PRÓLOGO

Y AGRADECIMIENTOS

Cuando era niña, me gustaban mucho los juegos intelectuales y de entretenimiento que aparecían en los problemas matemáticos o en libros como Alicia en el país de las maravillas. Pero, aunque leer era una de mis aficiones favoritas, los libros sobre ciencia solían parecerme más remotos o menos incitantes: nunca me sentí suficientemente involucrada o desafiada por ellos. El tono parecía siempre un tanto condescendiente con los lectores, demasiado laudatorio con los científicos, o aburrido. Me daba la impresión de que los autores más bien envolvían de misterio los resultados o que glorificaban a los hombres que los descubrieron, en vez de describir la ciencia tal como es, así como el proceso mediante el cual los científicos realizaron sus conexiones. Y era ésta, precisamente, la parte que de verdad me interesaba conocer.

Con el paulatino aprendizaje de la ciencia, ésta llegó a gustarme. No siempre fui consciente de que con el tiempo me convertiría en física y de que algún día pensaría así; ninguna de las personas que conocía cuando era joven estudió ciencias. Pero ocuparse de lo desconocido tiene un atractivo irresistible. Me pareció fascinante encontrar conexiones entre fenómenos aparentemente dispares y resolver problemas y predecir propiedades sorprendentes de nuestro mundo. Como física, ahora comprendo que la ciencia es un ente vivo que continúa evolucionando. Y a la ciencia la hacen interesante no sólo las respuestas que da, sino también los juegos y los enigmas, así como la participación que promueve.

Cuando decidí embarcarme en este proyecto, planeaba escribir un libro que me hiciera compartir con el lector la atracción que siento por mi trabajo, sin comprometer por ello la calidad de la presentación de la ciencia. Esperaba conseguir transmitir mi fascinación por la física teórica sin simplificar el asunto de un modo decepcionante y sin presentarlo como una colección de monumentos acabados e inmutables a los que hay que admirar pasivamente. La física es mucho más creativa y divertida de lo que la gente suele reconocer. Quería compartir estos aspectos de la física con las personas que no hubieran llegado necesariamente a esta conclusión por sus propios medios.

Hay una nueva visión del mundo que nos reclama imperativamente. Las dimensiones extras han cambiado a los físicos su modo de pensar sobre el universo. Las conexiones de las dimensiones extras con el mundo podrían chocar con muchas ideas mejor establecidas de la física, y por ello dichas dimensiones son un buen medio para abordar por caminos nuevos e intrigantes hechos más antiguos y ya verificados sobre el universo.

Algunas de las ideas que he incluido en el libro son abstractas y especulativas, pero no hay ninguna razón para que no resulten comprensibles para cualquier persona curiosa. Decidí dejar que la fascinación de la física teórica hablase por sí sola y opté por no enfatizar demasiado la historia o las personalidades que la pueblan. No quería transmitir la impresión equivocada de que todos los físicos están modelados según un único arquetipo o de que solamente un tipo particular de persona podría interesarse por la física. Basándome en mi experiencia y en las conversaciones que he mantenido, estoy segura de que son muchos los lectores inteligentes que sienten interés por el tema y que, con la mente abierta, desean saber cómo son, de verdad, las cosas.

En el libro no se escatiman las ideas teóricas más avanzadas e intrigantes, pero en la medida de lo posible he intentado hacerlo autosuficiente. He incluido en él tanto los avances conceptuales claves como los fenómenos físicos a los que éstos se aplican. Los capítulos se han organizado de modo que los lectores puedan adaptar el libro a sus intereses y conocimientos previos. Para facilitar este proceso, he realizado listas con los puntos a los que me referiré más tarde al presentar ideas más recientes sobre las dimensiones extras. Asimismo, me he valido de listas al final de los capítulos sobre las dimensiones extras para aclarar qué distingue a cada una de las posibles opciones para los universos extradimensionales.

Como probablemente la idea de las dimensiones extras sea nueva para muchos lectores, en los primeros capítulos he explicado lo que quiero decir cuando uso estas palabras y por qué las dimensiones extras pueden existir pero ser invisibles e intangibles. Al fin y al cabo, si he delineado los métodos teóricos con los que los físicos de partículas abordan su trabajo, ha sido con el fin de aclarar el tipo de razonamiento que está presente en estas investigaciones, que todos consideran sumamente especulativas.

Los trabajos recientes sobre las dimensiones extras dependen, para motivar las cuestiones a las que responden y sus métodos, de conceptos de la física teórica tanto tradicionales como modernos. Con el fin de explicar qué es lo que motiva tales investigaciones, he incluido un extenso análisis de la física del siglo XX. Quien quiera saltarse esta parte es muy libre de hacerlo, pero ¡se perderá cosas muy buenas!

