Teoría de las Cuerdas

Astronomía. Física. Átomo. Planeta Tierra. Espacio. Universo. Big Bang. Evolución. Búsqueda de la unificación. Físicos. Gariele Veneziano. Dimensiones adicionales. Agujeros de gusano

  • Enviado por: Humbert Costas
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Teoría de Cuerdas

Introducción

La Teoría de Cuerdas es un modo para describir cada fuerza y toda la materia desde un átomo a la Tierra o los confines del universo, desde el inicio de los tiempos hasta el instante final. Una teoría única que lo explicaría todo. La solución esta en las cuerdas: unas pequeñas partículas de energía que vibran como un violín.

Todo empezó con una manzana. El logro de las ecuaciones de Newton se produjo gracias a la necesidad de comprender los planetas y las estrellas. Einstein proporciono al mundo una nueva imagen de lo que representa la fuerza de la gravedad. Los defensores de la teoría de las cuerdas han llegado mas lejos que el.

Hace 50 años Einstein buscaba una sola teoría que explicara el funcionamiento de todo el universo. Pero no consiguió unificar todas las leyes de la naturaleza.

El concepto básico de la Teoría de Cuerdas es muy sencillo, asegura que todo en nuestro universo, desde la estrella más lejana a la partícula más pequeña esta formado por un solo ingrediente: unos minúsculos hilos de energía llamados cuerdas. Igual que las cuerdas de un violín pueden generar infinidad de notas musicales, estos hilos vibran de numerosas maneras para formar todos los componentes de la naturaleza. En otras palabras, el universo es una especie de sinfonía cósmica que suena al compás que marcan estos minúsculos hilos de energía. La Teoría de Cuerdas es aun muy reciente, pero ya nos ha mostrado una imagen completamente nueva del universo. Pero, ¿que nos hace pensar que podemos comprender la complejidad del universo y que podemos resumirla en una teoría para todo? La física moderna asegura que somos capaces de ello. La unificación supondría formular una ley que describiera todo lo que conocemos en este universo a partir de una sola idea, una ecuación única. Se cree que dicha ecuación puede existir, ya que en el transcurso de los últimos 200 años nuestros conocimientos acerca del universo nos han aportado una serie de explicaciones que apuntan en la misma dirección, todas parecen convergir en un único concepto que aun se esta buscando. La unificación es la clave y objetivo de la física actual.

Recorrido histórico

La búsqueda de la unificación comenzó con el accidente más famoso de la historia de la ciencia. La anécdota cuenta que un día de 1665 un joven sentado en la base de un árbol cuando de repente vio como caía una manzana de el. El desprendimiento de aquel fruto sirvió para que Newton revolucionara nuestro concepto del universo. Aseguró que la fuerza que atraía a las manzanas hacia el suelo y la que mantenía a la Luna en la órbita terrestre eran la misma. En un solo paso Newton había unificado el cielo y la Tierra en una teoría que llamó gravedad. Una ley única que rige los movimientos de los planetas, las mareas y la caída de la fruta.

La gravedad fue la primera fuerza que comprendimos científicamente. A pesar de que fue descubierta hace más de 300 años, las ecuaciones que la describían realizaban predicciones tan exactas que las seguimos usando. De hecho gracias a estas ecuaciones, los expertos lograron diseñar la trayectoria del cohete que aterrizó en la Luna.

A mediados del siglo XIX la electricidad y el magnetismo parecían relacionarse, algo que los inventores, como Morse, aprovecharon para sus creaciones como el telégrafo. Una señal eléctrica que se enviaba a través de un cable hasta un imán situado a miles de kilómetros de distancia producía los conocidos puntos y rayas. Pero la ciencia fundamental que lo hacia funcionar seguía siendo un misterio. Para Maxwell la relación entre electricidad y magnetismo era tan evidente en la naturaleza, que la unificación era necesaria. Cuando se produce una corriente de partículas con carga eléctrica como un rayo, se crea un campo magnético (este efecto se puede comprobar con una brújula). Maxwell formuló cuatro ecuaciones que unificaban la electricidad y el magnetismo en una única fuerza llamada electromagnetismo. Ese avance fue otro ejemplo de que fenómenos diferentes nacían de un mismo componente básico o de una partícula única.

A principios de siglos, Albert Einstein, descubrió que la velocidad de la luz es una especie de límite cósmico que nada en el universo puede superar. En ese momento se estaba enfrentando al padre de la gravedad, ya que ese concepto contradecía la teoría de la gravedad de Newton. Para comprender este conflicto tenemos que imaginar que de repente el sol se vaporiza y desaparece por completo. Según Newton los planetas saldrían inmediatamente de sus orbitas y se perderían en el espacio. Newton creía que la gravedad era una fuerza que actuaba instantáneamente a cualquier distancia, de modo que sentiríamos los efectos de la destrucción del Sol de manera inmediata. Einstein encontró un gran problema en la teoría de Newton. La luz no viaja instantáneamente, si había demostrado que nada viaja más rápido que la luz, ¿cómo podría salirse de órbita la Tierra antes de que la oscuridad causada por la destrucción del Sol llegara a nuestros ojos? Einstein consiguió resolver este dilema con un nuevo concepto donde la gravedad no superaría el límite de velocidad cósmica. La respuesta fue una nueva forma de unificación. Einstein dio con la teoría de las 3 dimensiones espaciales y la dimensión única temporal unidas en un solo tejido espacio-temporal que vendría a ser igual que la superficie de una cama elástica cuando se corva y se estira debido a objetos pesados como los planetas y las estrellas. Es esta curvatura del espacio-tiempo la que crea lo que llamamos gravedad. La Tierra no se mantiene en órbita porque el Sol ejerza su atracción de manera instantánea, sino porque sigue las curvaturas del tejido espacial causadas por la presencia solar. Volviendo a la catástrofe cósmica con este nuevo concepto, si desaparece el Sol, la perturbación gravitacional provoca una ola que viaja por el tejido espacial (del mismo modo que al lanzar una piedra a un lago). No percibiríamos ningún cambio en nuestra órbita alrededor del Sol, hasta que esa ola no alcanzara nuestro planeta. Einstein calculó que estas ondas gravitacionales viajan exactamente a la velocidad de la luz. Con esta nueva teoría resolvió el conflicto con Newton y además proporcionó al mundo una nueva forma de ver lo que es la fuerza de la gravedad: curvaturas y pliegues en un tejido del espacio y el tiempo. Lo bautizó como Relatividad General.

