Es posible que todos los procesos del Universo, desde la formación de una estrella hasta la vida, puedan explicarse a partir de unos diminutos hilos de energía que vibran. Las teorías de supercuerdas son teorías que intentan unificar en un único marco teórico la física del macrocosmos (Relatividad) con la física del microcosmos (cuántica.) unificando las cuatro fuerzas de la naturaleza: Fuerza fuerte, débil, electromagnética y gravitatoria en una sola explicación teórica que describiría los orígenes del universo.
Las Supercuerdas son objetos unidimensionales extendidos vibrantes hechos de energía y espacio-tiempo. De acuerdo a la teoría son los constituyentes finales de la materia. Las diferentes formas de interaccionar de estas cuerdas darían lugar a las diferentes fuerzas que conocemos. El universo estaría hecho de billones y billones de estas cuerdas vibrantes.
Palabras clave: supercuerdas, relatividad, mecánica cuántica, teoría, átomos, caótica, turbulenta, supercúmulo, electrón, protón, neutrón, unidimensional.
It is possible that all processes in the universe, from the formation of a star to life, can be explained from tiny strands of energy vibrating . Superstring theories are theories that attempt to unify into a single theoretical framework macrocosm physics (relativity) with the physics of microcosm unifying the four forces of nature (quantum.): Strong, weak, electromagnetic and gravitational forces in a single explanation theory that describe the origins of the universe.
Superstrings are one-dimensional extended objects made of vibrant energy and space-time. According to the theory are the ultimate constituents of matter. The different ways of interacting of these strings would result in different forces we know. The universe would be made up of billions and billions of these vibrating strings.
Keywords: superstrings, relativity, quantum mechanics, theory, atoms, chaotic, turbulence, supercluster, electron, proton, neutron, unidimensional.
Nuestra visión actual del Universo se basa en dos teorías físicas muy distintas: la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica. La primera describe el espacio a gran escala y nos ayuda a estudiar objetos de masas muy grandes, como los hoyos negros y las galaxias. En la teoría de la relatividad general el espacio es como una cama elástica que se curva debido a la masa de los cuerpos. Eso es lo que sentimos como gravedad. Pero los elementos más pequeños del Universo, como los átomos y las partículas subatómicas, se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. Su comportamiento es muy diferente a lo que estamos acostumbrados, tanto que desafía nuestro sentido común: en el mundo cuántico reinan el azar y la incertidumbre.
Si adoptamos la teoría de cuerdas, habría que añadir otro escalón en los constituyentes básicos de la materia: todo lo que hay en el Universo, desde la partícula más pequeña hasta la galaxia más grande, está compuesto por un único ingrediente fundamental: unos diminutos hilos de energía que por analogía fueron bautizados con el nombre de cuerdas. Las cuerdas de un violín vibran con distinta frecuencia y crean las notas musicales. De manera análoga, cuerdas diminutas vibran de diferentes modos para formar las partículas elementales de la naturaleza. La masa, la carga y el resto de las propiedades que diferencian a unas partículas de otras son el resultado de la manera en que vibran las cuerdas que las componen. En esta sorprendente visión de la naturaleza, la cuerda que constituye un electrón y la cuerda que constituye un quark son lo mismo y sólo se distinguen en la forma de vibrar; en la "nota" que tocan, podríamos decir. Metafóricamente podemos decir que El Universo es Música.
La principal novedad de la teoría de cuerdas es que el ingrediente básico que postula no es una partícula en forma de punto, como en los modelos anteriores, sino con una extensión espacial mínima. Según los cálculos, las cuerdas tendrían una longitud de 10-35 metros (la longitud de Planck, que es un billón de billones de veces más pequeña que un átomo típico). Esta sutil diferencia es la clave para tender un puente sobre el abismo que separa la gravedad y la mecánica cuántica.
Supongamos que queremos estudiar la forma de un objeto desconocido sin tocarlo ni iluminarlo. Una manera sería bombardear el objeto con proyectiles y obtener una imagen a partir de la trayectoria de los proyectiles después de interactuar con el objeto misterioso. Cuanto más pequeño sea el proyectil que utilicemos, mejor será la imagen obtenida. Y desde luego, el proyectil no puede ser más grande que el objeto de estudio. Así, si tenemos una sandía, es buena idea utilizar aceitunas como proyectiles; mejor aún si se usan huesos de aceitunas. En cambio no es buena idea usar sandías si el objeto en cuestión es del tamaño de una aceituna.
Después De haber revolucionado la física con sus teorías de la relatividad especial y general, Albert Einstein concibió un sueño: quiso reunir en un solo modelo la explicación de todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Decidió tratar de construir lo que él llamaba una "teoría de campo unificada". Su búsqueda fue tan intensa que le llevó los últimos 30 años de su vida y lo condujo a aislarse de la comunidad científica y rechazar la principal línea de investigación de la física de entonces, la mecánica cuántica.
Einstein fracasó en su intento de unificar la física. La empresa resultó ser colosal, incluso para un ingenio como el suyo. Pero en estas últimas décadas, el esfuerzo de muchos físicos y matemáticos empujados por el espíritu de Einstein parece estar cerca de dar resultados.
La candidata más prometedora para darnos una descripción completa y unificada de la física es la llamada teoría de cuerdas. Esta teoría —que más bien es una clase de teorías similares— nos depara algunas sorpresas dignas de la mejor ciencia ficción: cuerdas vibrantes muchísimo más pequeñas que un átomo, un espacio de 10 dimensiones, membranas de tamaño gigantesco y universos paralelos.
