La realidad es más amplia que nuestro sentido común. Instintivamente, calificamos de “locura” o de “especulación extravagante” a las teorías científicas que proponen algo muy alejado de nuestra experiencia. Pero con el tiempo, y si la teoría es consistente, bajamos la guardia y terminamos aceptando ideas que nos trascienden. Es lo que ha sucedido, en cierta medida, con la teoría de cuerdas.
Cuerdas, ¿una clave para la unficación de
las fuerzas? (Fuente: smartplanet)
El sueño de la física es encontrar una explicación sencilla para todos los fenómenos físicos. Si para lograr ese sueño se necesita decir que existen once dimensiones, no importa. Los impulsores de las cuerdas no temen parecer poco cuerdos. Saben que el premio supera el precio. Y el premio es la unificación de todas las fuerzas.
En el universo, existen cuatro fuerzas fundamentales. La teoría de la relatividad de Albert Einstein explica una de ellas: la gravedad. El modelo estándar de la mecánica cuántica explica las otras tres: la electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.
- Las cuatro fuerzas del universo (Comunidad Smart, en breve disponible).
- Las cuatro fuerzas que mueven el universo (Redes 286).
Tal como están formuladas estas dos grandes teorías (relatividad y cuántica), cada una implica que la otra no es válida. Sin embargo, ambas teorías han sido corroboradas en numerosos experimentos. ¿Cómo es posible esto? Simplemente porque la teoría de la relatividad general describe fenómenos en los que intervienen cuerpos muy grandes o masivos como galaxias, sistemas solares o el mismo universo. La mecánica cuántica, por su parte, describe objetos pequeños como las moléculas, átomos o partículas subatómicas.
Entonces, ¿por qué esforzarse por encontrar una explicación unificada para las dos teorías, una teoría que explique a la vez la gravedad y las otras tres fuerzas fundamentales? De hecho, la física avanza sin problemas usando la relatividad general para lo macro y la cuántica para lo micro...
El mundo de lo macro y de lo micro. (Fuente: smartplanet)
Por una parte, los grandes objetos están compuestos por los pequeños y resulta ilógico que unos tengan unas leyes y los otros objetos, leyes diferentes. Y por otra parte, existen ciertos lugares, como los agujeros negros o como lo fue el big bang, en los que las leyes de lo micro y lo macro conviven. Pero cuando se combinan las ecuaciones que explican las cuatro fuerzas para entender qué sucede en un agujero negro (o en el big bang) los resultados son absurdos e imposibles. Es lo que se llama una “singularidad”. Por lo tanto, las dos teorías fallan y tenemos que encontrar una nueva en la que se pueda explicar conjuntamente las cuatro fuerzas fundamentales.
Una teoría de la unificación
Los impulsores de las cuerdas dicen que han dado con una teoría que explica conjuntamente las cuatro fuerzas y cuyas ecuaciones no dan resultados absurdos. A pesar de que esta teoría genera controversia entre los físicos, hay consenso en que es “bella” y que sus principios fundamentales son sencillos.
Cuando los físicos hablan de belleza, no son tan subjetivos como cuando se opina sobre un cuadro, aunque las emociones que experimentan frente a la belleza científica son muy semejantes a las experimentadas frente a la belleza del arte.
Significa que, al menos, tiene dos características esenciales:
1. Presenta una simetría unificadora.
2. Tiene capacidad de explicar una gran cantidad de fenómenos con unos pocos principios, o sea, con expresiones matemáticas económicas.
Un ejemplo paradigmático de belleza en la física es la ecuación más famosa del mundo: e=mc2. Con esta ecuación de la relatividad especial, Einstein explica la equivalencia (simetría) entre la energía y la materia de una manera enormemente sencilla. Quien no esté acostumbrado a tratar con ecuaciones científicas quizá no perciba esa belleza a primera vista. Como ayuda, basta decir que, mientras la ecuación de Einstein ocupa una pequeña fracción de renglón, existen ecuaciones que ocupan cuadernos enteros.
La ecuación de Einstein cumple con las dos características de belleza en una teoría porque unifica la materia y la energía como manifestaciones de un mismo fenómeno.
La belleza teórica de la teoría de cuerdas llega de la mano de un recurso propio de la ciencia ficción: las dimensiones adicionales. Al agregar más dimensiones que las que conocemos, los cálculos hacen posible explicar las cuatro fuerzas fundamentales como si fuesen una sola.
En síntesis, la teoría afirma que todo lo que existe en el universo está formado por unas cuerdas vibrantes infinitesimalmente pequeñas. Tan pequeñas, que si expandiéramos un átomo al tamaño de nuestro sistema solar, la cuerda sería grande como un árbol.
Las cuerdas, cien trillones de veces más pequeñas que un protón, vibran. Cada modo de vibración representa una partícula distinta. Según este modelo, cada partícula subatómica corresponde a una resonancia distinta que vibra sólo a una frecuencia característica.
Cada modo de vibración corresponde a una partícula distinta.
