Theodor Kaluza: un genio adelantado a su tiempo

Casi nadie lo sabe, pero Theodor Kaluza logró algo que ni el mismísimo Einstein consiguió: la unificación de las fuerzas conocidas en su época. Todo ello gracias a que dio con la clave exacta para ello: la introducción de nuevas dimensiones espaciales. Sin embargo, esta idea tan sumamente adelantada a su época acabó por minar completamente su reputación.

Este concepto revolucionario convierte a Kaluza en el padre, en última instancia, de la teoría de cuerdas. Pero, ¿quién fue este verdadero genio olvidado que consiguió lo que un sínfín de premios Nobel no lograron en una vida entera dedicada a la investigación?, y, quizás lo más importante ¿por qué no se dio a conocer?


Theodor Kaluza nació en Racibórz (Alemania) en 1885. De familia católica alemana, su padre era un experto en lengua inglesa. Estudió en la Universidad de Königsberg, institución en la que había trabajado el mismísimo Kant y en la que su padre era profesor. Más tarde, ya licenciado en física matemática (física teórica), trabaja como doecente en la Universidad de Kiel y, posteriormente, en Göttingen. Theodor Kaluza tuvo un hijo, también llamado Theodor, que fue un brillante matemático.



Robert Kaluza resolvió el gran problema que traía a los físicos de cabeza: la unificación de fuerzas. Logró la unión de la gravedad con el electromagnetismo, algo sorprendente, gracias a una idea brillante y fortuita que por su aparente absurdo no parece ser la solución. Kaluza supuso que el espacio poseía cuatro dimensiones, frente a las tres habituales. Esta solución dejó perplejos a muchos pero la unificación funcionaba. Sin embargo, muchos físicos se negaban a creer que el espacio tuviese más dimensiones que las visibles, por lo que fue tachado de chiflado y charlatán. Junto con el matemático Oskar Klein formalizó la teoría y actualizó los aspectos clásicos a la mecánica cuántica. Por esta razón se la conoce como teoría de Kaluza-Klein (1926).




El poco éxito de la teoría fue fruto de la mentalidad de la época. Nadie podía imaginar una dimensión adicional, lo que parecía algo absurdo. Aún a día de hoy cuesta entender la existencia de las 11 dimensiones espaciales que propone la teoría de cuerdas.






Theodor Kaluza era un auténtico genio: hablaba y escribía en 17 idiomas, algunos como el lituano o el húngaro, aunque su preferido era el árabe. Asimimismo, tenía una personalidad muy modesta y un gran sentido del humor. La leyenda cuenta que Kaluza aprendió a nadar con 30 años y sólo leyendo un libro, ya que confiaba ciegamente en el conocimiento teórico.


El 19 de enero de 1954 falleció un genio incomprendido, un auténtico hombre adelantado a su tiempo que tuvo la osadía y el coraje de defender sus creencias hasta el final pese a ser tildado de loco. El tiempo acabaría ganando la partida a la ignorancia.

La percepción sensorial I: la obsoleta maquinaria visual humana

Si nos acercamos al mundo de los sentidos, resulta casi algo mágico el que un puñado de células sean capaces de captar y, sobre todo, de distinguir una más que amplia gama de estímulos procedentes del medio. Sin embargo, un estudio más detallado de estos procesos nos muestra que no van más allá de un puñado de leyes físicas, aunque los resultados sean sorprendentes.

El estudio de la percepción humana desde un punto de vista biológico, no sólo nos muestra que en el fondo su fundamentación física sea simple, sino que se trata de un proceso que deja mucho que desear. De hecho, algunos de ellos son mecanismos que jamás un ingeniero hubiera aprobado. Queda bastante claro, por tanto, que el desarrollo de esas estructuras sólo ha podido ser fruto de un proceso azaroso y nunca fruto de una inteligencia superior ordenadora. El diseño inteligente no tiene en que sustentarse.

A continuación analizaremos el mecanismo de la visión humana desde un punto de vista biológico, el cual nos confirmará todo lo que he expuesto anteriormente.

Como bien sabemos, cuando la luz entra en el ojo se dirige a la retina, una superficie plagada de trminaciones nerviosas y células fotorreceptoras. Es ahí donde quiero centrarme.

Desde un punto de vista histológico, la retina se compone de varios tipos de células. La parte más profunda contiene células epiteliales pigmentadas que contienen rodopsina y se encargan del mantenimiento de la capa de células que se encuentran justo delante: las fotorreceptoras. Éstas últimas se dividen en dos tipos: los conos o células que captan los colores y los bastones que funcionan en condiciones de oscuridad y reciben tonalidades en blanco y negro. Estos conos y bastones convierten las diferentes longitudes de onda de la luz en impulsos nerviosos. Estas células hacen sinapsis con interneuronas o neuronas de relación que mandan las señal a la última capa de células y más externa de la retina: las neuronas ganglionares. Son los axones de estas neuronas los que constituyen el nervio óptico, llevando la señal nerviosa hasta el cerebro.