Este análisis comienza con la relatividad general y la mecánica cuántica para pasar después a la física de partículas y a los conceptos más importantes que los físicos de partículas emplean hoy día. He presentado algunas ideas muy abstractas que suelen dejarse de lado (a causa, en parte, de lo abstractas que son), pero estos conceptos están ahora confirmados por los experimentos y forman parte de todas las investigaciones que hacemos en la actualidad. Aunque no todo este material es esencial para entender las ideas que veremos más tarde sobre las dimensiones extras, considero que a muchos lectores les agradará disponer de una visión más completa.

A continuación he descrito algunas nociones más recientes y especulativas, estudiadas en los últimos treinta años: la supersimetría y la teoría de cuerdas. Tradicionalmente, la física ha requerido una interacción entre teoría y experimento. La supersimetría es una extensión de los conceptos conocidos de la física de partículas y son muchas las probabilidades de que se la verifique en próximos experimentos. El caso de la teoría de cuerdas es diferente. Se basa únicamente en ideas y cuestiones teóricas y ni siquiera ha sido formulada matemáticamente por entero, así que todavía no podemos estar seguros de sus predicciones. En lo que a mí respecta, soy agnóstica en este asunto: no sé cómo quedará la teoría de cuerdas en última instancia, ni si resolverá las cuestiones de mecánica cuántica que pretende abordar. Pero la teoría de cuerdas ha sido una rica fuente de ideas nuevas, algunas de las cuales yo misma he explotado en mis investigaciones sobre las dimensiones extras del espacio. Estas ideas existen independientemente de la teoría de cuerdas, pero la teoría de cuerdas nos da una buena razón para pensar que algunas de sus suposiciones subyacentes podrían ser ciertas.

Una vez establecido el contexto, volveré finalmente a los múltiples y fascinantes nuevos desarrollos de las dimensiones extras. Éstos nos dicen cosas notables, como que las dimensiones extras pueden ser de tamaño infinito y, sin embargo, permanecer invisibles, o que quizá vivamos en una sima tridimensional dentro de un universo de dimensión superior. Asimismo, hay razones para pensar que pueden existir mundos paralelos nunca vistos, con propiedades muy diferentes de las que posee el nuestro.

A lo largo del texto he explicado los conceptos físicos sin usar ecuaciones. Pero he incluido un apéndice matemático para aquellos que tengan interés en los detalles matemáticos. En el propio texto he tratado de ampliar el abanico de las metáforas que se utilizan para explicar conceptos científicos. Buena parte del vocabulario descriptivo que todos usamos proviene de analogías espaciales, pero éstas suelen fallar en el diminuto reino de las partículas elementales y en el espacio con dimensiones extras, tan difícil de retratar. Me pareció que algunas metáforas menos convencionales, sacadas incluso del mundo del arte, de la gastronomía y de las relaciones personales, podrían funcionar igual de bien a la hora de explicar ideas abstractas.

A fin de efectuar la transición a las ideas nuevas comprendidas en cada uno de los capítulos, éstos comienzan con una breve historia en la que se aísla un concepto clave, usando un contexto y unas metáforas más familiares. Me lo he pasado muy bien con estas historias, así que, si el lector quiere, puede volver atrás después de haber leído el capítulo, para ver si capta las alusiones. Podríamos pensar que las historias forman una narración bidimensional, que van «hacia abajo» en cada capítulo y «horizontalmente» a lo largo del libro. O se las podría considerar como una especie de divertido repaso que le permite a uno estimar cuándo ha asimilado bien las ideas contenidas en el capítulo.

Muchos amigos y colegas me ayudaron a cumplir los objetivos que me planteé con este libro. Aunque a menudo sabía lo que buscaba, no siempre sabía si había acertado o no. Son varias las personas con las que estoy en deuda por la generosidad con la que me dedicaron su tiempo, por los ánimos que me infundieron y por la fascinación y curiosidad por las ideas que describo.