Einstein estaba seguro de que si podía unificar su teoría de la relatividad con las ecuaciones de Maxwell daría con una ecuación única que describiría el universo por completo. Pero al investigar para unificar el electromagnetismo con la gravedad, fue descubriendo que las diferencias entre ambas fuerzas, superaban sus similitudes. Solemos creer que la gravedad posee una fuerza descomunal, pero si la comparamos con el electromagnetismo no deja de ser bastante débil. Por ejemplo, si lanzamos un objeto desde un edificio, ¿Por qué al llegar a la acera no la atraviesa hasta alcanzar el centro de la Tierra? La respuesta está en el electromagnetismo. Todo lo que percibimos, está compuesto de pequeñas partículas de materia llamadas átomos. La capa externa de un átomo contiene una carga eléctrica negativa. De modo que cuando los átomos del objeto colisionan con los del cemento, las cargas eléctricas se repelen con tal fuerza que un fragmento tan pequeño de acera es suficiente para resistir toda la gravedad de la Tierra y evitar que el objeto siga cayendo. La fuerza electromagnética es millones de veces superior a la fuerza de gravedad.

Puede parecer extraño porque la gravedad es la que nos mantiene con los pies en el suelo y permite que la Tierra gire alrededor del Sol, pero sólo es capaz de ello porque actúa sobre enormes masas de materia. En lo que se refiere a átomos individuales, la gravedad resulta una fuerza extremadamente débil.

Cuando Einstein apenas había comenzado a investigar, vio como unos drásticos cambios en el mundo de la física le dejaban atrás.

En los años 20, un grupo de jóvenes científicos, dieron con un modo rompedor de considerar la física. Su visión del universo era tan peculiar que hacia que la ciencia ficción pareciera real y logró que Einstein se replanteara la idea de la unificación.

Con Niels Bohr a la cabeza, un grupo de científicos descubrieron que el átomo no era la partícula más pequeña de la naturaleza. Descubrieron que los átomos constaban de protones, neutrones y electrones. Las teorías de Einstein y Maxwell quedaron obsoletas para explicar la extravagancia con la que estas pequeñas partículas se relacionaban dentro del átomo. La gravedad no servía para nada porque era demasiado débil, y la electricidad y magnetismo tampoco servia.

A finales de los años 20 desarrollaron la mecánica quántica. Las teorías de Einstein implican que el universo es ordenado y predecible. Pero según Bohr en el mundo atómico reina la incertidumbre y solo podemos predecir las posibilidades entre un enlace u otro. Las leyes del mundo quántico son muy diferentes de las que conocemos, nuestras experiencias son muy distintas de las que veríamos en un mundo quántico. Durante casi 80 años la mecánica quántica ha demostrado que lo extraño y peculiar es muy habitual en el comportamiento de nuestro universo a escalas microscópicas. En el mundo quántico todo funciona al azar. La mecánica quántica sugiere que cualquier posibilidad puede darse, solo que sucede en universos paralelos al nuestro.

Einstein nunca dejó de creer que el universo se comporta de una forma definida y predecible. Se resistía a la idea de que sólo podemos calcular las posibilidades de un desenlace u otro. Por eso Einstein decía: “Dios no juega al azar”. Pero los experimentos demostraban que la mecánica quántica describía el funcionamiento del mundo a escala subatómica. La mecánica quántica es sorprendentemente acertada, nunca se ha llegado a través de ella a una predicción que resultara errónea tras un experimento.

En 1930 la meta de unificación de Einstein se venía abajo mientras la mecánica quántica desvelaba los secretos del átomo. Los científicos descubrieron que la fuerza de la gravedad y la fuerza electromagnética no eran las únicas fuerzas que regían el universo. Al investigar acerca de la estructura del átomo descubrieron dos fuerzas más. Una, la fuerza nuclear fuerte, que actúa como el “pegamento”, y mantiene unido el núcleo de cada átomo y agrupa protones y neutrones. La otra, la fuerza nuclear débil, que permite que los neutrones se conviertan en protones emitiendo una radiación durante el proceso. En lo que se refería a la quántica, la fuerza que mejor se conocía, la gravedad, quedaba totalmente ensombrecida por el electromagnetismo y estas dos nuevas fuerzas. En 1945 su energía se liberó en un acontecimiento que cambiaría el curso de la historia. Se detonó la primera bomba atómica. A penas media un metro y medio de diámetro, pero aquella bomba albergaba una potencia equivalente a 20 toneladas de TNT. Con aquella gigantesca explosión, los científicos liberaron la fuerza nuclear fuerte, la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el interior del núcleo del átomo. Al destruir la unión de aquellas partículas y dividir el átomo se libera una cantidad inimaginable de energía destructiva. Aún se pueden detectar los restos de aquella explosión mediante la otra fuerza nuclear, la débil, ya que ésta es la responsable de la radioactividad. Hoy en día, más de cincuenta años después, los niveles de radiación siguen siendo unas diez veces superiores a los normales. Así que a pesar de compararlas con el electromagnetismo y la gravedad, las fuerzas nucleares actúan a escalas mucho menores, su impacto en la vida diaria es igual de profundo. Pero, ¿qué pasa con la gravedad? ¿y con la relatividad general de Einstein? ¿Dónde encaja en el mundo quántico? La mecánica quántica nos muestra que todas las fuerzas de la naturaleza excepto la fuerza de la gravedad funcionan a escala microscópica, no se ve el efecto de la gravedad en lo que se refiere al átomo y a las partículas subatómicas. Nadie podía unificar la relatividad general con la mecánica quántica. Durante décadas, todos los esfuerzos para describir la fuerza de gravedad del mismo modo que el resto de fuerzas, el de la mecánica quántica habían fracasado. Se supone que las leyes de la naturaleza se cumplen en todas partes, así que tanto las teorías de Einstein como las de la mecánica quántica se cumplen siempre, resulta que tenemos dos siempres distintos.