Como hemos podido ver, las células fotorreceptoras quedan en una de las capas más internas de la retina, encontrándose cubiertas por un entramado selvático de interneuronas y neuronas ganglionares. Supone una auténtica pérdida de energía luminosa y, en consecuencia, una disminución del rendimiento ocular. Por si no fuera poco, además, esta disposición celular de la retina obliga a los haces nerviosos a salir por la parte superficial de la misma (esto es debido, como hemos visto, a que las neuronas ganglionares se sitúan en su superficie), lo que provoca la existencia de un punto por el que sale el nervio óptico y carece de células fotorreceptoras. Es decir, ocasiona la existencia de un punto ciego en el ojo humano.

Supongamos que un haz de luz incide sobre la superficie de la retina. Éste, primero, alcanza las células fotorreceptoras, más concretamente el extremo de éstas que conecta con el epitelio pigmentario: el segmento externo. Dentro del mismo hay multitud de membranas que se encuentran cargadas de pigmentos visuales, como la rodopsina, principalmente. Se trata de una heteroproteína constituida por hasta tres tipos de opsina (una proteína) y por un grupo prostético integrado por retinol. Existen hasta tres tipos de rodopsina, cada una de ellas receptora de una determinada parte del espectro luminoso. Consecuentemente, existen conos y bastones de "tres tipos": uno para cada tipo de rodopsina, es decir, los que perciben el color rojo, el color azul o el verde, o bien, su escala de gris correspondiente. Pues bien, cuando una luz determinada incide sobre las membranas pigmentarias de una célula fotorreceptora puede llegar a excitar a los pigmentos luminosos. Es en ese caso cuando la célula fotorreceptora inicia la producción de neurotransmisores, haciendo que se propage una señal nerviosa a través de las interneuronas y de éstas a las células ganglionares que finalmente conducirán los impulsos nerviosos hasta las neuronas cerebrales que codifican la parte del espectro captada por esa célula fotorreceptora. Aunando todas las informaciones visuales recibidas es como el cerebro genera la imagen que percibimos finalmente.

El proceso aquí expuesto es otra muestra de como la naturaleza se encuentra en última instancia regida por leyes físicas deterministas que actúan arbitrando un mundo aleatoriamente cambiante.

Todo reducido a dos clanes: el modelo estándar de partículas

No se trata de dos familias enfrentadas sino todo lo contrario, de las correctas interacciones entre ellas surge el mundo tal y como lo conocemos. Se trata del modelo estándar de partículas, el cual fue creado entre los años 60 y 70 por un sinfín de científicos que casi a un ritmo diario descubrían partícula tras partícula. Sin embargo, su unificación total se debió al físico Steve Weinberg quien logró con ello crear una teoría que unificaba las fuerzas nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnética. Sólo la correosa gravedad escapaba a esta genial unificación.

Según esta teoría todo queda reducido a dos familias, mejor dicho dos posibilidades, dos comportamientos únicos posibles para las unidades elementales que nos constituyen: las partículas.

Es bien sencillo de comprender. Expone que esas pequeñas partículas (imaginémoslas pequeñas bolitas materiales) presentan la capacidad de generar un campo magnético a su alrededor, hecho que se conoce como spin. La teoría supone que en la naturaleza existen dos grandes grupos: las partículas que posen spin 1/2 o fermiones y aquellas con spin 1, los bosones. Esta insignificante diferencia en esta propiedad las hace tremendamente diferentes, encomendándoles una de las dos posibles misiones de la naturaleza.


Los fermiones o particulas con un spin de 1/2 son aquellas partículas que poseen masa y, por lo tanto que constituyen el mundo material tal como lo conocemos. Son las componentes de los átomos.