Algunos amigos brillantes merecen un agradecimiento especial por sus valiosos comentarios sobre el manuscrito, en sus diversas etapas. Anna Christina Büchmann, una escritora maravillosa, me hizo preciosos comentarios detallados que me ayudaron a aprender a completar las historias que contaba, del mundo de la física y del mundo en general. Me brindó también inestimables consejos para escribir bien, sazonados siempre con frases de aliento. Polly Shulman, otra amiga llena de talento, leyó y comentó atentamente cada capítulo. Admiro su mente lógica y chispeante, y he tenido mucha suerte al disponer de su ayuda. Lubos Motl, un físico brillante y un comunicador científico entregado a su tarea (cuyas especiosas ideas sobre las mujeres que se dedican a la ciencia pasaremos aquí por alto), lo leyó todo, antes incluso de que fuera legible, y me dio consejos extraordinariamente útiles y ánimos en todas las etapas de la confección del libro. Tom Lewenson me ofreció la importante asesoría que solamente un experimentado escritor de temas científicos como él podría proporcionar y contribuyó con algunas sugerencias de un peso crucial. Michael Gordin aportó la perspectiva del historiador de la ciencia y del conocedor experto de este tipo de literatura. Jamie Robins hizo penetrantes comentarios sobre varias versiones del manuscrito. Esther Chiao me ofreció útiles comentarios sobre el manuscrito, así como la perspectiva, en extremo provechosa, de una lectora inteligente y motivada, con una formación ajena a las ciencias. Y me gustó mucho que Cormack McCarthy aportase su valioso impulso y sus provechosas sugerencias en las etapas finales de la redacción del libro.

Otras personas me proporcionaron historias y observaciones interesantes que me ayudaron en las primeras etapas de este proyecto. Massimo Porrati es una auténtica mina de hechos fascinantes, algunos de los cuales aparecen aquí. Los puntos de vista de Gerald Holton sobre la física de principios del siglo XX enriquecieron mis ideas sobre la mecánica cuántica y la relatividad. Jochen Brocks me dio fructíferas opiniones sobre lo que le gustaba en la literatura sobre ciencia y estimuló algunas ideas útiles para la escritura. Las conversaciones que mantuve con Chris Haskett y Andy Singleton me ayudaron a comprender qué es lo que pueden desear aprender quienes no son físicos. Albion Lawrence hizo contribuciones valiosas que me ayudaron a resolver ciertos capítulos difíciles. Y John Swain me proporcionó un par de elegantes maneras de presentar el material.

Numerosos colegas me hicieron comentarios y sugerencias estimables. Entre otros muchos a los que estoy agradecida, Bob Cahn, Csaba y Zsusanna Csaki, Paolo Creminelli, Joshua Erlich, Ami Katz y Neil Weiner leyeron todos partes sustanciales del libro y aportaron comentarios pertinentes. Doy también las gracias a Allan Adams, Nima Arkani-Hamed, Martin Gremm, Jonathan Flynn, Melissa Franklin, David Kaplan, Andreas Karch, Joe Lykken, Peter Lu, Ann Nelson, Amanda Peet, Riccardo Rattazzi, Dan Shrag, Lee Smolin y Darien Wood; todos ellos me ofrecieron consejos y comentarios útiles. Howard Georgi nos asesoró, a mí y a muchos de los físicos mencionados más arriba, sobre el punto de vista de la teoría efectiva que se abraza en este libro. Mi agradecimiento también para Peter Bohacek, Wendy Chun, Paul Graham, Victoria Gray, Paul Moorhouse, Curt McMullen, Liam Murphy, Jeff Mrugan, Sesha Pretap, Dana Randall, Enrique Rodríguez y Judith Surkis, que aportaron críticas, sugerencias y frases de ánimo muy provechosas. Gracias asimismo a Marjorie Caron, Tony Caron, Barry Ezarsky, Josh Feldman, Marsha Rosenberg y otros miembros de la familia por ayudarme a entender mejor a mi público.

Greg Elliott y Jonathan Flynn realizaron los bonitos dibujos que ilustran este libro, y les estoy sumamente agradecida por su importante contribución. Agradezco a Rob Meyer y a Laura Van Wyck el haberme ayudado a conseguir los permisos para las abundantes citas que aparecen en el libro. He hecho todo el esfuerzo posible para reconocer debidamente mis fuentes. Si alguien piensa que no ha sido debidamente reconocido, le ruego que, por favor, me lo haga saber.

Deseo también expresar mi agradecimiento a los colaboradores de mi labor investigadora, que describo en este libro, especialmente a Raman Sundrum y a Andreas Karch, con quienes fue fabuloso trabajar. Y me gustaría reconocer las contribuciones de los numerosos físicos que han reflexionado sobre estas ideas y otras semejantes, incluidas aquellas que no he discutido aquí por falta de espacio.

Querría también expresar mi aprecio hacia mi editor de Ecco Press, Dan Halpern, mis editores de Penguin, Stefan McGrath y Will Goodlad, y mis correctores de estilo en Estados Unidos e Inglaterra, Lyman Lyons y John Woodruff, por sus muchas sugerencias provechosas y por su apoyo en la preparación de este libro. Y deseo dar las gracias a mi agente literario, John Brockman, y también a Katinka Matson, por sus importantes comentarios y consejos, y por su inestimable ayuda en el lanzamiento del libro. Estoy también agradecida a la Universidad de Harvard y al Instituto Radcliffe de Estudios Avanzados por concederme tiempo para concentrarme en este libro, y al MIT, a Princeton, a Harvard, a la Fundación Nacional por la Ciencia, al Departamento de Energía y a la Fundación Alfred P. Sloan por subvencionar mi labor investigadora.