En los años siguientes, la física se dividió en dos campos: por un lado el de la relatividad general, que estudia los objetos grandes y pesados como estrellas, galaxias y el universo, y por el otro, el que utiliza la mecánica quántica para analizar muestras más pequeñas como los átomos y las partículas. Parecía imposible combinar la relatividad general con la mecánica quántica en una única teoría que pudiera describir el universo en todas sus escalas. A pesar de ello, hemos realizado progresos muy significativos a la hora de comprender el universo. Pero hay un fallo, existen algunos terrenos del universo que no llegaremos a comprender por completo hasta que no demos con una teoría unificada. El mejor ejemplo para este fenómeno lo constituyen los agujeros negros. Karl Schwarzschild mencionó los agujeros negros por primera vez en 1916, mientras observaba las líneas enemigas en la primera guerra mundial, resolvió las ecuaciones de la relatividad de Einstein de un modo innovador y desconcertante. Entre cálculos de trayectorias de proyectiles, Schwarzschild, dedujo que una enorme cantidad de masa como la de una estrella, concentrada en un área muy reducida, absorbería el tejido espacio temporal, con tal fuerza, que nada, ni siquiera la luz, podría evitar su atracción gravitacional. Durante décadas los físicos no creyeron que los cálculos de Schwarzschild fueran más allá de la teoría pero hoy en día los telescopios que investigan las profundidades espaciales están descubriendo zonas con una atracción gravitacional enorme, que la mayoría de los científicos creen que pueden ser agujeros negros.

Si tratamos de averiguar lo que sucede en las profundidades de un agujero negro, dónde una estrella puede verse reducida a un minúsculo punto, ¿utilizamos la relatividad general por el enorme peso de la estrella, o, la mecánica quántica debido a su escaso tamaño?

Dado que el centro de un agujero negro es tan pequeño como pesado, resulta inevitable utilizar ambas teorías al mismo tiempo. Y si tratamos de combinar estas dos teorías en el terreno de los agujeros negros, se enfrentan. Con la teoría de cuerdas se cree que se ha dado con un medio para unir nuestras teorías acerca de los cuerpos mayores y de los objetos minúsculos. En lugar de múltiples partículas microscópicas la teoría de cuerdas afirma que todo en el universo, todas las fuerzas y toda la materia esta compuesta por un solo ingrediente, unos minúsculos hilos de energía vibrantes conocidos como cuerdas. Una cuerda puede contonearse de muchas maneras, pero un punto no. Los diferentes serpenteos de la cuerda representarían las distintas partículas elementales. La unificación de fuerzas y partículas se daría porqué todas provienen de la misma cuerda básica.

Nuestro concepto del universo se basa en dos teorías diferentes, una es la teoría general de la relatividad de Einstein y la otra la mecánica quántica. Son increíblemente fiables en su propio campo, pero al intentar combinarlas no se encuentra ninguna solución posible. Tomemos como ejemplo el principio del universo, el Big Bang. En aquel momento una pequeña partícula estalló con violencia, durante los siguientes 14.000 millones de años, el universo se expandió enfriándose hasta formar las estrellas, planetas y galaxias que vemos hoy en día. Pero si retrocedemos en el tiempo, el universo empieza a reagruparse. De modo que el universo pierde tamaño, aumenta su temperatura y densidad mientras se acerca de nuevo al inicio de los tiempos. Al alcanzar el Big Bang, cuando el universo es extremadamente pesado y pequeño, nuestras dos leyes de la física, al combinarlas, se vienen abajo. Puede que un nuevo conjunto de teorías, llamado Teoría de Cuerdas, sea capaz de unificarlas. De ser correcta, supondría uno de los mayores logros de la historia de la ciencia.

Pero, ¿por qué resulta necesario rescribir las leyes de la física para seguir adelante? ¿Qué importancia tiene la incompatibilidad de ambas teorías? Antes de responder ha estas preguntas, veamos porque se contradicen.

Por un lado tenemos los objetos de mayor tamaño: para describir el universo a gran escala, utilizamos una serie de leyes, la teoría general de la relatividad de Einstein, que explica la gravedad. Nos muestra el espacio como una especie de cama elástica, un suave tejido que los cuerpos pesados, como las estrellas o los planetas, pueden deformar y estirar. Según esta teoría, dichas curvaturas generan lo que sentimos como la gravedad. Es decir, la atracción gravitacional que mantiene en su órbita a la Tierra alrededor del Sol, no es más que nuestro planeta siguiendo los contoneos que el Sol forma en el tejido espacial. Pero el espacio va mucho más allá de esta versión tan agradable, suave y delicada que describe la teoría de la relatividad. Para comprender el universo de lo extremadamente pequeño debemos utilizar otras leyes, la mecánica quántica. Ésta nos aporta una visión muy diferente de la relatividad general, que parece que cada una describe un universo totalmente distinto. Al adentrarnos en el terreno de lo microscópico, la imagen del espacio en la que todo se comporta de un modo predecible, se transforma en una estructura mucho más insegura. Si reducimos nuestro tamaño hasta aparecer miles de millones de veces más pequeños que las partículas de materia más diminutas, como los átomos y sus componentes, las leyes de este entorno, la mecánica quántica, aseguran que el tejido del espacio se vuelve accidentado y caótico. Al final, llegamos a un mundo tan turbulento que parece desafiar al sentido común. Aquí, el espacio y el tiempo se modifican y distorsionan tanto que los conceptos tradicionales como izquierda y derecha, arriba y abajo, antes y después, se desmoronan. En el mundo de la quántica no se puede analizar todo, se trata de un mundo intrínsicamente salvaje y frenético.

