea.

Sabemos que las leyes físicas o naturales son aquellos principios verdaderos (nunca se han producido observaciones que las contradigan), universales, absolutas y estables en el tiempo que nos permiten describir los fenómenos del Universo, como por ejemplo las Leyes de Newton, las leyes de la termodinámica o las leyes de los gases.

Y por otro lado tenemos las teorías, aquellas hipótesis que, si bien nos permiten explicar la naturaleza elemental de la realidad que nos rodea, su propia formulación hace que sea complicado darle las propiedades de las leyes. No sabemos si son absolutamente verdaderas porque no pueden medirse de la misma forma que los principios de las leyes, pero son nuestro chaleco salvavidas para encontrar conocimiento dentro de la inmensidad del Cosmos.

Y en el artículo de hoy emprenderemos un apasionante viaje para descubrir las más asombrosas teorías físicas que, si bien seguramente nunca podremos convertirlas en leyes, han arrojado luz a la ciencia y nos han permitido entender nuestro lugar en el Universo, la naturaleza elemental de la realidad y el pasado, presente y futuro del espacio que nos rodea. Empecemos.

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¿Cuáles son las hipótesis más increíbles de la historia de la Física?

Una teoría científica es un conjunto de conceptos que se proponen como principios para explicar la naturaleza de un fenómeno físico. Así pues, consiste en la hipótesis (intento de dar explicación a algo que no entendemos) o conjunto de hipótesis que, con la aplicación del método científico, ha resultado ser una aproximación que, si bien no es absoluta como una ley, no se contradice con las leyes establecidas, tiene verosimilitud dentro de su marco de estudio, se apoya en las matemáticas y se basa en datos empíricos.

Muchas teorías han sido formuladas a lo largo de la historia de la Física para explicar fenómenos relativos a la naturaleza, origen y futuro del Universo, pero solo unas pocas, por su proyección, importancia, novedades arrojadas y verosimilitud se han ganado un puesto en esta nuestra selección. Estas son (algunas de) las teorías e hipótesis físicas más importantes.

1. La Teoría del Big Bang

La Teoría por excelencia. Seguramente, la hipótesis más famosa de la historia y, sin duda, una de las más importantes. Y por un simple motivo. Y es que por ahora, la Teoría del Big Bang es la hipótesis más fuerte de la que disponemos para explicar el origen del Universo. Gracias a ella, podemos entender cómo nació el Cosmos.

La Teoría del Big Bang, que ganó fuerza a partir de los años 60, nos dice que el Universo nació hace 13.800 millones de años a partir de una singularidad en la que toda la materia y energía que daría lugar al Cosmos estaba condensada en un punto infinitamente pequeño. La hipótesis no nos permite llegar al instante 0 de la “gran explosión”, un concepto que, por cierto, es muy confuso, pues el Big Bang jamás fue una explosión. Fue el inicio de la expansión del Universo, pero no una explosión.

Pero sí que nos permite acercarnos muchísimo. Concretamente, a una trillonésima de trillonésima de trillonésima de segundo después de su nacimiento, cuando el Universo medía 0,0000000000000000000000000000000001 centímetros de diámetro. A partir de ese instante, la hipótesis del Big Bang ya nos permite comprender, mediante leyes físicas, qué sucedió y por qué el Universo está en expansión. La gran pregunta es: ¿qué había antes del Big Bang? Y de momento, no tenemos respuesta. Sea cierta o no esta teoría, sin lugar a dudas es una de las más relevantes de la historia de la ciencia.

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2. La Teoría de la Relatividad General

La otra gran teoría por excelencia. Publicada entre 1915 y 1916 por Albert Einstein, la Teoría de la Relatividad General es una teoría de campo gravitatorio que describe, entre muchas otras cosas, la naturaleza elemental de la gravedad. Con esta hipótesis, Einstein cambió por completo la visión que teníamos del Universo.

La Teoría propone que el tiempo no es algo absoluto, sino algo individual que fluye de manera única para cada partícula del Cosmos dependiendo de su velocidad y de la intensidad del campo gravitatorio al que está sometida. El tiempo, pues, es relativo. Es una dimensión más.