(Fuente: smartplanet)
¿De dónde viene la vibración de las cuerdas? Para encontrar la respuesta, piensa en un niño jugando en la playa con unos moldes para dar formas a la arena: castillos, estrellas de mar, cochecitos... Así como la arena cobra diferentes formas por estar en contacto con esos moldes, las cuerdas asumen diferentes vibraciones por estar en contacto con las otras dimensiones.
La vibración de cada cuerda depende de su contacto
con las otras dimensiones. (Fuente: smartplanet)
Desde la década de los 60 hasta hoy en día, la teoría de cuerdas ha pasado por diferentes estadios. Hoy, la versión más elaborada de la teoría de cuerdas, llamada teoría M, afirma que existen 11 dimensiones. Sin embargo, versiones anteriores de la teoría han sostenido que las dimensiones eran 10, en un caso, y 26, en otro.
Estos números surgen de unos cálculos matemáticos que determinan cuántas dimensiones son necesarias para que las cuerdas vibren de manera tal que se expliquen todas las fuerzas. Con el número preciso de dimensiones, las cuatro fuerzas fundamentales encajan como en un rompecabezas y las singularidades o resultados imposibles que surgen al combinar relatividad y mecánica cuántica desaparecen.
Propiedades de ciencia ficción
La teoría de cuerdas no resulta atractiva solamente porque, de ser cierta, podría ser la obra cumbre de la física. Al estudiar sus posibilidades, se hacen especulaciones que llevan a la ciencia más allá de la imaginación de los escritores de ficción.
Muchas de esas especulaciones tienen que ver con viajes por el universo y por el tiempo. Una de las ideas más llamativas es lo que se llama “agujeros de gusano” y surge de la posibilidad de que existan más dimensiones.
(Fuente: smartplanet)
Entre la Tierra y la estrella Alpha Centauri hay 4,3 años luz. Como no se puede viajar más rápido que la luz, lo mínimo que se tardaría en hacer ese viaje serían 4,3 años.
Pero como el espaciotiempo es curvo, si pudiésemos abrir un agujero de gusano entre la Tierra y Alpha Centauri, llegaríamos en mucho menos tiempo. Es el mismo sistema que emplea Jodie Foster en la película "Contacto" para viajar por el universo.
Sin embargo, para abrir un agujero de gusano en el espaciotiempo, habría que utilizar una cantidad de energía tan alta que resulta inalcanzable para una civilización como la nuestra. Para darse una idea, se necesita una cantidad de energía mayor que la que el sol puede producir a lo largo de toda su vida. Y eso es algo que probablemente no alcancemos en menos de miles de años.
Cuerdas de avanzada
A mediados de la década de los 90, la teoría de cuerdas no estaba en un buen momento. En ese entonces, existían cinco versiones diferentes de la teoría que pretendían dar una explicación unificada de los fenómenos físicos, lo cual resultaba paradójico.
Edward Witten, a quien muchos consideran hoy como el sucesor de Einstein, formuló una teoría revolucionaria que solucionó la paradoja de las cinco teorías. Desde su punto de vista, no eran cinco teorías diferenciadas sino cinco enfoques de un mismo concepto. Es lo que se llamó la “teoría M”.
Witten, considerado el sucesor de Einstein
Según Witten, “M” viene de “misterio, magia o matriz, de acuerdo con el gusto de cada uno”(www.sns.ias.edu/~witten/papers/mmm.pdf). Pero probablemente, la M viene de “membrana”, unos objetos más grandes que las cuerdas, una especie de superficie.
Antes de Witten, la teoría de cuerdas consideraba que existían diez dimensiones. Pero la teoría M agregó una más. Esta nueva dimensión es la que permite que las cuerdas se estiren para formar membranas.
A diferencia de las cuerdas que son bidimensionales, las membranas podrían tener tres o más dimensiones y, de contar con la energía suficiente, una de ellas podría alcanzar un tamaño gigantesco, puede que tan grande como nuestro universo. Es lo que se llama una “brana”.
Branas o universos paralelos
El concepto de “brana” es revolucionario porque permite una posibilidad sorprendente: nuestro universo podría estar contenido dentro de una brana que podría colindar con otras branas. Al igual que las tajadas de pan (branas) forman un pan, todas las branas estarían contenidas en un espacio mucho mayor al que los físicos llaman “bulk”, el grueso. Las otras branas (rodajas de pan) serían, de hecho, universos paralelos.
Cada brana, o universo, estaría contenida en el bulk.
(Fuente: smartplanet)
Nuestro universo no sólo no sería único y especial, sino uno más de otras muchas variantes. Las constantes de la física podrían ser muy diferentes en otros universos y entonces tener leyes físicas también diferentes. En unos quizá la materia no podría formarse, en otros estaría diluida...
Estos universos existirían en las dimensiones adicionales de la teoría M, unas dimensiones que nos rodean. Hay quien llega a asegurar que están a nuestro lado, a menos de un milímetro de distancia. Pero si eso es cierto, ¿por qué no las podemos ver ni tocar?
Si nuestros átomos y partículas están encerrados en nuestra brana, por más que haya una brana en otra dimensión del espacio, no podríamos tocarla precisamente porque nuestros átomos y partículas no pueden salir de nuestra brana. Si este concepto es cierto, podría ayudar a solucionar uno de los grandes misterios de la ciencia moderna: la gravedad.