El concepto variante y nervioso de espacio y tiempo descrito por la mecánica quántica es radicalmente distinto al tranquilo, ordenado y geométrico del que trata la relatividad general. Lo que necesitamos es una teoría que abarque tanto lo microscópico y lo gigantesco al mismo tiempo, que no se venga nunca abajo.

Evolución de la Teoría de Cuerdas

A finales de los 60, un joven físico italiano, Gabriele Veneziano, buscaba un grupo de ecuaciones que explicara la fuerza nuclear fuerte. Este pegamento tan fuerte que mantenía unidos los protones y neutrones del núcleo de cada átomo. Parece ser que por casualidad se encontró con un libro antiguo de matemáticas y en su interior encontró una ecuación de más de 200 años de antigüedad creada por un matemático suizo llamado Leonhard Euler. Veneziano descubrió con asombro que las ecuaciones de Euler, consideradas desde siempre una simple curiosidad matemática, parecían describir la fuerza nuclear fuerte. Después de un año de trabajo, se podría decir, que elaboraron la Teoría de Cuerdas de manera fortuita. Tras circular entre compañeros, la ecuación de Euler acabó escrita frente a Leonard Susskind, quien se retiro a su ático para investigar. Creía que aquella antigua fórmula describía matemáticamente la fuerza nuclear fuerte, pero descubrió algo nuevo. Lo primero que descubrió fue que describía una especie de partícula con una estructura interna que vibraba y que mostraba un comportamiento que no se limitaba al de una partícula puntual. Dedujo que se trataba de una cuerda, un hilo elástico, como una goma cortada por la mitad. Esta cuerda se estiraba y contraía además de ondear y coincidía exactamente con la fórmula. Susskind redactó un artículo donde explicaba el descubrimiento de las cuerdas, pero nunca llegó a publicarse.

La ciencia consideraba que todas las partículas eran puntos y no cuerdas. Durante décadas, los físicos habían observado el comportamiento de las partículas microscópicas haciéndolas chocar a velocidades muy elevadas para investigar las colisiones. Estas investigaciones les permitieron descubrir que la naturaleza era mucho más rica de lo que pensaban. Después de muchos ensayos y pruebas, los científicos descubrieron los componentes básicos de la materia. Pronosticaron que las fuerzas de la naturaleza se podrán llegar a explicar mediante las partículas.

Supone un concepto bastante peculiar. Es como un juego donde dos partículas de materia juegan a pasarse una partícula, llamada partícula mensajera. Por ejemplo, en el caso del magnetismo, la partícula electromagnética sería un fotón. Cuantas más partículas mensajeras o fotones intercambien entre ellas, mayor será la atracción magnética. La ciencia predijo que la causa de la fuerza que sentimos es ese intercambio de partículas mensajeras. Los experimentos confirmaron estas predicciones con el descubrimiento de las partículas mensajeras del electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Al tratar con estas partículas de reciente descubrimiento, los científicos se acercaban al sueño de Einstein de unificar las fuerzas. Los físicos que estudiaban las partículas razonaron que si rebobináramos en el tiempo hasta los momentos previos del Big Bang, hace unos catorce mil millones de años, cuando la temperatura del universo era billones de grados superior, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil serían imperceptibles. Se fundirían para formar una nueva fuerza llamada electro-débil. Los físicos consideran que si reculan más en el tiempo, la fuerza electro-débil se uniría a la fuerte en una gran súper-fuerza. Aunque no ha sido demostrado, la mecánica quántica ha podido explicar como tres de las fuerzas a nivel subatómico. Dieron con una teoría plausible para la física de las partículas más elementales, que permitía explicar todas las relaciones entre la débil, la fuerte y la electromagnética de un mismo modo. Todo convergía hacia un concepto muy simple de las partículas y fuerzas conocidas, que pasó a conocerse como modelo estándar. Por ello recibieron el premio Nobel. Pero, a pesar de que el modelo explicara tres de las fuerzas que rigen el mundo de lo minúsculo, no incluía la fuerza más familiar de todas, la gravedad.

El modelo estándar eclipsó a la teoría de cuerdas. La mayoría de físicos perdió el interés por la teoría de cuerdas. Las teorías parecían carecer de sentido, porqué había una partícula sin masa que no se llegaba a ver en los experimentos, requería diez dimensiones, había partículas que viajaban a mayor velocidad que la luz, etc.

En 1973 sólo algunos físicos jóvenes seguían con la teoría de las cuerdas, entre ellos John Schwarz. Intentaba resolver algunos de sus numerosos problemas como la misteriosa partícula sin masa, además de otras anomalías o incongruencias matemáticas. Después de cuatro años de trabajo con la teoría de cuerdas cuando se le ocurrió que aquellas ecuaciones podían estar describiendo la gravedad. Eso significaba que tenían que reconsiderar el tamaño de aquellos hilos de energía. Al suponer que el tamaño de las cuerdas era billones de veces más pequeñas que un átomo, uno de los defectos de la teoría pasaba a ser una virtud. Aquella partícula sin masa parecía ser el gravitón. La codiciada partícula que supuestamente transmitía la gravedad en el nivel quántico. La teoría de cuerdas había encontrado la pieza del rompecabezas que le faltaba al modelo estándar. Schwarz envió un artículo a cerca del funcionamiento de la gravedad en los niveles subatómicos, pero la comunidad científica no lo llegó a publicar. Pero Schwarz pensaba que si la teoría explicaba el funcionamiento de la gravedad a nivel quántico, tenía que ser la llave de la unificación de fuerzas.