Quiero, finalmente, dar las gracias a mi familia: a mis padres, Richard y Gladys, y a mis hermanas, Barbara y Dana, por respaldar mi carrera científica, por compartir conmigo su buen humor y sus comentarios y por haberme animado todos estos años. Lynn Festa, Beth Lyman, Gene Lyman y Jen Sacks me apoyaron sobremanera y les doy las gracias a todos ellos por sus maravillosos consejos y sugerencias a lo largo del camino. Y, para terminar, estoy enormemente agradecida a Stuart Hall por su penetrante perspectiva, sus provechosos comentarios y su desinteresado apoyo.

Os doy las gracias a todos y espero que penséis que vuestras contribuciones han merecido la pena.

LISA RANDALL
Cambridge, Massachusetts

Abril de 2005

INTRODUCCIÓN

El universo tiene sus secretos. Las dimensiones extras del espacio podrían ser uno de ellos. Si es así, el universo ha estado ocultando esas dimensiones, protegiéndolas, guardándolas tímidamente entre envoltorios. Al echar una ojeada descuidada, uno no hubiera sospechado nunca tal cosa.

FIGURA 1. El mundo tridimensional del bebé.

La campaña de desinformación empezó en la cuna, que fue la que nos presentó por primera vez las tres dimensiones espaciales. Éstas eran las dos dimensiones en las que gateábamos, más la restante en cuya dirección trepábamos. Desde entonces, las leyes físicas—por no hablar del sentido común—han reforzado la creencia en la existencia de tres dimensiones, sofocando cualquier sospecha de que pudiera haber más.

Pero el espacio-tiempo podría ser drásticamente diferente de todo lo que hemos imaginado hasta ahora. No conocemos ninguna teoría física que dicte que deba haber sólo tres dimensiones espaciales. Descartar la posibilidad de las dimensiones extras antes de considerar siquiera su existencia podría ser muy prematuro. Igual que «arribaabajo» es una dirección diferente de la dirección «izquierda-derecha» o «adelante-atrás», podrían existir otras direcciones completamente nuevas en nuestro cosmos. Aunque no podamos verlas con los ojos o tocarlas con los dedos, las dimensiones adicionales del espacio constituyen una posibilidad lógica.

Dichas dimensiones hipotéticas nunca vistas carecen todavía de nombre. Pero en el caso de que existieran, serían direcciones nuevas a lo largo de las cuales se podría viajar. Por eso, algunas veces, cuando necesite poner un nombre a una dimensión extra, la llamaré pasillo. Y cuando discuta explícitamente las dimensiones extras, en el título del capítulo aparecerá la palabra pasillo.

Estos pasillos podrían ser planos, como las dimensiones a las que estamos acostumbrados. O podrían ser arqueados, como las reflexiones en una barraca de espejos deformantes. Podrían ser diminutos, mucho más pequeños que un átomo; hasta hace poco, esto es lo que suponían todos los que creían en las dimensiones extras. Pero nuevos trabajos han mostrado que las dimensiones extras podrían ser también grandes, incluso de tamaño infinito, y, sin embargo, muy difíciles de ver. Nuestros sentidos registran sólo tres dimensiones grandes, de modo que una dimensión extra infinita podría resultar increíble. Pero la existencia de una dimensión infinita invisible es una de las muchas posibilidades raras de lo que podría existir en el cosmos, y en este libro veremos por qué.

Las investigaciones sobre las dimensiones extras han conducido también a otros conceptos notables—conceptos que bien podrían colmar la fantasía de un adicto a la ciencia ficción—, como los universos paralelos, la geometría arqueada y las simas tridimensionales. Me temo que estas ideas puedan sonar más propias de los parajes de los novelistas y de los lunáticos que del objeto de estudio de la auténtica pesquisa científica. Pero a pesar de lo descabellados que puedan parecer en estos momentos, se trata de contextos científicos genuinos que podrían surgir en un mundo extradimensional. (No hay que preocuparse si a uno no le resultan familiares todavía estas palabras o estas ideas, ya que más tarde las presentaremos y las investigaremos).

¿Por qué pensar

en dimensiones nunca vistas?

Aunque la física con dimensiones extras permita concebir estos panoramas intrigantes, podría seguir asombrándonos que los físicos, cuya misión es hacer predicciones sobre los fenómenos observables, se preocupen de tomárselos en serio. La respuesta es tan radical como la idea misma de dimensión extra. Algunos avances recientes sugieren que las dimensiones extras, no detectadas y no comprendidas del todo aún, podrían sin embargo resolver algunos de los misterios más básicos de nuestro universo. Las dimensiones extras podrían tener implicaciones en el mundo que vemos, y las ideas sobre ellas podrían revelar en última instancia conexiones que no percibimos en el espacio tridimensional.