Pues bien, resulta que estos dos pilares de la física moderna, tal y como se formulan en la actualidad, son incompatibles. El conflicto surge cuando consideramos lo que ocurre a escalas pequeñísimas, cuando profundizamos en el espacio mucho más de lo que podría el microscopio más potente, hasta llegar a la llamada longitud de Planck. La longitud de Planck está determinada por los valores de ciertas constantes importantes de la física y es igual a 10-35 metros.
Esta distancia es tan pequeña, que si ampliásemos un átomo hasta tener el tamaño de un supercúmulo de galaxias, la longitud de Planck correspondería a ¡la altura de un árbol! Una vez que llegamos a la escala de Planck, la indeterminación cuántica se hace tan grande que el espacio se convierte en una olla a presión caótica y turbulenta, donde el propio concepto de espacio pierde su significado. Esta situación choca de lleno con la noción de espacio suave, liso y tranquilo que es el principio fundamental de la relatividad general.
En la práctica, esto significa que a esa escala las ecuaciones de la teoría de la relatividad general y las de la mecánica cuántica, combinadas, dan resultados absurdos, lo que es como decir que no se pueden combinar.
> Seguro que ni en sus sueños más extraños se imaginó Einstein algo así. La materia está compuesta de átomos. En su interior, los electrones orbitan alrededor del núcleo, donde se encuentran los protones y los neutrones, que a su vez están formados por quarks. Se dice que electrones y quarks son partículas elementales porque no tiene estructura interna: son los elementos más simples que se pueden concebir. Estas partículas son tan pequeñas que se las considera puntuales, es decir, que no tienen dimensiones, como un punto. Conocemos sólo 12 partículas verdaderamente elementales.
La teoría de cuerdas indica que las propiedades de una partícula elemental son consecuencia de la manera en que vibra la cuerda que la compone. Ninguna otra teoría física había podido explicar las propiedades de las partículas en términos de algo más fundamental. Pero ¿cómo se puede comprobar que las vibraciones de las cuerdas dan lugar a las propiedades que identifican a una partícula? En teoría, de una forma muy sencilla. Bastaría coger una cuerda, agitarla y verificar los resultados.
En la práctica la cosa no es tan fácil. Las cuerdas son demasiado pequeñas para que podamos realizar este experimento. Los físicos se han visto obligados a estudiar las hipotéticas cuerdas de manera exclusivamente teórica. Pero ahí no paran las dificultades. Las ecuaciones de la teoría de cuerdas son tan complicadas, que no se conoce su forma exacta. Apenas somos capaces de obtener soluciones aproximadas de ecuaciones aproximadas. Y lo que es más preocupante, cuando se resuelven, dan lugar a un sinnúmero de partículas que nunca se han observado, algunas de las cuales viajarían más rápido que la luz, en flagrante violación de las leyes físicas que conocemos hoy.
Nuestro mundo cotidiano funciona muy bien con las tres dimensiones espaciales y la dimensión temporal que le conocemos. No hay rastro de esas dimensiones adicionales que exigen las teorías de cuerdas. Entonces, ¿dónde están y por qué nadie las ha visto?
La idea es que son tan pequeñas que simplemente no somos capaces de apreciarlas. Para entender esto podemos pensar en una manguera. Vista desde lejos, parece un objeto unidimensional, una simple línea. Pero de cerca vemos que tiene grosor. En realidad es un cilindro muy largo. Al acercarnos y verla en una escala más reducida, se hace visible la segunda dimensión que rodea la manguera. Una hormiga podría recorrerla hacia delante y hacia atrás, pero también rodearla. Una manguera es un objeto de dos dimensiones: una muy larga y claramente visible desde lejos, otra enrollada y que se nos oculta a gran escala. Este ejemplo pone de manifiesto que las dimensiones pueden ser "extendidas", largas y fácilmente visibles, o cortas, circulares y más difíciles de ver.
La verdad es que es muy difícil resistirse al poder de seducción de la teoría de cuerdas. Cuando uno se da cuenta de que quizá todos los procesos del Universo, desde la formación de una estrella hasta la vida, podrían explicarse de una forma tan elegante a partir de un punto de partida tan simple –unos diminutos hilos de energía que vibran–, se comprende el entusiasmo de muchos físicos teóricos. Como dijo Einstein en una ocasión, refiriéndose a la relatividad general: ¡es tan bella que debe ser cierta! Pero no todos están enamorados de esta teoría. Por mucha que sea su elegancia matemática, los científicos se plantean si existen razones físicas de peso para creer en un modelo que, conviene recordar, no está fundamentado en ninguna evidencia experimental. Nadie ha visto esas cuerdas ni las dimensiones espaciales enrolladas donde vibran. Empero, la prueba definitiva de la validez de una teoría consiste en contrastar las predicciones con los resultados experimentales. Ésa es la diferencia entre la ciencia y la ciencia-ficción.
1.- Einstein's Unfinished Symphony: Un artículo sobre la teoría de cuerdas que apareció recientemente en la revista TIME, con motivo de la elección de Einstein como la persona más importante del siglo XX .
2.- M-theory, the theory formerly known as Strings: Una breve introducción a algunas de las ideas de la teoría, presentada por el grupo de Relatividad y Gravitación de la Universidad de Cambridge.
3.-The Science of Matter, Space and Time: Otro buen compendio de las ideas de la física de partículas.
4.-String Theory in a Nutshell: Una descripción breve de la teoría de cuerdas, incluyendo algunas palabras sobre los avances más recientes, escrita por el Profesor J. M. Figueroa-O'Farrill .
5.- What is String Theory?: Una introducción más larga a las ideas básicas de la teoría, por K. LLoyd.
[a] Profesor de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.