A principios de los ochenta, Schwarz y Michael B. Green se propusieron resolver todas las anomalías matemáticas. La teoría de cuerdas estaba plagada de anomalías matemáticas. Tras cinco años, en 1984, lograron culminar su trabajo demostrando matemáticamente que la teoría de cuerdas quedaba libre de anomalías. Dedujeron que la teoría, además de explicar la gravedad, también explicaban el resto de fuerzas. Se trataba de una posible unificación. En este caso, la reacción de la comunidad científica fue totalmente positiva. La teoría fue bautizada como La Teoría de Todo. Esta nueva versión de la teoría de cuerdas parecía describir todos los componentes básicos de la naturaleza.

Teoría de Todo

Dentro de cada porción de materia hay miles de billones de átomos. Cada átomo está formado por elementos más pequeños, electrones en órbita de un núcleo formado por protones y neutrones. Estos, constan de partículas más diminutas llamadas quarks. Pero la teoría de cuerdas indica que aquí no acaba todo. Afirma que estas partículas, que lo forman todo en el universo, constan de unos ingredientes aun más pequeños. Pequeños hilos de energía vibrantes que parecen cuerdas. Cada una de estas cuerdas es sorprendentemente pequeña. De hecho, si agrandáramos un átomo hasta tener el tamaño del sistema solar, una cuerda sería como un árbol. Éste es el concepto clave. Del mismo modo que las diferentes vibraciones en la cuerda de un violín crean lo que percibimos como notas musicales, las cuerdas vibran de distintas maneras y dotan a las partículas de sus propiedades únicas, como la masa y la carga. Por ejemplo, la única diferencia entre nuestras partículas y las que transmiten la gravedad y el resto de fuerzas es el modo en el que vibran estas cuerdas. Al estar formado por una increíble cantidad de estas cuerdas vibratorias, el universo se podría describir como una gran sinfonía cósmica. Esta elegante teoría resuelve el conflicto entre nuestra inestable e impredecible imagen del espacio a escala subatómica y el concepto de tranquilidad del espacio a gran escala.

Se trata de la inestabilidad de la mecánica quántica contra la suavidad de la teoría general de la relatividad. Resulta muy difícil unificarlas y hacerlas coincidir. Lo que hace la teoría de cuerdas es calmar los altibajos de la mecánica quántica. Los allana al tomar el concepto clásico de una partícula puntual y estirarla para formar una cuerda. De manera que la agitación sigue presente, pero con la tranquilidad suficiente para que la teoría quántica y la relatividad general puedan fundirse en este tipo de marco. Pero esta nueva teoría tiene un punto débil: ningún experimento real puede comprobar lo que ocurre a estas escalas. No se puede observar nada acerca de partículas tan diminutas, ni de energías tan fuertes. Es decir, no hay forma de demostrar ni análisis posible que asegure que están equivocados. La teoría es segura, pero ¿es una teoría de la física o un pensamiento filosófico?

Agujeros de gusano

Imaginemos que podemos controlar el espacio o incluso el tiempo, podríamos hacer cosas increíbles viajando por el espacio y tiempo. La Teoría de Cuerdas mantiene que podremos comprender las dudas acerca de por qué el universo es como es a escala fundamental. Partiendo de la premisa de que todo esta formado por unos diminutos hilos de energía, las cuerdas, la Teoría de Cuerdas está cambiando nuestra forma de entender el cosmos, sobretodo en cuanto al espacio. Para comprenderlo hagamos un ejemplo imaginativo reduciendo el universo a un barrio como el Eixample de Barcelona. De modo que este barrio forma el tejido espacial al completo. Todos sabemos que el camino más corto entre dos puntos es la línea recta, pero aunque vayamos en línea recta, tardaremos un cierto tiempo en recorrer dicha distancia. Podemos reducir el tiempo del viaje aumentado la velocidad, pero dado que nada puede viajar más rápido que la luz, existe un límite al tiempo que podemos reducir el traslado. Este universo del Eixample, encaja con la versión más clásica y antigua del espacio, una superficie plana, estática e invariable. Cuando Einstein analizó el tejido del espacio comprobó que no era estático, se estiraba y combaba. Incluso podría tener unas peculiares estructuras en el espacio llamadas agujeros de gusano. Se trataría de puentes o túneles que podrían unir lejanas regiones del espacio. Pero para crear un agujero de gusano hay que rasgar o perforar el tejido espacial. Pero, ¿se puede rasgar el tejido espacial? Según la teoría de la relatividad general de Einstein, el espacio se puede estirar y combar, pero no romper. Quizás existan los agujeros de gusano completamente formados, pero no seríamos capaces de rasgar el tejido para crear uno nuevo.

Pero la Teoría de Cuerdas ha proporcionado un nuevo enfoque acerca del espacio. Para entenderlo, debemos observar el tejido espacial de más cerca, a nivel subatómico. En este mundo, el tejido espacial es aleatorio y caótico, quizás los agujeros y rasgaduras sean muy comunes. Pero si lo fueran, ¿qué evitaría que una grieta en el tejido causara una catástrofe cósmica? Aquí es donde entra la fuerza de las cuerdas, ya que éstas calman el caos. Una cuerda cerrada, al desplazarse por el espacio, puede formar un tubo. El tubo puede actuar como una burbuja que rodee las rasgaduras. Un escudo protector con grandes implicaciones porque las cuerdas harían posible que el espacio se rasgara. Esto querría decir que el espacio es mucho más dinámico que lo que pensaba Einstein. Aun así, se trata de una posibilidad muy lejana el hecho de poder rasgar el universo.

