En este capítulo hemos ilustrado la física cuántica utilizando el experimento de la doble rendija. En lo que sigue, aplicaremos la formulación de Feynman de la mecánica cuántica al universo como un todo. Veremos que, tal como ocurre con una sola partícula, el universo no tiene una sola historia sino todas las historias posibles, cada una con su propia probabilidad, y que nuestras observaciones de su estado actual afectan su pasado y determinan las diferentes historias del universo, tal como las observaciones efectuadas sobre las partículas en el experimento de doble rendija afectan el pasado de las partículas. Dicho análisis mostrará cómo las leyes de la naturaleza surgieron del Big Bang, pero antes de examinar cómo surgieron las leyes hablaremos un poco sobre qué son dichas leyes y algunos de los misterios que suscitan.
5 LA TEORÍA DE TODO
Lo más incomprensible del universo es que sea comprensible.
Albert Einstein
El universo ES COMPRENSIBLE porque está regido por leyes científicas, es decir, su comportamiento puede ser modelizado. Pero ¿qué son esas leyes o modelos? La primera fuerza que fue descrita en lenguaje matemático fue la gravedad. La ley de Newton de la gravedad, publicada en 1687, dice que todo objeto en el universo atrae cualquier otro objeto con una fuerza proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Produjo una gran impresión en la vida intelectual de su época porque demostró por vez primera que al menos un aspecto del universo podía ser modelizado con precisión, y estableció la maquinaria matemática para hacerlo. La idea de que había leyes de la naturaleza suscite) cuestiones semejantes a aquellas por las cuales Galileo había sido condenado por herejía medio siglo antes. Por ejemplo, la Biblia cuenta que Josué rezó para que el Sol y la Luna se detuvieran en sus trayectorias de modo que hubiera luz suficiente para terminar la batalla contra los amoritas en Canaán. Según el libro de Josué, el Sol se detuvo durante casi un día entero. Actualmente sabemos que ello habría significado que la Tierra dejó de girar, pero si la Tierra se detuviera, según las leyes de Newton, todo lo que no estuviera fijado a ella se seguiría moviendo a la velocidad original de la Tierra (unos dos mil kilómetros por hora en el ecuador) -un precio muy elevado para retrasar una puesta del Sol-. Nada de eso preocupó en lo más mínimo a Newton ya que, como hemos dicho, creía que Dios podía intervenir e intervenía en el funcionamiento del universo.
Los ulteriores aspectos del universo para los cuales fue descubierta una ley o modelo fueron las fuerzas eléctricas y magnéticas. Esas fuerzas se comportan como la gravedad, pero con la importante diferencia de que dos cargas eléctricas o dos imanes del mismo tipo se repelen mientras que cargas diferentes o imanes de tipos diferentes se atraen. Las fuerzas eléctricas y magnéticas son mucho más intensas que la gravedad, pero habitualmente no las notamos en la vida cotidiana porque los cuerpos macroscópicos contienen casi el mismo número de cargas eléctricas positivas y negativas. Ello significa que las fuerzas eléctricas y magnéticas entre dos cuerpos macroscópicos prácticamente se anulan entre sí, a diferencia de las fuerzas gravitatorias, que siempre se suman.
Nuestras ideas actuales sobre la electricidad y el magnetismo fueron desarrolladas durante un intervalo de un siglo, desde mediados del siglo xviii hasta mediados del siglo xix, cuando físicos de diversos países llevaron a cabo estudios experimentales detallados de las fuerzas eléctricas y magnéticas. Uno de los descubrimientos más importantes fue que las fuerzas eléctricas y las magnéticas están relacionadas entre sí: una carga eléctrica en movimiento produce una fuerza sobre los imanes y un imán en movimiento produce una fuerza sobre las cargas eléctricas. El primero en advertir que había una conexión entre ambas fue el físico danés Hans Christian Oersted. Mientras estaba preparando una clase en la universidad, en 1820, Oersted observó que la corriente eléctrica de la batería que estaba utilizando desviaba la aguja de una brújula vecina. No tardó en darse cuenta de que la electricidad en movimiento producía una fuerza magnética, y acuñó el término «electromagnetismo». Pocos años después, el científico británico Michael Faraday razonó que -expresado en términos modernos- si una corriente eléctrica puede producir un campo magnético, un campo magnético debería poder producir una corriente eléctrica, y demostró este efecto en 1831. Catorce años después, Faraday también descubrió una conexión entre el electromagnetismo y la luz cuando demostró que un magnetismo intenso puede afectar la luz polarizada.