No podríamos comprender por qué los esquimales y los chinos comparten rasgos físicos si dejáramos de tener en cuenta la dimensión temporal que nos permite reconocer sus antepasados comunes. De igual modo, las conexiones que pueden darse con dimensiones adicionales del espacio podrían iluminar aspectos desconcertantes de la física de partículas, arrojando luz sobre misterios que llevan décadas sin resolverse. Relaciones entre las propiedades y las fuerzas de las partículas que parecían inexplicables cuando el espacio estaba encadenado a tres dimensiones parecen encajar de un modo elegante en un mundo con más dimensiones espaciales.

¿Creo yo en las dimensiones extras? Confieso que sí. En el pasado, he mirado siempre las especulaciones que se hacen en física yendo más allá de lo que se está midiendo— incluidas mis propias ideas—con fascinación pero también con cierto grado de escepticismo. Me gusta pensar que esto me mantiene interesada, pero cabal. A veces, sin embargo, parece que una idea contiene sin duda un germen de verdad. Un día, hace unos cinco años, yendo a trabajar, al cruzar el puente sobre el río Charles por el que se llega a Cambridge, me di cuenta de repente de que creía verdaderamente que han de existir algunas formas de dimensiones extras. Miré a mi alrededor y contemplé las múltiples dimensiones que no podía ver. Experimenté la misma conmoción de sorpresa ante mi nueva visión del mundo que el día en el que yo, nacida en Nueva York, me vi animando a los Red Sox de Boston durante un partido de desempate contra los Yankees, algo que en la vida hubiera previsto que iba a hacer alguna vez.

Una mayor familiaridad con las dimensiones extras ha hecho que aumente incluso mi convicción de su existencia. Los argumentos en contra de ésta tienen demasiadas grietas como para que resulten fiables y las teorías físicas sin dimensiones extras dejan muchas cuestiones sin contestar. Es más, al explorar las dimensiones extras durante estos últimos años, hemos ampliado el abanico de posibles universos multidimensionales que pueden remedar el nuestro, lo cual insinúa que sólo hemos identificado la punta del iceberg. Incluso en el caso de que las dimensiones extras no se ajusten precisamente al panorama que voy a presentar, pienso que es muy probable que estén ahí, de una u otra forma, y que sus implicaciones serán seguramente sorprendentes y admirables.

Seguro que nos sorprende descubrir que podría haber un vestigio de las dimensiones extras escondido en nuestra despensa: en la sartén antiadherente que está revestida con cuasicristales. Los cuasicristales son estructuras fascinantes cuyo orden subyacente sale a la luz sólo con las dimensiones extras. Un cristal es un retículo muy simétrico de átomos y moléculas con un elemento básico que se repite muchas veces. Sabemos qué estructuras pueden formar los cristales en tres dimensiones y cuáles son los patrones posibles. Sin embargo, la disposición de los átomos y de las moléculas en los cuasicristales no se ajusta a ninguno de estos patrones.

En la figura 2 se muestra un ejemplo de patrón cuasicristalino. Carece de la regularidad precisa que veríamos en un auténtico cristal, que se parecería más a la de un tipo de rejilla propia de un papel cuadriculado. La manera más elegante de explicar la disposición de moléculas en estos extraños materiales consiste en recurrir a una proyección—una especie de sombra tridimensional—de una estructura cristalina de dimensión superior, que revela la simetría de la estructura en un espacio de dimensión superior. Lo que parecía un patrón completamente inexplicable en tres dimensiones refleja una estructura ordenada en un mundo de dimensión superior. Las sartenes antiadherentes revestidas de cuasicristales explotan las diferencias estructurales entre las proyecciones de los cristales multidimensionales en el revestimiento de la sartén y la estructura más mundana de la comida ordinaria tridimensional. Las diferentes disposiciones de los átomos, que les impiden pegarse unos a otros, son una insinuación seductora de que las dimensiones extras existen y explican algunos fenómenos físicos observables.

FIGURA 2. He aquí un «mosaico de Penrose». Es una proyección en dos dimensiones de una estructura cristalina de cinco dimensiones.

Una visión de conjunto

Así como las dimensiones extras nos ayudan a entender la disposición confusa de las moléculas de un cuasicristal, los físicos especulan hoy sobre la posibilidad de que las teorías de las dimensiones extras iluminen también algunas conexiones en la física de partículas y en cosmología, conexiones que son difíciles de comprender con sólo tres dimensiones.

