La Teoría de Cuerdas, una posibilidad para la unificación de la física.

Ilustración por John Hersey.

Ilustración por John Hersey.

En lo personal creo que una de las más nobles y gratificantes características de la naturaleza humana es la curiosidad, esa imperiosa necesidad de comprender los fenómenos que se suceden a nuestro alrededor, lo que podemos percibir con nuestros sentidos y lo que sólo somos capaces de intuir, tiene el potencial de engrandecer el espíritu que la contiene. De ahí mi pasión por la ciencia, ya que su razón de ser, es la comprensión de todo aquello que nos rodea, y en este sentido la humanidad ha avanzado lenta pero firmemente.

Actualmente a través de dos juegos de fórmulas matemáticas, es posible explicar buena parte de lo que sucede en el universo. Por un lado tenemos la Teoría General de la Relatividad que explica con gran detalle la gravedad, esa fuerza que gobierna el cosmos; y por otra parte tenemos a la Mecánica Cuántica, que revela los extraños fenómenos del mundo de las partículas subatómicas; pero con el inconveniente de que dichas teorías son incompatibles entre sí, algo que ha desconcertado a los científicos desde hace tiempo, y los ha llevado a la incesante búsqueda de una Teoría Unificada, capaz de unir de forma coherente las leyes que gobiernan ambos aspectos de una misma realidad.

Podríamos decir que el primer intento en la búsqueda de una teoría unificada lo dio Isaac Newton al conseguir unir el cielo y la tierra bajo unas mismas leyes. Él comprendió que las mismas leyes que rigen el movimiento de los planetas y la Luna, son las mismas que las que describían la trayectoria del giro de una rueda o la caída de una roca. 200 años después, James Clerk Maxwell llevó la unificación a otro nivel al descubrir que la electricidad y el magnetismo, son dos aspectos de una misma fuerza descrita por un único formalismo matemático. Los últimos dos grandes pasos los dio Einstein, cuando en 1905 unió el espacio y el tiempo al demostrar que al movernos a través del espacio podemos afectar el paso del tiempo y viceversa. 10 años después con su Teoría general de la relatividad, nos ofreció la visión en donde es posible llegar a una gran síntesis de todas las fuerzas de la naturaleza.

En 1930 el mundo de la física cambió cuando Niels Bohr y una generación de intrépidos exploradores se adentraron en un micro reino donde encontraron la Mecánica Cuántica, una enigmática teoría formulada por nuevos y radicales conceptos y reglas matemáticas que resultó bastante espectacular a la hora de predecir el comportamiento de los átomos y las partículas subatómicas, pero que sin embargo resultaba adversa a la formulación de la gravedad de Einstein. Algo contra lo que los científicos han estado luchando infructuosamente desde hace más de medio siglo, en la búsqueda de una única fórmula que sea capaz de describir las leyes que rigen los fenómenos del mundo de lo grande y lo pequeño.

¿Y si unimos ambas teorías con cuerdas?

En diciembre de 1984, John Schwarz del Instituto Tecnológico de California y Michael Green de la Universidad de Queen Mary de Londres, hicieron pública una espectacular teoría en la que planteaban que la Teoría de Cuerdas era capaz de superar el antagonismo matemático entre la relatividad general y la Mecánica Cuántica, despejando así el camino que parecía destinado a alcanzar la tan anhelada Teoría Unificada.

La teoría que subyace en la unificación de cuerdas es tan simple como seductora.

Desde principios del siglo XX se consideraba que los componentes fundamentales de la naturaleza estaban hechos de partículas indivisibles, siendo los principales: los electrones, quarks y neutrinos. Que eran descritos como puntos infinitesimales desprovistos de otros componentes o maquinaria interna.

La teoría de cuerdas desafía esta visión, al postular que en el corazón de cada partícula fundamental se encuentra una diminuta cuerda vibratoria con forma de filamento. Según esta teoría, las diferencias entre una partícula y otra, por ejemplo su masa, carga eléctrica y otras propiedades nucleares, surgen como consecuencia de las diferencias en cómo esas cuerdas internas vibran.

Así como diferentes notas surgen de las vibraciones de las cuerdas de un violoncelo, las diferentes partículas de la naturaleza surgen a partir de las vibraciones de los diminutos filamentos descritos por la teoría de cuerdas.

Una de las cosas que más cautiva a los científicos sobre esta teoría es que sus fórmulas matemáticas son compatibles con la existencia del gravitón, una partícula hipotética que según la física cuántica sería la encargada de transportar la fuerza de gravedad de un lugar a otro. Hecho que llamó la atención de la comunidad de físicos de todo el mundo, porque por primera vez la gravedad y la mecánica cuántica parecían jugar con las mismas reglas, al menos en teoría.

¿Se puede explicar el universo a través de fórmulas matemáticas?

Sin embargo aún queda sin responder la más simple y fundamental de las peguntas, ¿es correcta la teoría de cuerdas?.

Para comprobar la teoría de cuerdas basta con examinar las partículas fundamentales y si se encuentran esas diminutas cuerdas vibratorias se confirma la teoría. ¿Fácil? Pues no tanto, por que resulta que según las fórmulas de esta teoría, estas cuerdas son descritas con un tamaño mil millones de millones más pequeñas que las partículas más pequeñas detectadas por los más potentes aceleradores de partículas. Por lo que sería necesario construir un acelerador del tamaño del Sistema Solar para poder detectar su existencia.