Dimensiones adicionales

Lo que hace que la teoría de cuerdas sea más difícil de demostrar, es que para cuadrar sus complejas ecuaciones necesitan de algo que parece extraído de la ciencia ficción: más dimensiones espaciales. Aseguran que la extravagante idea de las dimensiones adicionales puede ser más acertada de lo que pensamos.

Estamos acostumbrados a contar las dimensiones como: izquierda y derecha, adelante y atrás, arriba y abajo, y la hora.

Pero el concepto de las dimensiones paralelas se remonta a casi un siglo. En 1919 Theodor Kaluza, un matemático alemán, sugirió que quizás nuestro universo tenga otra dimensión, que por algún motivo, no alcanzamos a ver. Kaluza envió su concepto de la dimensión adicional a Albert Einstein. En un principio se interesó, pero más adelante se mostró pesimista con la idea y tardo más de dos años en publicar el artículo de Kaluza. En 1916, Einstein demostró que la gravedad no es más que surcos es el tejido espaciotemporal. Tres años más tarde, Kaluza propuso que el electromagnetismo podría ser otro surco. Para que aquello fuera cierto era necesario un lugar para que se originaran dichas arrugas. Así que propuso la dimensión oculta del espacio. Pero si estaba en lo cierto, ¿Dónde se encontraba esta dimensión adicional? Oscar Klein, compañero de Kaluza, sugirió una respuesta: no percibimos la nueva dimensión porqué, en un cierto sentido, se halla “enrollada” hasta alcanzar un tamaño minúsculo. Igual que un cable de electricidad visto de lejos parece tener una dimensión. Vistos desde más cerca pasaríamos a apreciar una segunda dimensión que envuelve al cable. Una hormiga podría deslazarse hacia delante y hacia atrás, pero también en sentido horario y anti-horario. Es decir, habría dos variantes de las dimensiones, pueden ser largas y extensas o diminutas y circulares como si envolvieran a las primeras. Kaluza y Klein sugirieron que el tejido de nuestro universo podría ser como la superficie del cable. Tendrían tanto como las grandes dimensiones (las tres que conocemos), como las pequeñas y envolventes. Son miles de millones de veces más pequeñas que un átomo, por eso no las vemos. Según esta idea podríamos estar viviendo en un universo con más dimensiones de las que alcanzamos a ver. Para saber como son estas dimensiones, tendríamos que reducir nuestro tamaño billones de veces para encontrarnos una diminuta dimensión envolviendo cada punto del espacio. Del mismo modo que una hormiga puede recorrer la dimensión circular, en teoría, una hormiga billones de veces menor, podría explorar esta pequeña y retorcida dimensión circular. El concepto de unas dimensiones adicionales que existen a nuestro alrededor es la base de la teoría de cuerdas. De hecho, los cálculos que la apoyan requieren seis dimensiones más, retorcidas y enrolladas de una manera compleja. Si aceptamos la teoría tal y como está en estos momentos, la conclusión es que las dimensiones adicionales existen y formarían parte de la naturaleza. Son dimensiones adicionales en el espacio, que son iguales a las que vemos a nuestro alrededor. Lo único que las diferencia entre ellas es la forma. Según la teoría de cuerdas esta forma es esencial. Si pudiéramos introducirnos en una de estas estructuras de seis dimensiones, veríamos como las dimensiones adicionales se trenzan y envuelven las unas con las otras, de manera que influyen en las vibraciones de las cuerdas, los ingredientes fundamentales del universo. Esta podría ser la clave para resolver uno de los misterios más profundos de la naturaleza.

Nuestro universo es una especie de máquina ajustada a la perfección. La ciencia afirma que hay unas veinte constantes fundamentales de la naturaleza que confieren al universo de las características que vemos hoy en día. Se trata de cifras que indican la masa del electrón, las fuerzas de gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil, etc. Mientras estos valores estén ajustados a los que valores que conocemos, obtendremos el universo que conocemos. Pero si variamos alguna de ellas, aunque solo sea un pequeño ajuste, las consecuencias serían dramáticas. Por ejemplo, si aumentáramos la fuerza electromagnética, los átomos se repelerían con mayor energía, y las fuerzas nucleares, que hacen que las estrellas brillen, se agotarían. Las estrellas, incluido el Sol, se extinguirían haciendo desaparecer a nuestro universo. ¿Qué es lo que ajusta el valor de estas veinte constantes con tanta precisión? La respuesta podría estar en la dimensión adicional de la Teoría de Cuerdas. Es decir, las diminutas y retorcidas estructuras de seis dimensiones hacen que una cuerda vibre de un modo para producir lo que apreciamos como un fotón, y que otra cuerda vibre de otro modo para crear un electrón. Según la teoría de cuerdas estas diminutas estructuras podrían determinar la forma de todas las constantes de la naturaleza, manteniendo afinada la sinfonía cósmica.

La Teoría M

En 1985 la teoría de cuerdas parecía imparable, pero los que trataban con ella se daban cuenta que se venía abajo. Con el tiempo, sus defensores fueron tan eficientes, que no elaboraron una teoría sino cinco versiones de la teoría de cuerdas. Cada una se basaba en las cuerdas y en las dimensiones adicionales, pero las cinco versiones no estaban afinadas. Había quien aseguraba que las cuerdas eran hilos abiertos, otros afirmaban que eran bucles cerrados, incluso había dos versión que requerían veintiséis dimensiones. Las cinco versiones parecían igual de válidas, pero ¿Cuál describía nuestro universo? Si hay cinco, puede que haya gente capaz de encontrar veinte, o quizás la cifra sea incalculable. Parecía que la teoría de cuerdas perdía fuerza de nuevo.