Durante treinta años, los físicos han confiado en una teoría llamada el modelo estándar de la física de partículas, que nos habla de la naturaleza fundamental de la materia y de las fuerzas por medio de las cuales interactúan sus constituyentes elementales.^* Los físicos han puesto a prueba el modelo estándar creando partículas que no han vuelto a estar presentes en nuestro mundo desde los primeros instantes del universo, y han visto que el modelo estándar describe sumamente bien muchas de sus propiedades. Aun así, el modelo estándar deja algunas cuestiones fundamentales sin contestar, cuestiones tan básicas que su solución promete nuevas ideas penetrantes sobre los ladrillos constitutivos de nuestro mundo y sobre sus interacciones.

Este libro habla de cómo yo misma y otros investigadores nos pusimos a buscar respuestas a los enigmas del modelo estándar y nos encontramos sumidos en mundos extradimensionales. Los nuevos desarrollos de las dimensiones extras acabarán por acaparar el centro del escenario, pero presentaré primero a los actores secundarios: los avances revolucionarios de la física del siglo XX. Las ideas recientes que discutiré más tarde se basan en estos formidables progresos.

Los temas que encontraremos en este examen se reparten, en términos generales, en tres categorías: física de principios del siglo XX, física de partículas y teoría de cuerdas. Investigaremos las ideas clave de la relatividad y de la mecánica cuántica, así como el estado actual de la física de partículas y los problemas que las dimensiones extras podrían abordar. También consideraremos los conceptos que yacen bajo la teoría de cuerdas, que muchos físicos piensan que es la primera pretendiente a la hora de encarnar una teoría que incorpore tanto la mecánica cuántica como la gravedad. La teoría de cuerdas, que postula que las unidades más básicas de la naturaleza no son partículas, sino cuerdas oscilantes fundamentales, ha proporcionado gran parte del estímulo que empujó al estudio de las dimensiones extras, ya que requiere más de tres dimensiones espaciales. Y describiré también el papel de las branas, objetos semejantes a membranas que aparecen en la teoría de cuerdas y que son tan esenciales en esta teoría como las cuerdas mismas. Consideraremos tanto los éxitos de estas teorías como las cuestiones que dejan abiertas, que son las que motivan las investigaciones en curso.

Uno de los principales misterios es por qué la gravedad es tan débil en relación con las otras fuerzas conocidas. La gravedad puede que no parezca débil cuando estamos subiendo una montaña, pero eso es porque la Tierra entera está tirando de nosotros. Un pequeño imán puede levantar un sujetapapeles aunque toda la masa de la Tierra esté tirando de él en la dirección opuesta. ¿Por qué está la gravedad tan indefensa ante el pequeño tirón de un imán diminuto? En la física de partículas tridimensional convencional, la debilidad de la gravedad es un gran enigma. Pero las dimensiones extras podrían dar una respuesta a este enigma. En 1998, Raman Sundrum, mi colaborador, y yo presentamos una razón por la que podría ocurrir esto.

Nuestra propuesta se basa en la geometría arqueada, una noción que surge en la teoría de la relatividad general de Einstein. Según esta teoría, el espacio y el tiempo se integran en una estructura única de espacio-tiempo que es distorsionada o arqueada por la materia y la energía. Raman y yo aplicamos esta teoría en un contexto extradimensional nuevo. Descubrimos una configuración en la que el espacio-tiempo se comba de un modo tan intenso que, aunque la gravedad sea fuerte en una región del espacio, es sin embargo débil en todas las demás.

Y encontramos también algo todavía más notable. Aunque los físicos han supuesto durante ochenta años que las dimensiones extras han de ser diminutas para explicar por qué no las hemos visto, en 1999 Raman y yo descubrimos que el espacio arqueado no sólo puede explicar la debilidad de la gravedad, sino también que una dimensión extra invisible puede extenderse hasta el infinito, siempre y cuando sufra una distorsión adecuada en un espacio-tiempo curvado. Una dimensión extra puede ser infinita en cuanto a tamaño y, sin embargo, permanecer oculta. (No todos los físicos aceptaron de inmediato nuestra propuesta. Pero mis amigos que no son físicos se convencieron antes de la posibilidad de que yo hubiese descubierto algo importante, no porque dominasen al dedillo la física, sino porque, en un congreso al que asistí, al dirigirme a la cena oficial después de hablar sobre mi trabajo, descubrí que Stephen Hawking me había reservado un asiento a su lado).

