La
teoría de Kaluza-Klein fue la primera teoría del campo unificado.
Intentaba conectar la teoría electromagnética de Maxwell con las teorías
de Einstein sobre la relatividad asumiendo que el universo estaba
basado en cinco dimensiones: una temporal y cuatro espaciales.
En
1919 un desconocido matemático alemán, Theodor Kaluza, envió un
artículo a Einstein en el que exponía las consecuencias de asumir que el
espaciotiempo tenía cinco dimensiones. El espaciotiempo en la teoría
general de Einstein tiene cuatro dimensiones: las tres del espacio y una
adicional del tiempo. Si bien es difícil visualizar el mundo que nos
rodea como realmente operando en cuatro dimensiones, ello no implica
dificultad alguna desde el punto de vista matemático. La teoría general
de la relatividad podía adaptarse fácilmente a más dimensiones y de
repente, gracias a Kaluza, parecía como si la relatividad y el
electromagnetismo pudieran ser parte de una teoría que los englobaría y
que funcionaría en cinco dimensiones.
Cuando
Einstein recibió el artículo de Kaluza, respondió: “La idea de
conseguir una teoría unificada por medio de un mundo cilíndrico de
cinco dimensiones nunca se me ocurrió…A primera vista me gusta su idea
enormemente”. En 1921, Kaluza publicó el artículo [1]. Sin embargo la
idea era solamente una construcción matemática, sin conexión con la
realidad física. En 1926, el sueco Oskar Klein publicó un artículo [2]
que completaba la teoría y proponía soluciones físicas interesantes.
Klein usó las nuevas teorías cuánticas para ofrecer una explicación de
porqué no podemos experimentar la quinta dimensión: la cuarta dimensión
espacial sería un bucle circular de radio muy pequeño, de tan sólo 10-33centímetros o, en otras palabras, del orden de 1021 veces más pequeño que un átomo.
La
unificación de la luz y la gravedad fue uno de los principales
objetivos de Einstein en la segunda mitad de su vida y, aunque la teoría
de Kaluza-Klein no tuvo éxito del todo (en parte porque muchos
científicos pensaron que añadir una quinta dimensión era poco menos que
hacer trampas), fue un primer paso a la hora de intentar hacerlo. Usando
esta teoría como base, Einstein publicó varios artículos entre 1927 y
1932 en los que empleaba cinco dimensiones.
Pero
pronto la teoría de Kaluza-Klein se quedaría por el camino. Una nueva
teoría acaparaba la imaginación de la mayoría de los físicos jóvenes: la
mecánica cuántica. Esta nueva rama de la física explicaba el
electromagnetismo tan bien que la teoría de Kaluza-Klein parecía
superflua. Sólo unos pocos, Einstein entre ellos, continuaron buscando
una teoría unificada.
Pero
añadir dimensiones extra era una técnica destinada a sobrevivir. Si
bien nadie resucitó la teoría de Kaluza-Klein durante sesenta años, ésta
hizo una reentrada espectacular en la ciencia con la teoría de cuerdas.
Así, por ejemplo, la teoría M, que unifica las distintas variantes de
la teoría de cuerdas, afirma que las cuerdas son cortes (anillos) de una
dimensión de membranas de dos dimensiones que vibran en un espacio de
once dimensiones. Esta versión moderna de la teoría de Kaluza-Klein
intenta unir no sólo la gravitación y el electromagnetismo, sino también
las interacciones nucleares fuerte y débil. Es una teoría bien
estudiada, y lógicamente consistente, pero aún sin comprobación
experimental.
Referencias:
[1]
Kaluza, T (1921). Zum Unitätsproblem in der Physik Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss. , 966-972
[2]
Klein, O. (1926). Quantentheorie und fünfdimensionale Relativitätstheorie Zeitschrift für Physik, 37 (12), 895-906 DOI: 10.1007/BF01397481
El nuevo ámbito en el que se mueve esta geometría de las cuerdas y p-branas no sería el espacio-tiempo ordinario de 4 dimensiones sino un espacio de tipo Kaluza-Klein, en el que a las cuatro dimensiones convencionales se añaden 6 dimensiones compactificadas en forma de variedad de Calabri-Yau. Por tanto convencionalmente en la teoría de cuerdas existe 1 dimensión temporal, 3 dimensiones espaciales ordinarias y 6 dimensiones compactificadas e inobservables en la práctica.