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La ciencia de las supercuerdas

Los físicos actuales se enfrentan a un dilema. Han aceptado dos teorías distintas que explican el funcionamiento del universo: La teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que describe el universo a una escala muy grande, y la mecánica cuántica, que describe el universo a una escala muy pequeña. Ambas teorías han sido respaldadas de forma abrumadora por la evidencia experimental.

Desgraciadamente, estas teorías no se complementan entre sí. La relatividad general, que describe cómo funciona la gravedad, implica un universo suave y fluido de deformaciones y curvas en el tejido del espaciotiempo. La mecánica cuántica -con su principio de incertidumbre- implica que, a una escala infinitesimal, el universo es un lugar turbulento y caótico donde los acontecimientos sólo pueden predecirse con probabilidades. En dos casos en los que deben aplicarse ambas teorías -para describir el Big Bang y las profundidades de los agujeros negros- las ecuaciones se rompen.

A la mayoría de los físicos les cuesta aceptar que el universo funcione según dos teorías distintas (y a veces contradictorias). Creen que es más probable que el universo se rija por una única teoría que explique todas las observaciones y datos.

La caza de una teoría

Por esa razón, los físicos están a la caza de una teoría unificada. Dicha teoría reuniría bajo un mismo paraguas las cuatro fuerzas de la naturaleza: la gravedad, la más débil de las cuatro, explicada por la relatividad general; y el electromagnetismo y las fuerzas fuertes y débiles, explicadas por la teoría cuántica de campos. Einstein buscó una teoría unificada tratando de unir el electromagnetismo y la gravedad.

La teoría de las supercuerdas, también llamada teoría de las cuerdas, es la formulación actual de esta búsqueda en curso. La teoría de cuerdas intenta unificar las cuatro fuerzas y, al hacerlo, unificar la relatividad general y la mecánica cuántica. Su núcleo es una idea bastante simple: todas las partículas están formadas por pequeñas hebras de energía que vibran. (La teoría de las cuerdas recibe su nombre de la apariencia de cuerda de estas hebras de energía). A diferencia de las cuerdas normales, éstas tienen una longitud (de unos 10 a 33 centímetros de media) pero no tienen grosor. La teoría de las cuerdas implica que las partículas que componen toda la materia que se ve en el universo -y todas las fuerzas que permiten que la materia interactúe- están hechas de diminutas hebras de energía que vibran.

La teoría actualmente aceptada y verificada experimentalmente sobre el funcionamiento del universo a escala subatómica sostiene que toda la materia está compuesta por partículas puntuales -y que interactúan a través de ellas-. Conocida como el Modelo Estándar, esta teoría describe las partículas elementales y tres de las cuatro fuerzas fundamentales que sirven como bloques de construcción para nuestro mundo (véase la tabla de Partículas Elementales y la tabla de Partículas de Fuerzas Fundamentales para un listado de estas partículas). Esta teoría no incluye la gravedad.

En la teoría de cuerdas, cada tipo de partícula de materia elemental -y cada tipo de partícula portadora de fuerza fundamental que media en las interacciones entre las partículas de materia- corresponde a un patrón de vibración de cuerda único, del mismo modo que las diferentes notas que toca un violín corresponden a vibraciones de cuerda únicas. La forma en que vibra una cuerda determina las propiedades -como la carga, la masa y el espín- de la partícula que es. Las ecuaciones de la teoría de cuerdas podrían dar lugar a partículas elementales como las que se conocen actualmente (electrones, quarks, fotones, etc.), pero como todavía no se pueden hacer predicciones numéricas detalladas, es difícil saber si el surtido de posibles patrones de vibración da cuenta correctamente de todas las partículas portadoras de materia y fuerza conocidas. Las cuerdas pueden ser abiertas o cerradas para formar un bucle. El hecho de que una cuerda sea abierta o cerrada determina el tipo de interacciones que puede sufrir.