Explicaré los principios físicos que laten bajo estos y otros desarrollos teóricos y las nuevas nociones sobre el espacio que los hacen concebibles. Y más tarde nos encontraremos con una posibilidad todavía más extraña, que el físico Andreas Karch y yo descubrimos un año después: podríamos estar viviendo en una sima tridimensional del espacio, aunque el resto del universo se comporte como si fuera de dimensión superior. Este resultado ofrece multitud de nuevas posibilidades para la estructura del espacio-tiempo, que podría consistir en distintas regiones, y que cada una contuviera aparentemente un número diferente de dimensiones. No sólo no estamos en el centro del universo, como Copérnico sugirió hace quinientos años, conmocionando al mundo, sino que bien podríamos estar viviendo en un suburbio aislado con tres dimensiones espaciales y que forma parte de un cosmos de dimensión superior.

Los objetos semejantes a membranas que llamamos branas y que han sido estudiados recientemente son componentes importantes de los ricos paisajes de dimensión superior. Si las dimensiones extras son el patio donde juegan los físicos, los mundos brana—universos hipotéticos en los que vivimos en una brana—son como esos seductores entramados, con múltiples niveles y caras, que suele haber en los parques para que trepen los niños. Este libro llevará al lector a los mundos brana y a universos con dimensiones enrolladas, arqueadas, extensas e infinitas, algunos de las cuales contienen una sola brana y otros múltiples branas que albergan mundos nunca vistos. Todos ellos están en el reino de lo posible.

La fascinación de lo desconocido

Los hipotéticos mundos brana constituyen un acto de fe teórico y las ideas que contienen son especulativas. Sin embargo, tal como sucede en el mercado financiero, las opciones más arriesgadas pueden fallar, pero también pueden recompensarnos con mayores beneficios.

Imaginemos la visión de la nieve desde el asiento del telesilla el primer día de sol después de una tormenta, con la impoluta nieve en polvo tentándonos desde allá abajo. Sabemos que, pase lo que pase, una vez que nos posemos sobre la nieve, comenzará un gran día. Algunas rutas serán escarpadas y estarán llenas de baches, otras serán deliciosos cruceros y las habrá que constituirán sendas tortuosas entre árboles. Pero, aunque a veces tomemos el camino equivocado, la mayor parte del día resultará gratamente provechosa.

Para mí, la construcción de modelos—que así es como los físicos llaman a la búsqueda de teorías que podrían servir de base a las observaciones en curso—tiene este mismo atractivo irresistible. La construcción de modelos es un viaje de aventuras por los conceptos y las ideas. A veces las ideas nuevas son obvias y otras veces son difíciles de encontrar y de gestionar. Sin embargo, incluso cuando no sabemos hacia dónde apuntan, los nuevos modelos interesantes suelen explorar un delicioso territorio virgen.

No sabremos inmediatamente cuáles de las teorías dan cuenta correcta de nuestro lugar en el universo. En lo que respecta a algunas de ellas, a lo mejor nunca lo sabremos. Pero, increíblemente, éste no es el caso de ninguna de las teorías de dimensiones extras. El rasgo más atractivo de cualquiera de las teorías de dimensiones extras es que, si ésta es correcta, pronto lo sabremos. En los próximos cinco años, los experimentos que estudian las partículas de alta energía podrían descubrir pistas que apoyen estas propuestas y las dimensiones extras que contienen, tan pronto como esté terminado y funcionando el Gran Acelerador de Hadrones (LHC, según sus siglas en inglés), un gran acelerador de partículas de alta energía que hay cerca de Ginebra.

Este acelerador, que empezará a funcionar en 2007, va a hacer que, con una tremenda energía, choquen entre sí partículas, que podrían así convertirse en nuevos tipos de materia que no hemos visto nunca antes. Si alguna de estas teorías extradimensionales es correcta, podría dejar signos visibles en el LHC. Las pistas podrían incluir unas partículas que se llaman modos de Kaluza-Klein, que viajan en las dimensiones extras pero que dejan trazas de su existencia aquí, en las tres dimensiones familiares. Los modos de Kaluza-Klein serían huellas dactilares de las dimensiones extras en nuestro mundo tridimensional. Y si hay mucha suerte, los experimentos registrarán además otras pistas, quizá incluso agujeros negros de dimensión superior.

Los detectores que registrarán estos objetos serán enormes e impresionantes, hasta el extremo de que para trabajar en ellos se requieren equipos de escalador, como arneses y cascos. De hecho, yo hice uso de estos equipos una vez que fui a caminar por un glaciar que hay en Suiza, cerca del Organismo Europeo para la Investigación de Partículas (CERN, según sus siglas en inglés), el centro de física que albergará el LHC. Estos enormes detectores registrarán las propiedades de las partículas que los físicos usarán para reconstruir lo que pasó por allí.

