Teoria de cuerdas

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 antihorario. 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

NOVA: The Elegant Universe:
o
http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/

CERN String Theory Reviews:

FERMILAB News:
o
o
http://www.nuclecu.unam.mx/~alberto/physics/stringrev.html
http://www.eurekalert.org/features/doe/2003-10/dnal-ftl020904.php

Astroseti.org (posible evidencia de la Teoría de Cuerdas):

Innovations Reports:
o
o
http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=1029
http://www.innovations-report.com/html/reports/physics_astronomy/report-30177.html

Centauri Dreams:

Banff International Research Station:
o
o
http://www.centauri-dreams.org/?p=114
http://www.pims.math.ca/birs/birspages.php?task=displayevent&event_id=06rit102

The Quantum Quark:

Noticias del Cosmos:
o
o

http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=123
http://www.uv.es/obsast/es/divul/noticias/marzo05.html
Súper-fuerzas:
o
http://www.geocities.com/Area51/Starship/9201/superfuerza/superfuerza.html