Es la naturaleza de las cuerdas lo que unifica la relatividad general y la mecánica cuántica. Según la teoría cuántica de campos, las partículas interactúan a distancia cero en el espacio-tiempo. Según la teoría general de la relatividad, la partícula portadora de la fuerza de la gravedad, el gravitón, no puede operar a distancia cero. Las cuerdas ayudan a resolver este dilema. Como son unidimensionales y tienen longitud, «manchan» las interacciones en las distancias pequeñas. Este embadurnamiento suaviza el espacio-tiempo lo suficiente como para que el gravitón interactúe con otras partículas del campo cuántico, unificando así los dos conjuntos de leyes.

Un precio elevado

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 temporal, lo que supone 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 extendidas que experimentamos en la vida cotidiana, más seis dimensiones teóricas diminutas y enroscadas que no pueden verse con las tecnologías existentes. Estas seis dimensiones adicionales se dan en todos los puntos del mundo tridimensional conocido. La existencia de más de tres dimensiones espaciales es un concepto tan difícil de entender que ni siquiera los teóricos de las cuerdas pueden visualizarlo. A menudo utilizan analogías para ayudar a imaginar estas abstracciones.

Por ejemplo, imagina un trozo de papel con una superficie plana y bidimensional. Si se enrolla esta superficie, se formará un tubo, y una dimensión se enroscará. Ahora imagina que sigues enrollando la superficie hasta que se enrolla con tanta fuerza que la dimensión interior enroscada parece desaparecer y el tubo parece simplemente una línea. De manera similar, las dimensiones extra predichas por la teoría de cuerdas se enroscan tan fuertemente que parecen desaparecer en la experiencia cotidiana.

Estas dimensiones enroscadas pueden adoptar ciertas configuraciones complejas conocidas como formas de Calabi-Yau. Por desgracia, existen decenas de miles de variaciones de estas formas, y es difícil saber cuáles podrían representar correctamente las dimensiones extra de nuestro universo. Es importante saber cuáles son las correctas porque es la forma de estas dimensiones adicionales la que determina los patrones de las vibraciones de las cuerdas. Estos patrones, a su vez, representan todos los componentes que permiten la existencia del universo conocido.

Estas dimensiones extra podrían ser tan pequeñas como 10-35 metros o tan grandes como una décima de milímetro. Alternativamente, 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 podría filtrarse a través de estas dimensiones extra, lo que podría ayudar a explicar por qué la gravedad es tan débil en comparación con las otras tres fuerzas.

Se trata de una coincidencia

La teoría de cuerdas también exige que cada partícula de materia conocida tenga una partícula «super» portadora de fuerza aún no descubierta y que cada partícula portadora de fuerza conocida tenga una partícula «super» de materia aún no descubierta. Esta idea, conocida como supersimetría, ayuda a establecer una relación entre las partículas de materia y las partículas portadoras de fuerza. Llamadas superpartículas (véase «Partículas y esparcidores» más adelante), se cree que estas partículas teóricas son más masivas que sus homólogas conocidas, lo que puede ser la razón por la que aún no se han observado con los aceleradores y detectores de partículas actuales.

* El gravitón y el bosón de Higgs aún no han sido confirmados experimentalmente.Encuentre una lista completa de partículas y sus supercompañeros propuestos en «Partículas elementales» en www.pbs.org/nova/elegant/.

El potencial de lo que la teoría de cuerdas podría ayudar a explicar es enorme. Podría revelar lo que ocurrió en el momento en que comenzó el universo. La teoría del Big Bang sólo describe lo que ocurrió después de la primera fracción de segundo, extremadamente pequeña. Según las teorías convencionales, antes de eso el universo se redujo a un tamaño cero, algo imposible. Bajo los auspicios de la teoría de las cuerdas, es posible que el universo nunca se haya encogido hasta un punto en el que desapareciera, sino que haya comenzado con un tamaño minúsculo, el de una sola cuerda.

La teoría de las cuerdas también podría ayudar a revelar la naturaleza de los agujeros negros, que, aunque predichos por la relatividad general, nunca han sido explicados completamente a nivel cuántico. Utilizando un tipo de teoría de cuerdas, los físicos han descrito matemáticamente agujeros negros sin masa en miniatura que, tras sufrir cambios en la geometría de las dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas, aparecen como partículas elementales con masa y carga. Algunos teóricos piensan ahora que los agujeros negros y las partículas fundamentales son idénticos y que sus diferencias percibidas reflejan algo parecido a las transiciones de fase, como la transición del agua líquida al hielo.