Faraday tenía una educación formal muy limitada. I labia nacido en la familia de un pobre herrero cerca de Londres y tuvo que dejar la escuela a los trece años, para trabajar como chico de recados y encuadernador en una librería. Allí, a lo largo de unos años, aprendió ciencia leyendo los libros que tenía para encuadernar y llevando a cabo experimentos simples y baratos en sus ratos de ocio. Al fin, obtuvo trabajo como ayudante en el laboratorio del gran químico sir Humphrey Davy. Faraday permanecería con él los cuarenta y cinco años restantes de su vida y, a la muerte de Davy, fue su sucesor. Faraday tenía dificultades con las matemáticas y nunca supo muchas, de manera que para él resultaba una auténtica lucha concebir una imagen teórica de los extraños fenómenos electromagnéticos que observaba en su laboratorio. Sin embargo, lo consiguió.
Una de las mayores innovaciones intelectuales de Faraday fue la idea de los campos de fuerza. En nuestros días, gracias a los libros y las películas sobre alienígenas con ojos saltones y naves estelares, la mayoría del público se ha familiarizado con dicho término, de manera que quizá le deberíamos pagar derechos de autor. Pero en los siglos transcurridos entre Newton y Faraday uno de los grandes misterios de la física era que sus leyes parecían indicar que las fuerzas actúan a través del espacio vacío que separa los objetos que interaccionan. A Faraday, eso no le gustaba. Creía que para mover un objeto, algo había de ponerse en contacto con él, de manera que imaginó que el espacio entre cargas eléctricas o imanes se comportaba como si estuviera lleno de tubos invisibles que llevaran físicamente a cabo la tarea de arrastrar o impulsar. Faraday llamó a esos tubos un campo de fuerza. Una buena manera de visualizar un campo de fuerza es llevar a cabo la conocida demostración escolar en que una lámina de vidrio con pec]ueñas limaduras de hierro esparcidas sobre su superficie se coloca encima de la barra de un imán. Con unos leves golpearos para vencer la fricción, las limaduras se mueven como empujadas por una potencia invisible y se disponen en una forma de arcos que se estiran desde un polo del imán al otro. Dicha forma es una representación de la fuerza magnética invisible que invade todo el espacio. En la actualidad creemos que todas las fuerzas son transmitidas por campos, de manera que es un concepto importante en la física moderna, y no sólo en la ciencia ficción.
Durante varias décadas nuestra comprensión del electromagnetismo permaneció detenida, limitada al conocimiento de unas pocas leyes empíricas, a la indicación de que electricidad y magnetismo estaban últimamente, aunque misteriosamente, relacionados, a la sospecha de que tenían algo que ver con la luz, y al concepto todavía embrionario de campos. Había al menos once teorías del electromagnetismo, todas ellas equivocadas, menos una. Entonces, en un intervalo de unos pocos años en la década de 186o, el físico escocés James Clerk Maxwell desarrolló las ideas de Faraday en un formalismo matemático que explicó la relación íntima y misteriosa entre la electricidad, el magnetismo y la luz. El resultado fue un sistema de ecuaciones que describen las fuerzas eléctricas y magnéticas como manifestaciones de una misma entidad física, el campo electromagnético. Maxwell había unificado la electricidad y el magnetismo en una sola fuerza. Además, demostró que los campos electromagnéticos podían propagarse por el espacio como ondas. La velocidad de dichas ondas quedaba determinada por un número que aparecía en sus ecuaciones y que calculó a partir de datos experimentales obtenidos unos pocos años antes. Constató con estupefacción que la velocidad calculada era igual a la velocidad de la luz, que entonces ya era conocida experimentalmente con un margen de error de un 1 por 100. ¡Había descubierto que la luz es una onda electromagnética!