Y para terminar de complicar la situación, los científicos proponen otro hecho matemático, sorprendente y desconcertante. Las ecuaciones de las teorías de cuerdas (y es que existen varias versiones de esta teoría) requieren que el Universo tenga dimensiones extra a parte de las que ya todos conocemos (derecha – izquierda, adelante – atrás, arriba – abajo).

Los teóricos de cuerdas, retomaron una idea desarrollada por primera vez a principios del siglo XX. En aquel entonces los teóricos pensaban que debería existir dos tipos de dimensiones espaciales, por una lado, dos dimensiones grandes y extensamente extendidas que directamente experimentamos; y otras que eran diminutas y que estaban ceñidamente enrolladas, tan pequeñas que ni siquiera nuestros instrumentos más refinados podían revelarlas.

De la misma forma que sucede con una enorme alfombra extendida en la que es necesario ponerse de rodillas para poder apreciar los pequeños rizos que forman su tejido, nuestro Universo debe estar compuesto por tres dimensiones grandes por las que nos desplazamos libremente, pero que además deben de existir dimensiones adicionales, tan diminutas que están fuera de nuestro alcance visual.

En un artículo publicado en 1985 un cuarteto de físicos: Philip Candelas, Gary Horowitz, Andrew Strominger y Edward Witten; propusieron que las dimensiones extra son tan minúsculas que nos resulta imposible detectarlas.

Según ellos, las cuerdas también son tan pequeñas, que cuando vibran ondulan no solo en las tres dimensiones conocidas, sino que también en las dimensiones adicionales. Y que tal como ocurre al tocar una trompa o cuerno francés, donde los diseños vibratorios del aire que producen las diferentes las notas musicales, están determinadas por las curvas del instrumento, los diseños vibratorios de las cuerdas podrían estará determinados por la forma de las dimensiones extra. Es decir las diferentes partículas fundamentales, serían como las notas producidas por una genial partitura de la naturaleza.

Y puesto que esos diseños vibratorios determinan las propiedades de las partículas (masa, carga eléctrica, etc), propiedades que pueden ser detectadas experimentalmente; el cuarteto proponía que si uno era capaz de conocer la geometría precisa de las dimensiones extra, era posible hacer predicciones acerca de los resultados que se podían observar en ciertos experimentos.

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La forma de las dimensiones extra determina la forma de las partículas fundamentales.

Las complicadísimas ecuaciones matemáticas asociadas a esta teoría, proponen que la geometría de las dimensiones ocultas podrían ser algo así como la Piedra Rosetta del universo, conteniendo el código secreto de los componentes fundamentales de la naturaleza.

A mediados de la década de los ochenta sólo se conocía un pequeño número de posibles formas geométricas para las dimensiones extra, pero con los años la lista ha ido creciendo hasta alcanzar cifras impronunciables, y ante esta amplia gama de posibilidades, la teoría de cuerdas se mostraba incapaz de ofrecer una guía sobre cuál forma elegir; y dado que cada forma puede afectar la manera en que las cuerdas pueden vibrar, cada una de estas posibilidades nos lleva hacia un resultado diferente. Por lo que el sueño de extraer predicciones basándose en la teoría de cuerdas rápidamente se desvaneció, aunque no por mucho tiempo…

¿Y si todos los resultados fuesen correctos?

Según uno de los padres fundadores de la teoría de cuerdas, Leornard Susskind, físico teórico de la Universidad de Standford; si las matemáticas no identifican una forma en particular como la correcta para las dimensiones extra debe ser porque tal vez no existe una única forma correcta. Podría ser que todas las formas son correctas, y que por lo tanto existen múltiples universos, cada uno con una forma diferente para las dimensiones extra.

Según su teoría, nuestro universo sería sólo uno dentro de una vasta colección, cada uno con características propias determinadas por la forma de sus dimensiones extra.

Así por ejemplo, en otro universo, la forma diferente de sus dimensiones extra, podría hacer al electrón ligeramente más pesado, o a la fuerza nuclear un poco más débil; cambios que podrían hacer que los procesos quánticos que generan la energía de las estrellas se detengan y se interrumpa la marcha hacia la vida en la Tierra, al menos tal y como la conocemos.

Aunque esta teoría parece ser muy radical, ha sido respaldada por varios sectores de la cosmología y otras teorías que también sugieren que el Big Bang no fue un evento único, sino que existieron innumerables universos en expansión, teoría que se conoce como Teoría de los Multiversos.

La teoría de los universos múltiples redefine la realidad a tal punto que lo que hasta ahora veníamos considerando como verdades universales, pasarían a convertirse en simples reglamentos locales, dictados por la forma particular de las dimensiones extra en esta esquina del multiverso. ¡Fascinante!.

Sin duda la física está en su mejor momento, y con la puesta en marcha nuevamente del Gran Colisionador de Hadrones, tras dos años de pausa y ajustes y escudriñando entre los escombros producidos por las colisiones entre los protones, usando los detectores más complejos hasta ahora construidos, podemos esperar fascinantes hallazgos que nos acerquen un poco más a la comprensión de la realidad.

Investigador

Fuente: http://www.smithsonianmag.com/science-nature/string-theory-about-unravel-180953637/?all&no-ist

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