Y al ser una dimensión más, Einstein afirmó que no vivimos en un Universo tridimensional, sino en uno tetradimensional, con cuatro dimensiones: tres espaciales y una temporal. Y estas cuatro dimensiones conforman un único tejido: el espacio-tiempo. Un tejido universal cuya curvatura permite explicar la existencia de la gravedad. Al menos, a nivel macroscópico. Porque cuando llegamos al nivel subatómico, la teoría relativista se derrumba. De ahí que la física cuántica siga en busca de una teoría que permita no solo explicar la naturaleza cuántica de la gravedad, sino también unificar física relativista y cuántica.

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3. La Teoría del Big Bounce

El Universo nació con el Big Bang, pero, ¿cómo morirá? Se han descrito apasionantes teorías sobre la muerte del Cosmos, pero una de las más increíbles es, sin duda, la del Big Bounce. La hipótesis se fundamenta en que la expansión del Universo no puede suceder de forma indefinida. Tiene que llegar un momento (no te preocupes, dentro de trillones de años) en la que la densidad en el Cosmos será tan baja que la expansión se detendrá. Y no solo se detendrá, sino que el Universo empezará a colapsar sobre sí mismo. Un fenómeno conocido como Big Crunch.

En esta hipotética situación, toda la materia del Universo empezará a contraerse y a juntarse hasta llegar a un punto de densidad infinita. Pero, cuando esto suceda, ¿se destruirá todo lo que alguna vez haya constituido el Cosmos? No. Y es aquí cuando viene lo más increíble. La Teoría del Big Bounce nos dice que la materia se reciclaría. Nos explicamos.

El Big Bounce afirma que la vida en el Universo sería, en realidad, un ciclo infinito de expansiones y contracciones. Un Big Bang y un Big Crunch repitiéndose periódicamente, sin haber ni un principio ni un final. El Universo se expandiría para luego contraerse y, posteriormente, volver a expandirse. Y así hasta el infinito. Impresionante.

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4. La Teoría de Cuerdas

La Teoría de la que todo el mundo habla pero que nadie entiende. Una de la hipótesis más complicadas pero más prometedoras del mundo de la física, al ser, por ahora, lo más cerca que estamos de dar con una teoría que explique la naturaleza cuántica de la gravedad y que unifique física relativista con física cuántica. La principal candidata a Teoría del Todo.

Año 1968. Ante la imposibilidad de incluir la gravedad en la física cuántica, Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen y Yoichiro Nambu, tres físicos teóricos, desarrollaron el marco teórico de la Teoría de Cuerdas. Una hipótesis que busca explicar el origen cuántico de las cuatro interacciones fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte) suponiendo que vivimos en un Universo de 10 dimensiones en el que la materia, en su nivel más bajo y a la escala de Planck, consiste no en partículas subatómicas, sino en cuerdas unidimensionales que vibran y cuya vibración explica la existencia de las fuerzas del Cosmos, incluida la atracción gravitatoria, que sería debida al viaje de anillos de cuerdas por el espacio decadimensional.

¿No se ha entendido nada? Normal. Es física cuántica. ¿Qué esperabas? De hecho, Richard Feynman, uno de los padres de la mecánica cuántica, dijo una vez que “Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no entiendes la mecánica cuántica”. Sea como sea, la Teoría de Cuerdas es, por ahora y al menos a nivel matemático y teórico, lo más cerca que estamos de dar con la Teoría del Todo.

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5. La Teoría M

¿Creías que la Teoría de Cuerdas era difícil? Pues espera. Porque hay una cosa que no hemos comentado antes: la Teoría de Cuerdas no es “La Teoría”, son “Las Teorías”. Cinco, para ser más exactos. Se desarrollaron cinco Teorías de Cuerdas que no encajaban bien entre ellas pero que cada una era cierta dentro de su marco teórico. Y no podíamos unificar la física relativista con la cuántica si ni siquiera habíamos unificado las teorías de cuerdas entre ellas.

