La Ciencia de las Supercuerdas
Los físicos de hoy
en día se enfrentan a un dilema. Ellos han aceptado dos teorías distintas que
explican cómo funciona el universo: la teoría de la relatividad general de
Albert Einstein, que describe el universo en una escala enorme, y la mecánica
cuántica, que describe el universo en una escala muy pequeña. Ambas teorías
están apoyadas de sobremanera por evidencia experimental.
Por desgracia, estas teorías no se complementan entre sí. La relatividad
general, que describe cómo funciona la gravedad, implica un universo suave y
fluido de curvas en el tejido del espacio-tiempo. La mecánica cuántica - con su principio de incertidumbre - implica
que en una escala infinitamente pequeña, el universo es un lugar turbulento y
caótico donde los eventos sólo se pueden predecir con probabilidades. En dos casos
en donde las teorías deben ser aplicadas - para
describir el Big Bang y las profundidades de los agujeros negros - las
ecuaciones empiezan a quebrantarse.
A la mayoría físicos les cuesta aceptar que el universo funciona a base de dos
teorías distintas (y a veces contradictorias). Ellos piensan que es más
probable que el universo esté gobernado por una sola teoría que explique todas
las observaciones y datos.
Por esa razón, los
físicos están en la búsqueda de una teoría unificada. Tal teoría reunirá bajo
un mismo techo las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, la fuerza más débil de las cuatro, según lo explicado por
la relatividad general, el electromagnetismo
y las fuerzas nucleares fuerte y débil, como se ha explicado por la teoría cuántica de campos. Einstein
aplicó una teoría unificada, tratando de unir el electromagnetismo y la
gravedad.
La Teoría de Supercuerdas, también llamada la teoría de cuerdas, es la formulación
actual de esta constante búsqueda. La teoría de cuerdas trata de unificar las
cuatro fuerzas, y con ello, unificar la relatividad general y la mecánica
cuántica. De hecho, es una idea bastante simple: todas las partículas están
hechas de diminutas cuerdas vibrantes de energía. (La teoría de cuerdas debe su
nombre a que estos filamentos de energía tienen una apariencia similar a la de
las cuerdas). A diferencia de las cuerdas cotidianas, estas cuerdas tienen
longitud (promedio de 10ˉ³³ cm) pero no tienen grosor. La teoría de cuerdas
implica que las partículas que componen toda la materia que se ve en el
universo - y todas las fuerzas que permiten la interacción de la materia - están
hechas de diminutos filamentos vibrantes de energía.
La teoría actualmente aceptada y verificada experimentalmente, de cómo funciona
el universo a escalas subatómicas sostiene que toda materia está compuesta de -
e interactúa a través de - partículas. Conocido como el Modelo Estándar, la
teoría describe las partículas elementales y tres de las cuatro fuerzas
fundamentales que sirven como las bases de nuestro mundo. Esta teoría no
incluye la gravedad.
En la teoría de
cuerdas, cada tipo de partículas de materia (fermiones), y cada tipo de
partículas portadoras de fuerza (bosones), corresponde a un patrón de cuerdas vibratorias
único; como las diferentes interpretadas por un violín corresponden a
vibraciones de las cuerdas únicas. La forma en que vibre una cuerda determinará
las propiedades –carga, masa, y espín- de una partícula. Las ecuaciones de la
teoría de cuerdas podrían dar lugar a las partículas elementales como las que
actualmente se conocen (electrones, quarks, fotones, etc.); sin embargo, como
hacer predicciones numéricas detalladas aún no es posible es difícil saber si
los posibles patrones vibratorios efectivamente se aplican a toda la materia y
fuerza que portan las partículas. Las cuerdas pueden estar abiertas o cerradas.
Si una cuerda está abierta o cerrada determina el tipo de interacciones que sufrir.
La naturaleza de
las cuerdas es lo que unifica la relatividad general y la mecánica cuántica.
Según la teoría cuántica de campos, las partículas interactúan a cero distancia
en el espacio-tiempo. De acuerdo con la teoría de la relatividad general, la
partícula portadora de la fuerza de gravedad, el gravitón, no puede operar a distancia cero. Las cuerdas nos ayudan
a resolver este dilema. Debido a que son unidimensionales y tienen longitud, las
cuerdas esparcen las interacciones a través de pequeñas distancias. Estos
rastros suavizan el espacio-tiempo lo suficiente para que el gravitón pueda
interactuar con las otras partículas cuánticas de campo, por lo tanto unifica
ambas teorías.
Un alto precio
Pero la teoría de cuerdas, a pesar de su elegancia, tiene un precio. Para que la teoría sea consistente, el universo debe tener más de tres dimensiones espaciales.
De hecho, la teoría de cuerdas predice un universo con nueve dimensiones espaciales
y una de tiempo, para un total de
10 dimensiones. (La versión más actual de la teoría de cuerdas predice 11 dimensiones). Las nueve dimensiones espaciales consisten en las tres dimensiones extensas que experimentamos en la vida cotidiana, además de seis pequeñas y enrolladas dimensiones
que no se pueden ver con la
tecnología existente. Estas seis dimensiones extra se producen en cada
punto del mundo tridimensional conocido. La existencia de
más de tres dimensiones espaciales
es un concepto tan difícil de entender
que los físicos teóricos de la teoría de cuerdas no lo pueden visualizar. A menudo utilizan analogías para ayudar a representar estas abstracciones.