Gravedad a través de los mundos
La gravedad es muchísimo más débil que las otras fuerzas; en concreto, 1038 veces (un uno seguido de 38 ceros) menos fuerte que el electromagnetismo. Esto ha generado mucha confusión a los científicos pero la nueva teoría de cuerdas puede echar nueva luz sobre el problema.
En realidad, la gravedad sería igual de fuerte que las otras fuerzas fundamentales aunque por algún motivo no podemos percibirlo. Podría ser que la gravedad esté “diluida” entre todas las branas y sea la única de las cuatro fuerzas que las atraviesa a todas.
Mientras toda la fuerza del electromagnetismo queda contenida en nuestra brana, la gravedad la abandona haciendo parecer que su fuerza es menor de la que es. Así, sólo percibimos la parte de la fuerza de la gravedad correspondiente a nuestra brana.
¿Por qué la gravedad sería tan diferente del resto de las fuerzas? La teoría M dice que la respuesta está en la forma de las cuerdas. Durante años, siempre se pensó en las cuerdas como bandas cerradas. Pero con la teoría M, se cree que todo lo que nos rodea, la materia y la luz, se compone de cuerdas abiertas. Los extremos de cada una de estas cuerdas estarían sujetos a nuestra brana tridimensional.
Cuerdas cerrdas (marrón) y una cuerda
abierta (azul). (Fuente: smartplanet)
Pero las cuerdas cerradas también existirían y una de sus variedades sería la responsable de la partícula de la gravedad: el gravitón. Al ser un círculo cerrado, no tiene extremos fijos en nuestra brana y por lo tanto es libre de escapar a otras branas. De esta manera, su fuerza queda diluida y parece más débil que las otras tres fuerzas.
Esto sugiere una posibilidad intrigante. Como estamos “ciegos” a las otras branas porque nuestros átomos y partículas no pueden escapar, podríamos llegar a saber algo de esas otras branas por medio de la gravedad.
Antes del big bang
No sabemos si los universos paralelos pueden influir sobre nosotros, pero el concepto de branas ha dado lugar a una idea muy polémica. Hay quienes afirman que los universos paralelos han desempeñado un papel esencial en nuestra historia, de hecho, los responsabilizan de nuestra existencia.
El concepto de las branas paralelas que se mueven en dimensiones adicionales podría cambiar el rumbo de la cosmología. Algunos científicos conjeturan que el misterio del origen del big bang podría estar en el movimiento de estas branas paralelas. En algún momento, estas podrían chocar entre sí y la enorme energía de ese choque sería lo que dio origen al big bang.
Branas paralelas que colisionan
y forman un big bang.
De hecho, se cree que esos choques pueden haberse dados muchas veces en el pasado y vuelvan a suceder nuevamente en el futuro. Si bien revolucionaria, esta teoría tiene todavía una serie de incongruencias matemáticas que dificultan su aceptación.
La controversia de la experimentación
El mismo problema que tienen los científicos para abrir un agujero de gusano, lo tienen para poder idear un experimento que demuestre la validez de la teoría de cuerdas. Si bien la teoría es convincente, no se puede demostrar empíricamente por la cantidad de energía que se requiere para ver una cuerda.
Pero incluso aunque no podamos observar las cuerdas, quizá podamos ver sus huellas. Si las cuerdas estaban en el inicio del universo cuando todo era tan pequeño, lo más seguro es que dejaran huellas o rastros en su entorno y luego, cuando todo se expandió, aquellas huellas se habrían agrandado como todo lo demás.
También existen maneras de comprobar si la teoría va por buen camino. Una de ellas es encontrar un gravitón en un acelerador de partículas. Sólo dos aceleradores podrían hacerlo: el Fermilab en los EUA y el Large Hadron Collider (LHC) que el CERN (www.cern.ch) está construyendo en Suiza. El LHC comenzará a funcionar en 2007 y será siete veces más potente que el Fermilab.
Según lo previsto por la teoría M, el gravitón escaparía a otra dimensión y el mayor logro sería obtener una imagen del gravitón en el momento de la fuga.
Un hipotético gravitón en el momento de la fuga.
(Fuente: Fermilab)
Otra de las máximas prioridades de ambos laboratorios es encontrar una propiedad descripta por la teoría de cuerdas que se llama “supersimetría”. Lo que predice la teoría es que todas las partículas subatómicas deben tener un equivalente mucho más pesado que se denomina "partícula s" o "spartícula".
El descubrimiento de la supersimetría sería un aval importante
para la teoría de cuerdas. (Fuente: smartplanet)
Hasta ahora, nadie ha visto las partículas supersimétricas porque, al ser más pesadas que sus compañeras, requieren más energía para producir una colisión que las haga visibles. Se espera que el LHC tenga la energía suficiente como para hacerlas detectables.
Incluso aunque se encontrara al gravitón en fuga a otra dimensión y que se demostrara que la supersimetría existe, ello no demostraría que la teoría es correcta. Sin embargo, serían evidencias muy fuertes de que la teoría va por buen camino.