Como bien sabemos, los átomos se componen de dos partes totalmente diferentes: el núcleo, que alberga la mayor parte de la masa, y la corteza electrónica. Por tanto, la familia de los fermiones distingue entre partículas que componen el núcleo o quarks y las partículas de la corteza, los leptones, entre los que se encuentra el electrón.
Los quarks se caracterizan por poseer carga fraccionaria mientras que los leptones poseen carga -1 o 0, es decir, entera.
Los quarks son de gran importancia ya que son los responsables de la existencia de los protones y neutrones atómicos. Son los componentes elementales de estos. Quedan agrupados en tres parejas posibles dependiendo de su estabilidad energética. La pareja más estable, es decir la de menor energía es la que compone la materia tal cual la conocemos. Es la pareja Up/Down. Se han descubierto otras dos más: Charm/Strange y Top/Bottom. Volviendo al núcleo, los protones se componen de dos quarks up y un down. Los neutrones de un up y dos down. Como los quarks down tienen carga -1/3 y los up, +2/3 se explica el porqué a que la carga del neutrón sea de 0 y la del protón de +1.
Por otro lado, y todavía dentro de este mundo material que representan los fermiones, se encuentran los leptones, partículas de carga entera. Al igual que los quarks encontramos diferentes leptones según su energía y estabilidad. Como es de esperar, la partícula de menor energía es la que constituye las cortezas atómicas: el electrón. Existen dos estados energéticos mayores en los leptones: los muones y los tauones. Sin embargo, la familia de los leptones no quedaría completa sin los los neutrinos correspondientes: el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico.
Todas estas partículas presentan sus antipartículas correspondientes, las cuales consisten en partículas de igual masa y de carga contraria a aquella de la que proceden. Por ejemplo, el positrón o antielectrón tiene la misma masa que el electrón y carga +1. Asimismo, también existen antiquarks. Todas estas antipartículas constituyen la conocida como antimateria.

Sin embargo, hasta ahora no hemos hecho más que hablar de partículas materiales. Si sólo nos compusiéramos de partículas materiales no existiríamos ya que los fermiones de los que hemos hablado necesitan interaccionar entre sí para componer unidades elementales mayores (átomos, moléculas, etc). Los fermiones interaccionan unos con otros gracias a la existencia de otras partículas, los bosones, que carecen de masa y carga.

Los bosones son las partículas mediadoras de la fuerza. Carecen de carga y masa, pero poseen un spin de 1. Gracias a ellas existen las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: nuclear débil, nuclear fuerte, gravitatoria y electromagnética. La naturaleza necesita las fuerzas para funcionar, al igual que un automóvil el combustible. Los bosones, también conocidos como bosones de Gauge son: para la fuerza nuclear fuerte, el gluón, para la débil, las partículas W+ , W- y Z0 y el fotón como mediador de la fuerza electromagnética. Asimismo, existen otros tipos de bosones conocidos como mesones, tales como el kaón y el pión, que forman parte de la obsoleta teoría del intercambio mesónico formulada por el japonés Hidei Yukawa.

Por tanto, nuestro mapa de partículas queda completo: tenemos a las responsables de la materialidad y a aquellas que median las fuerzas. Sin embargo, necesitó de dos pequeños ajustes que a día de hoy están siendo sometidos a experimentación.

Por un lado, y como algo exitoso, esta teoría permitió unificar bajo una misma ecuación a las dos fuerzas nucleares (fuerte y débil) y al electromagnetismo, creando una teoría del "casi todo". Pero en esa ecuación aparecía un valor desconocido que corresponde con una partícula aún no descubierta. Esa partícula ha sido bautizada como bosón de Higgs, o más recientemente "partícula de Dios" y se postula que es la responsable de la existencia de la masa. Estas partículas inundarían el espacio-tiempo, siendo la masa ni más ni menos la dificultad de desplazamiento que experimentarían los fermiones al toparse con este océano bosónico. Actualmente, dos grupos de científicos rivales trabajan contrarreloj en dos aceleradores de partículas. Uno en el Tevatrón del Fermilab, en EEUU, el otro en el LHC del CERN, en Suiza. A día de hoy, el Fermilab es el que posee más posibilidades de ver el rostro de Dios, tras los recientes problemas técnicos acontecidos en el CERN.

Por otro lado, la unificación entre la fuerza electrodébil (nuclear débil + electromagnetismo) y cromodinámica cuántica (nuclear fuerte) no es exactamente perfecta si consideramos la teoría íntegramente como la hemos expuesto. Para que todas las ecuaciones funcionen a la perfección se hace necesaria la introducción de la supersimetría, es decir, la suposición de partículas indetectables que serían exactamente iguales a las anteriormente citadas. Aunque parezca algo que da complejidad a la teoría, simplifica enormemente los cálculos y la exactitud de la teoría. Además, permite dar una explicación a la existencia de la materia oscura, es decir, de materia indetectable (no debemos confundir la materia oscura con la antimateria. Ésta última es detectable y de hecho es utilizada en Medicina Nuclear en la técnica de la tomografía por emisión de positrones (PET)). El descubrir éstas pártículas supersimétricas es otra de las investigaciones que tanto el Fermilab como el CERN están llevando acabo actualmente.

El modelo estándar nos resulta familiar y fácil de comprender. Sin embargo, a pesar de sus éxitos sigue sin lograr la unificación entre la fuerza gravitatoria y las otras tres. Aún queda sin resolver, aquello que tanto preocupa a los físicos: el llegar a una teoría del todo que no unifique tres fuerzas sino las cuatro. El modelo estándar se nos queda corto. Sin embargo, una teoría muy controvertida, aunque cada vez con más adeptos, logra unificar todas las fuerzas de la naturaleza: se trata de la teoría de cuerdas. Su demostración definitiva se está poniendo también a prueba tanto en el CERN como el Fermilab.