Por ejemplo, imagine un trozo de papel con dos dimensiones, la
superficie plana. Si enrolla esta superficie, formará un tubo, y una dimensión
estará enrollada. Ahora imagine que usted continúa enrollando la superficie
hasta que está envuelta tan firmemente que la dimensión enroscada interior
parece desaparecer y el tubo simplemente luce como una línea. De manera
similar, las dimensiones extra predichas por la teoría de cuerdas están tan
apretujadas que parecen desaparecer en la experiencia cotidiana.
Estas dimensiones enrolladas pueden tomar ciertas configuraciones
complejas conocidas como formas Calabi-Yau. Por desgracia, decenas
de miles de variaciones de estas formas
existen, y es difícil saber cuáles podrían representar correctamente las dimensiones extra de nuestro universo. Es importante saber cuáles son correctas, porque es la forma de estas
dimensiones adicionales lo que determina
los patrones de las vibraciones de las
cuerdas. Estos patrones, a su vez, representan todos los componentes que permiten
que el universo conocido exista.
Estas dimensiones extra podrían ser tan pequeñas como 10ˉ³⁵ metros o tan grandes como una décima de milímetro. Por otra parte, las dimensiones extra podrían ser tan grandes
o más grandes que nuestro propio universo. Si ese es el
caso, algunos físicos creen que la
gravedad puede tener fugas a
través de estas dimensiones extra, lo que podría ayudar a explicar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas.
La teoría de
cuerdas también requiere que cada partícula de materia tenga una “super”
partícula portadora de fuerza (bosón). Esta idea, conocida como la
supersimetría, ayuda a establecer la relación entre partículas de materia (fermiones)
y partículas de fuerza (bosones). Llamadas superparejas,
estas partículas teóricas se cree que son más masivas que sus equivalentes
conocidos, lo que puede ser la razón de por qué no han sido observadas todavía
mediante los detectores y aceleradores de partículas actuales.
El potencial de
lo que la teoría de cuerdas podría ayudar a explicar es enorme. Se
podría revelar lo que sucedió en el momento en que comenzó el universo. La
teoría del Big Bang sólo describe lo que sucedió después de la primera -muy
pequeña- fracción de segundo. De
acuerdo con las teorías convencionales, el universo estaba reducido a un tamaño
cero, cosa que es poco probable. Según los auspicios de la teoría de cuerdas,
el universo nunca pudo haber sido reducido a un punto, sino que pudo haber
comenzado en un tamaño minúsculo del tamaño de una sola cuerda.
La teoría de
cuerdas también podría ayudar a revelar la naturaleza de los agujeros negros,
que, aunque predicho por la relatividad general, nunca han sido plenamente
explicados en el nivel cuántico. Empleando
un tipo de teoría de las cuerdas, los físicos han descrito matemáticamente
agujeros negros en miniatura sin masa que – después de sufrir cambios en la
geometría de las dimensiones extra de la teoría de cuerdas – reaparecen como
partículas elementales con masa y carga. Actualmente algunos teóricos creen que
los agujeros negros y partículas fundamentales son idénticos y que las
diferencias percibidas reflejan algo similar a las transiciones de fase, al
igual que el agua líquida se convierte en hielo.
La teoría de cuerdas también abre las puertas a diferentes hipótesis sobre
la evolución y la naturaleza del espacio-tiempo, por ejemplo, cómo el universo
podría haber sido antes del big bang o la capacidad de espacio para fragmentar
y repararse a sí mismo o para someterse a cambios topológicos.
Cuando
Empezó Todo
La teoría de
cuerdas no es del todo nueva. Esta ha ido evolucionando
desde la década de 1960. En un momento
dado, hubo cinco variaciones de la teoría. Luego,
a mediados de la década de 1990 una teoría conocida como la teoría M unificó las
cinco teorías. La
teoría-M se considera el último paso en la evolución de la teoría de cuerdas.
Ninguna parte de la teoría de cuerdas ha sido confirmada experimentalmente.
Esto
es en parte porque los teóricos todavía no entienden la teoría lo
suficientemente bien como para hacer predicciones comprobables definitivas. Además,
las cuerdas se piensa que son tan pequeñas – menos de una milmillonésima de una
milmillonésima de un átomo – que las tecnologías actuales, tales como
aceleradores y detectores no son lo suficientemente potente como para
detectarlas.
Mientras que la Teoría de Cuerdas aún no puede ser verificada
experimentalmente, los físicos esperan que algunas de sus facetas pueden ser
apoyadas por pruebas circunstanciales, tales como demostrar la existencia de:
• Las dimensiones extra. Los
físicos esperan que los aceleradores de partículas actuales o futuros sean
capaces de ayudar a indicar la existencia de dimensiones extra. Los
detectores pueden medir la energía que falta que se habría escapado de nuestras
dimensiones a esas dimensiones extra, lo cual puede evidenciar la existencia de
dimensiones alternas.
• Las partículas supersimétricas. Los
investigadores utilizarán los aceleradores de partículas actuales y de próxima
generación para buscar las partículas supercompañeras
predichas por la teoría de cuerdas.
• Las fluctuaciones en la radiación de
fondo. El
universo está impregnado por radiación uniforme de temperatura muy baja de 2,7
grados Kelvin. Estos
se cree que son los rastros dejados por la temperatura inicial del big bang.
Comparando las temperaturas desde diferentes lugares en el cielo sólo alrededor
de 1 grado de separación, extremadamente pequeñas diferencias en la temperatura
han sido encontradas. Los científicos están buscando las diferencias más
pequeñas en la temperatura de una forma específica que pueda haber quedado de
los primeros momentos del Big Bang, cuando la energía necesitada para crear las
cuerdas pudo haber sido alcanzada.
Referencia:
El Universo Elegante – Brian Greene