Edward Witten, preparando la conferencia anual sobre teoría de cuerdas de 1995, pensó en eliminar alguna de las cinco teorías. Elaboró una nueva y espectacular forma de contemplar la teoría de cuerdas. Desde el punto de vista de la nueva versión, la verdad es que no había cinco teorías diferenciadas. Lo que considerábamos como cinco teorías, no eran más que cinco enfoques de un mismo concepto. La teoría de cuerdas estaba por fin unificada. El trabajo de Witten supuso un trabajo tan revolucionario que recibió un nombre propio: La Teoría M. Con ella se renovaron las esperanzas de tener una teoría que lo pudiera explicar todo en el universo, pero no todo eran ventajas.

Antes de la Teoría M, el mundo parecía operar con diez dimensiones: una para el tiempo, las tres dimensiones del espacio y seis dimensiones más que no eran completamente invisibles. La Teoría M necesita otra dimensión espacial. Resulta casi imposible imaginarse las dimensiones adicionales ya que nuestro cerebro ha evolucionado apreciando las tres que vemos a diario. Para tratar de entenderlo, pensemos en una película de cine. Aunque los personajes de las películas parezcan tridimensionales, solo disponen de dos dimensiones, no pueden moverse adelante y atrás de la pantalla, es un efecto óptico. Para desplazarse en esa dirección, los personajes deberían atravesar la pantalla. Podemos entender que las dimensiones están relacionadas con las direcciones que podemos tomar, también llamados grados de libertad. Cuantos más grados de libertad, menos limitadas serán las acciones que se puedan realizar. Si realmente hay otra dimensión más, las cuerdas tendrán menos límites. Con esta nueva dimensión, se averiguó que estas teorías acogían objetos más grandes que las cuerdas. Se trata de una especie de membrana o superficie. Witten predijo que las cuerdas se podían estirar para formar una especie de membranas. Estas membranas podrían tener tres o más dimensiones. Si contara con la suficiente energía, una de ellas podría alcanzar un tamaño gigantesco, puede que tan grande como nuestro universo.

La existencia de membranas gigantescas y de dimensiones paralelas, ofrece la posibilidad de que nuestro universo puede que esté dentro de una membrana, alojado dentro de un espacio mucho más grande y con más dimensiones. Un ejemplo gráfico y mucha imaginación, sería como si viviéramos dentro de una barra de pan. Nuestro universo sería como una sola rebanada de pan dentro de un espacio extra mucho mayor. Si estas ideas son correctas, la barra de pan podría tener más rebanadas, es decir, otros universos situados a nuestro lado, universos paralelos. Algunos de ellos se parecerían a nuestro universo, podrían tener materia y planetas. Otros serían mucho más extraños, quizás se rijan por unas leyes de la física muy diferentes. Todos estos universos existirían en las dimensiones adicionales de la Teoría M. Supone un concepto muy revolucionario ya que ayudaría a resolver uno de los misterios de la ciencia moderna: la gravedad.

La debilidad de la gravedad

Han pasado más de trescientos años desde que Newton desarrollara la teoría de la gravedad. Hoy en día parece indudable que la gravedad es una fuerza muy poderosa, pero la verdad es que no es tan poderosa, se trata de una fuerza muy débil, sólo hay que pensar la facilidad con que superamos su fuerza al levantar cualquier objeto. A pesar de que toda la gravedad de la Tierra atrae un pequeño objeto al suelo, los músculos son capaces de superarla, incluso un imán puede superarla sin esfuerzo. Resulta que el electromagnetismo es mucho más fuerte que la gravedad. La electromagnética es unos mil billones, de billones, de billones de veces más fuerte. La debilidad de la gravedad a confundido a los físicos durante décadas, pero con la teoría de cuerdas, podemos observar este problema desde otro punto de vista. Puede que la gravedad sea tan poderosa como el electromagnetismo, pero por alguna razón no podemos sentir su fuerza. Para comprenderlo mejor, usaremos un ejemplo.

Veámoslo como una mesa de billar, una muy grande, pensando en la superficie de la mesa como un universo en tres dimensiones, aunque solo tenga dos. Interpretemos a las bolas de billar como a los átomos y el resto de partículas que forman el universo. Los átomos y partículas, que componen todo lo que nos rodea, se mantienen dentro de nuestra membrana, del mismo modo que las bolas de billar representan los componentes básicos del universo. Cuando las bolas colisionan, hay algo que siempre desborda la mesa: las ondas sonoras, por eso escuchamos el choque. La idea es que la gravedad puede ser como las ondas sonoras, quizás no esté limitada a nuestra membrana y puede que llegue a salir de nuestra parte del universo.

La Teoría M nos proporciona explica porqué la gravedad es tan débil. La respuesta está en la forma. Durante años, todo se centro en cuerdas cerradas, como gomas elásticas. Con la Teoría M, se cree que todo se compone por cuerdas abiertas, donde los extremos de cada una de ellas están sujetos a nuestra membrana tridimensional. Pero las cuerdas cerradas también existen y una de sus variedades es la responsable de la gravedad, llamada gravitón. Al formar un círculo cerrado, no hay punto de fijación, así que son libres de escapar hacia las otras dimensiones. Este hecho diluye el efecto de la gravedad haciéndola parecer más débil que el resto de fuerzas de la naturaleza.

Esto sugiere una intrigante posibilidad, puede que podamos sentir la gravedad de las membranas de otros universos paralelos. No sabemos muy bien si los universos paralelos pueden influir sobre nosotros, pero hay una idea muy polémica. Hay quién afirma que ya han desempeñado un papel muy importante.