La organogénesis: ¿milagro divino o simplemente física?

Resulta difícil pensar cómo a partir de un puñado de células se puede dar lugar a organismos tan complejos, los cuales se encuentran constituidos por agrupaciones de tejidos conocidas como órganos. Como bien sabemos, cada uno de estos órganos es un auténtico mundo si lo comparamos con otro. El tipo de células parenquimatosas, las capas de tejido o su función varían considerablemente de uno a otro. Asimismo, la complejidad interna de estos órganos resulta cuanto menos intrincada y laberíntica.

Pero, ¿qué provoca que las células embrionarias pluripotenciales se diferencien?, ¿qué les indica que se transformen en un tipo u otro? y aún más intrigante ¿a qué se debe la ordenación casi milimétrica existente entre cada uno de ellos?

Para poder explicar este fenómeno aparentemente mágico, comenzaremos desde el momento de la fecundación.

Una vez acontecida la unión entre el material genético procedente del progenitor A y el progenitor B tiene lugar la formación del huevo o cigoto, una célula diploide. Esta célula se encuentra indiferenciada: es lo que se conoce como célula pluripotencial o célula madre. Esta célula cigoto sufre múltiples divisiones convirtiéndose en una mórula pluricelular. Esto que queda aquí descrito es la primera fase del desarrollo embrionario: la segmentación.

Una vez acabada la fase de multiplicación del cigoto tiene lugar la gastrulación. En esta etapa, la masa de células indiferenciadas sufre una primera y ligera diferenciación previa a la organogénesis. Asismismo, adquieren una disposición particular. De forma resumida, las células se disponen en tres capas, que desde dentro hacia afuera son llamadas endodermo, mesodermo y ectodermo. Estas se encuentran rodeando a una cavidad interna de la gástrula conocida como gastrocele o arquénteron cuya salida al exterior es llamada gastroporo.

Pues bien, ahora llega el milagro "físico". El proceso en el cual las capas celulares de la gástrula dan lugar a complejos órganos que, cabe resaltar, nada se parecen al puñado de células iniciales.

El proceso de la organogénesis es consecuencia de la diferenciación celular, es decir, los órganos surgen porque las células pluripotenciales embrionarias se transforman en células especializadas. En este proceso, las células cambian sus rutas metabólicas biosintéticas y su conformación estructural. Para lograr esto transcriben sólo una parte de su ADN, mientras que el resto lo dejan inactivo. Esto ocurre gracias a la existencia de unas proteínas específicas llamadas factores de transcripción que se encuentran en el interior celular. Los factores de transcripción son específicos, uniéndose al gen promotor concreto que se encuentra en el comienzo de la secuencia de ADN que ese tipo celular transcribe. Como puede deducirse, cada tipo celular tiene su propio factor de transcripción que provoca la expresión de los genes implicados en su morfología y funcionamiento.

Pero queda algo por responder: ¿qué indica a la célula que debe diferenciarse en un tipo u otro? y ¿de dónde procede esta señal? Vayamos por partes.

La señal es externa, más concretamente una proteína que se encuentra bañando la gástrula conocida como activina. Esta proteína es la que provoca que las células se diferencien y la que determina que las células se conviertan en un tipo u otro. Esto último se debe a un gradiente de concentraciones. La gástrula es más o menos redondeada, por lo que gravitacionalmente, la cantidad de activina será mayor en la parte inferior (el conocido como polo vegetal) que en la parte superior (el llamado polo animal). Dependiendo de la concentración de activina que rodee a la célula está tomará un rumbo vital u otro.

La relación de esto último con los factores de transcripción antes descritos es sencilla. Se trata de una simple transducción de señales proteicas hacia el interior de las células. La activina se une a los receptores de membrana de las células, lo que provoca la aparición de una serie de proteínas que finalmente activan el factor de transcripción correspondiente. Dependiendo de la concentración de activina que bañe las células, la cantidad de esta sustancia que se una a los receptores de membrana será diferente y por tanto, las proteínas que como consecuencia de la transducción de la señal se configure. Esta diferencia de proteínas activadoras como consecuencia de la diferente concentración de activina es lo que de forma específica activa un factor de transcripción u otro y lleva a las células a diferenciarse en células hepáticas, cerebrales o cardíacas.

El conociemiento del proceso de la organogénesis es de vital importancia. De hecho, el profesor Asashima de la Universidad de Tokyo y su grupo de investigación estudian como aplicar este proceso para la obtención de órganos in vitro que posteriormente puedan ser trasplantados a las personas.