La teoría de las cuerdas también abre la puerta a diferentes hipótesis sobre la evolución y la naturaleza del espacio y el tiempo, como el aspecto que podría tener el universo antes del big bang o la capacidad del espacio de desgarrarse y repararse o de sufrir cambios topológicos.

Cuando todo empezó

La teoría de las cuerdas no es del todo nueva. Lleva evolucionando desde finales de la década de 1960. En un momento dado, había cinco variaciones de la teoría. Luego, a mediados de la década de 1990, surgió una teoría conocida como teoría M que unificó las cinco teorías. La teoría M se considera el último paso en la evolución de la teoría de cuerdas (véase «Teoría M, ¿magia, misterio, madre?» a la derecha).

La última encarnación de la teoría de cuerdas -la teoría M- reveló que las cinco versiones anteriores de la teoría de cuerdas eran sólo cinco aspectos diferentes de una teoría.

Ninguna parte de la teoría de cuerdas ha sido confirmada experimentalmente. Esto se debe, en parte, a que los teóricos aún no comprenden la teoría lo suficientemente bien como para hacer predicciones comprobables definitivas. Además, se cree que las cuerdas son tan pequeñas -menos de una milmillonésima parte del tamaño de un átomo- que tecnologías como los aceleradores y detectores actuales no son lo suficientemente potentes como para detectarlas (véase «En busca de lo fundamental» más adelante). Aunque la teoría de cuerdas aún no puede verificarse experimentalmente, los físicos esperan que algunas de sus facetas puedan apoyarse en pruebas circunstanciales, como la demostración de la existencia de:

• dimensiones adicionales. Los físicos esperan que los aceleradores de partículas actuales o futuros puedan ayudar a indicar la existencia de dimensiones extra. Los detectores podrían medir la energía perdida que se habría filtrado desde nuestras dimensiones a esas dimensiones extra, proporcionando posiblemente pruebas de que estas dimensiones existen.

• Partículas superpartículas. Los investigadores utilizarán los aceleradores de partículas actuales y de próxima generación para buscar las partículas superpartes predichas por la teoría de cuerdas.

• Fluctuaciones en la radiación de fondo. El universo está impregnado de una radiación uniforme de la bajísima temperatura de 2,7 grados Kelvin. Se cree que esto es un remanente de la altísima temperatura original del Big Bang. Si se comparan las temperaturas de distintos puntos del cielo separados sólo por un grado, se han encontrado diferencias de temperatura extremadamente pequeñas (del orden de una centésima de grado Kelvin). Los científicos están buscando diferencias de temperatura aún más pequeñas de una forma específica que puede quedar de los primeros momentos del big bang, cuando se pueden haber alcanzado las energías necesarias para crear las cuerdas.

Buscando lo fundamental



Aunque los físicos que utilizan los colisionadores han encontrado pruebas de la mayoría de las partículas de materia y fuerza que componen el Modelo Estándar, siguen buscando una teórica partícula portadora de fuerza llamada bosón de Higgs. Este gráfico muestra las energías a las que se han encontrado o teorizado algunas partículas y unificaciones de fuerza (círculos sólidos) e indica las energías que pueden sondearse con los colisionadores actuales o previstos (círculos vacíos). Los físicos esperan que el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, situado en Suiza y Francia y cuya puesta en marcha está prevista para 2007, pueda revelar pruebas del bosón de Higgs, así como indicios del teórico gravitón y de las escurridizas partículas superparticipantes. La unificación de las fuerzas fuerte y electrodébil o la búsqueda de las teóricas cuerdas parece requerir el sondeo de energías mucho más allá de lo que ofrecen las tecnologías actuales. Algunos teóricos, sin embargo, creen que la energía de las cuerdas puede estar más cerca de las energías de los aceleradores actuales o previstos.