Hay que reconocer que las pistas de las dimensiones extras serán algo indirectas, y que tendremos que recomponer diversas claves. Pero esto es así en casi todos los descubrimientos recientes de la física. Según la evolución de la física en el siglo XX, ésta pasó de cosas que pueden observarse directamente a simple vista a cosas que sólo pueden «verse» con mediciones asociadas a una serie de elaboraciones teóricas lógicas. Por ejemplo, los quarks, los componentes del protón y del neutrón que nos son familiares por la física del colegio, nunca aparecen aislados; los encontramos al seguir el reguero de pistas que dejan tras de sí al alterar otras partículas. Pasa lo mismo con esos tipos intrigantes de materia que se llaman energía oscura y materia oscura. No sabemos de dónde viene la mayor parte de la energía del universo, ni cuál es la naturaleza de la mayor parte de la materia que éste contiene. Sin embargo, sabemos que la materia oscura y la energía oscura existen en el universo, no porque las hayamos detectado directamente, sino porque tienen efectos detectables en la materia que las rodea. Como los quarks, la materia oscura o la energía oscura, cuya existencia comprobamos sólo indirectamente, las dimensiones extras no aparecerán directamente ante nosotros. En todo caso, las firmas de las dimensiones extras, aunque sean indirectas, podrían revelar en definitiva su existencia.

Digamos desde el principio que obviamente no todas las ideas nuevas se acaban confirmando y que muchos físicos son escépticos a la hora de evaluar las teorías nuevas. Las teorías que presento aquí no son la excepción de esta regla. Pero la especulación es el único camino para progresar en nuestra comprensión. Aunque resulte que los detalles no coincidan todos con la realidad, una idea teórica nueva puede, sin embargo, iluminar los principios físicos que operan en la auténtica teoría del cosmos. Estoy segura de que las ideas sobre las dimensiones extras que encontraremos en este libro contienen más de un germen de verdad.

Al ocuparme de lo desconocido y trabajar con ideas especulativas, encuentro reconfortante recordar que el descubrimiento de estructuras fundamentales ha llegado siempre por sorpresa y que se ha topado con el escepticismo y la resistencia. Y, lo que resulta todavía más raro, no sólo el público en general, sino a veces incluso las mismas personas que han insinuado la existencia de estructuras subyacentes han sido reacias al principio a creer en ellas.

Por ejemplo, James Clerk Maxwell, que desarrolló la teoría clásica de la electricidad y el magnetismo, no creyó en la existencia de una unidad fundamental de carga como el electrón. George Stoney, que propuso a finales del siglo XIX el electrón como unidad fundamental de carga, no creyó que los científicos lograran alguna vez aislar a los electrones de los átomos de los que forman parte. (De hecho, lo único que se necesita para conseguir esto es calor o un campo eléctrico). Dmitri Mendeleiev, el creador de la tabla periódica de los elementos, opuso resistencia a la noción de valencia, que su tabla precisamente codificaba. Max Planck, que propuso que la energía que transportaba la luz era discontinua, no creyó en la realidad de los cuantos de luz que están implícitos en su propia idea. Albert Einstein, que sugirió la existencia de estos cuantos de luz, no supo que sus propiedades mecánicas permitirían que se los identificara como partículas: los fotones, lo que ahora sabemos que son. Sin embargo, no todos los que han tenido ideas nuevas correctas han negado su conexión con la realidad. Muchas ideas, ya se creyera en ellas, ya inspiraran desconfianza, resultaron ser ciertas.

¿Quedan todavía cosas que descubrir? Para contestar esta pregunta recurro a las palabras, inevitablemente caducas, de George Gamow, el destacado físico nuclear y divulgador de la ciencia. En 1945 escribió: «En vez de un número bastante grande de “átomos indivisibles”, ahora tenemos solamente tres entidades esencialmente diferentes: los nucleones, los electrones y los neutrinos […]. Parece así que hemos tocado techo en nuestra búsqueda de los elementos básicos de los que está formada la materia». Cuando Gamow escribió esto no tenía ni idea de que los nucleones están compuestos de quarks, como se descubrió ¡treinta años después!

¿No sería extraño que resultara que fuésemos nosotros las primeras personas para las que dejara de ser fructífera la búsqueda de más estructuras subyacentes? ¿Tan extraño, de hecho, que resulta apenas creíble? Las inconsistencias que hay en las teorías existentes nos dicen que éstas no pueden ser la última palabra. Las generaciones pasadas no dispusieron ni de las herramientas ni de las motivaciones de las que disponen los físicos de hoy para explorar los panoramas multidimensionales que este libro describirá. Las dimensiones extras, o lo que sea que yace bajo el modelo estándar de la física de partículas, serían un descubrimiento de la máxima importancia.

En lo que atañe al mundo que nos rodea, ¿hay otra opción que no sea la de explorarlo?