Y cuando parecía que habíamos llegado a un callejón sin salida, en 1995, Edward Witten, físico teórico estadounidense, llegó con una solución: la Teoría M. Con esta hipótesis, estábamos unificando las cinco teorías de cuerdas en un solo marco teórico. Pero no creas que es sencillo. En comparación, la Teoría de Cuerdas es algo de niños.

La Teoría M es una hipótesis que unifica las cinco teorías de cuerdas (TIPO I, TIPO IIA, TIPO IIB, Heterótica SO (32) y Heterótica E8E8) en un solo marco teórico partiendo de la suposición de que el Universo es de 11 dimensiones (añade una más), dando lugar a un Cosmos en el que unas hipersuperficies de entre 0 y 9 dimensiones que reciben el nombre de branas sirven como punto de anclaje para las cuerdas unidimensionales. Una de las teorías más complicadas pero más ambiciosas de la historia. Y es, ahora sí, lo más cerca que estamos de dar con la Teoría del Todo. Por no mencionar que abriría la puerta a un Multiverso. De locos.

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6. La Teoría de la Gravedad Cuántica de Bucles

Pero, ¿la Teoría de Cuerdas y la hermana la Teoría M están solas en el juego? No. Por supuesto que no. Y de hecho, tienen un rival muy fuerte. La Teoría de la Gravedad Cuántica de Bucles. Esta hipótesis, desarrollada durante los años 90 gracias a Abhay Ashtekar, Theodore Jacobson, Lee Smolin y Carlo Rovelli, es una de las teorías más fuertes para explicar el origen cuántico de la gravedad. Y si no es más famosa es porque, a diferencia de la Teoría de Cuerdas, de las cuatro fuerzas fundamentales, solo explica la gravedad. Pero en su marco teórico, es tan sencilla y elegante que tiene muchos defensores.

La Teoría de la Gravedad Cuántica de Bucles no nos pide imaginar un Universo de diez u once dimensiones, sino que tiene suficiente con las cuatro dimensiones que tan bien conocemos. La hipótesis nos dice que el espacio-tiempo no puede dividirse infinitamente, sino que, a nivel cuántico, llega un momento en el que está compuesto por una malla en la que un espuma cuántica contendría unos bucles o lazos entrelazados y cuyo entrelazamiento explicaría el origen elemental de la gravedad. Hemos dicho que era sencilla. Lo retiramos.

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7. La Teoría Cuántica de Campos

Terminamos con otra de las grandes teorías. Nacida a finales de los años 20 gracias a los estudios de Erwin Schrödinger y Paul Dirac, desarrollada (y solucionados sus problemas matemáticos) entre los años 30 y 40 gracias a Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin’ichiro Tomonaga y Freeman Dyson y completada en los años 70, la Teoría Cuántica de Campos es una de las hipótesis más relevantes de la historia moderna de la física.

Pero, de nuevo, no esperes definiciones sencillas. La Teoría Cuántica de Campos, más conocida como Quantum Field Theory (QFT, por sus siglas en inglés), es una hipótesis cuántica relativista (que busca unir la relatividad general con la mecánica cuántica) que describe la naturaleza de las partículas subatómicas que componen la realidad no como “esferas”, sino como el resultado de perturbaciones dentro de unos campos cuánticos que impregnan el tejido del espacio-tiempo.

Estos campos cuánticos serán una especie de telas que sufren fluctuaciones. Y esto hace que dejemos de pensar en las partículas subatómicas como entidades individuales y que pasemos a concebirlas como perturbaciones dentro de estos campos. Cada partícula estaría asociada a un campo concreto. Tendríamos, pues, un campo de protones, uno de electrones, uno de gluones, etc. Y así con todo el modelo estándar.

Así pues, de las vibraciones dentro de estos campos cuánticos podrían surgir partículas subatómicas, algo que nos permite explicar el origen de las fuerzas elementales y la razón de por qué se crean y destruyen partículas cuando colisionan entre ellas. Complicado, sí. Pero así es la física.