Big Bang y Teoría M

Parece ser que el inmenso universo que conocemos fue muy pequeño. Increíblemente pequeño. Hasta que de repente se hizo más grande, muchísimo más grande, durante un dramático acontecimiento conocido como el Big Bang. El Big Bang amplió el tejido espacial y desencadenó una serie de acontecimientos que desembocaron en el universo que conocemos y apreciamos hoy en día. Pero esta teoría siempre tuvo una serie de problemas. Si reduces el universo a una unidad infinitesimalmente pequeña pero dotada de una densidad abrumadora, llega un momento en que nuestras leyes de la física se vienen abajo. Resultan simplemente ilógicas. Además de todo esto, está el estallido en si mismo. ¿Qué fue exactamente? El concepto clásico de la teoría del Big Bang no dice nada acerca de qué estalló, ni lo que ocurrió antes, ni las consecuencias.

Algunos defensores de la Teoría de Cuerdas han sugerido que el Big Bang no fue el inicio de todo. Tomemos la Teoría M como cierta, entonces vivimos en una membrana dentro de un espacio multidimensional donde hay más membranas, y todas ellas se mueven. Algunos científicos aseguran que la respuesta al acertijo del Big Bang radica en los movimientos de las gigantescas membranas. No es muy difícil imaginar que dos de estas membranas chocan entre si. Según esta idea, en algún momento anterior al Big Bang dos membranas que albergaban universos paralelos se precipitaron la una contra la otra hasta que chocaron. Toda esa energía tenía que ir a alguna parte. Así desencadenó el Big Bang, creando la expansión que conocemos y calienta todas las partículas del universo formando una enorme masa ardiente. Por ello, se puede decir que el Big Bang no fue un acontecimiento especial, sino que las membranas pueden colisionar repetidamente, es decir, puede que ocurra en el futuro. Se trata de una idea intrigante, pero hay bastantes problemas en ella. La verdad es que no se sabe muy bien lo que sucede cuando dos membranas colisionan. Podríamos dar con la misma situación que se produce con el choque de dos cuerdas, las ecuaciones no tienen sentido. Los modelos requieren demasiadas presuposiciones.

¿Ciencia o Filosofía?

Para que la Teoría de Cuerdas sea la que revele la verdad acerca del universo, tendrá que solucionar las dudas del Big Bang. El problema es que no llegamos a comprender del todo a la Teoría de Cuerdas. ¿Cómo podemos estar seguros de que el universo es tal y como lo describe la Teoría de Cuerdas?, ¿es esto diversión matemática o describe el mundo real? Todos estos ejercicios matemáticos se resumen a una pregunta muy sencilla, ¿se puede ver en un laboratorio?, ¿se pueden encontrar las pruebas?

Se supone que las cuerdas son diminutas, mucho más pequeñas que un átomo, así que lo más seguro es que no lleguemos a verlas nunca directamente. Pero aunque no lleguemos a observarlas, quizás veamos sus huellas. Si estaban en el inicio del universo, lo más seguro es que dejaran huellas o rastro en su entorno. Luego, tras el Big Bang, cuando todo se expandió, aquellas huellas se habrían agrandado del mismo modo que todo lo demás. De modo que si esto es cierto, quizás lleguemos a ver señales de las huellas en algún punto entre las estrellas. Incluso hay posibilidades de encontrar pruebas de la existencia de las cuerdas. En el laboratorio de FERMI, en Estados Unidos, se está trabajando en la búsqueda de las pruebas que sostengan a la Teoría de Cuerdas, incluyendo a las dimensiones adicionales. El FERMILAB dispone de un acelerador de partículas gigante. Los científicos aplican a los átomos de hidrógeno una enorme descarga eléctrica extrayendo los electrones, y lanzan a los protones a gran velocidad por un túnel subterráneo de más de seis kilómetros. Cuando se acercan a la velocidad de la luz se las hace colisionar con otras partículas que se desplazan en sentido opuesto. La mayoría de los choques son laterales, pero en ocasiones se produce un impacto directo. El resultado es una lluvia de partículas subatómicas. La esperanza es que entre estas partículas se encuentre una unidad de gravedad, el gravitón. Los gravitones, según la teoría de cuerdas, forman un círculo cerrado de modo que pueden flotar hacia una dimensión paralela. El mayor logro sería obtener una imagen de un gravitón en el momento de la fuga. El detector mostraría su ausencia de un momento a otro. Por desgracia, el FERMILAB aun no ha podido detectar al gravitón evanescente. Paralelamente el instituto CERN, en Europa, construye un acelerador de partículas será siete veces más potente que el de FERMI. El CERN, además de buscar las dimensiones adicionales, trabajara sobre otros conceptos, como la súper-simetría, una de las principales predicciones de la teoría de cuerdas. Lo que dice en resumen, es que todas las partículas subatómicas que conocemos como electrones, fotones o gravitones, deben de tener un equivalente mucho más pesado, que se denomina partícula S. Aún no han sido detectadas. El problema de las partículas S es que son increíblemente pesadas. Tanto que, los aceleradores de partículas que hay hoy en día, no las detectan. La nueva instalación del CERN tendrá muchas posibilidades en cuanto empiece a funcionar. Encontrar las partículas S no demostraría la Teoría de Cuerdas, pero nos indicaría que estamos en la dirección correcta.

Conclusión

Sin importar el resultado que nos depara la Teoría de Cuerdas, los científicos seguirán adelante. La humanidad siempre se ha guiado por la curiosidad, y exploramos lo desconocido, y dentro de cien o mil años el concepto actual del cosmos parecerá absolutamente incompleto. Pero sin duda, lo que llamamos Teoría de Cuerdas es un legado del poder de la creatividad humana. Ha abierto un nuevo espectro de posibles respuestas a unas preguntas históricas y con ello hemos realizado un intento de llegar a comprender este universo.

Referencias

  • CERN String Theory Reviews: