Supercuerdas

14 10 2007

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Existen dos pilares fundamentales en los que se apoya la física moderna. Uno es la relatividad general de A. Einstein, que proporciona un marco teórico para la comprensión del universo a escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos (o clusters) de galaxias, y aún más allá, hasta la inmensa expansión del propio universo. El otro pilar es la mecánica cuántica, que ofrece un marco teórico para la comprensión del universo a escalas mínimas: moléculas, átomos, y así hasta las partículas subatómicas, como los electrones y los quarks. A lo largo de años de investigación, los físicos han confirmado  experimentalmente, con exactitud inimaginable, la práctica totalidad de las predicciones que hace cada una de estas teorías. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos conducen a una conclusión inquietante: tal como se formulan actualmente, la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ciertas a la vez

El primer párrafo del libro de Brian Greene (físico experto en teoría de cuerdas) marca la estructura de la obra. Después de un capítulo que sirve de introducción-planteamiento del problema (Atado con cuerdas), la segunda parte (El dilema del espacio, el tiempo y los cuantos) hace un magistral repaso a la Teoría de la Relatividad (Especial y General) y a la Física Cuántica para llegar a la conclusión de que el Principio de Indeterminación hace inviable la  teoría einsteniana cuando observamos el universo a escalas ínfimas (10-35 m, longitud de Planck) debido a las fluctuaciones cuánticas previstas por dicho principio. Uno, que innumerables veces había encontrado descrito el principal conflicto planteado a la física en la actualidad (la incompatibilidad entre relatividad y cuántica), ha de confesar que nunca había logrado entender el verdadero por qué de dicha incompatibilidad. Pues bien, creo que Brian Greene ha sido es capaz (siempre dentro de un orden) de lograrlo.

A partir de aquí el libro se convierte en una apasionada descripción de la teoría de cuerdas. De ella se ha dicho que puede ser la teoría del todo (theory of everything, T.O.E.). Es decir, La Teoría, la base de todas las demás, la que no admitiría una explicación más profunda. Y es que tratar de dar respuesta a preguntas tan básicas (y tan difíciles de contestar) como: ¿por qué los electrones, protones, neutrones… etc,  tienen las propiedades (masa, carga…) que tienen y no otras?, ¿por qué las fuerzas básicas de la naturaleza son así y no de otra forma? nos lleva a niveles de profundidad difíciles de imaginar. Además, resuelve la incompatibilidad entre relatividad y teoría cuántica.

Según la teoría de cuerdas los componentes básicos del universo no son partículas elementales, sino diminutos filamentos unidimensionales que vibran. Su longitud es tan pequeña (aproximadamente la longitud de Planck) que no pueden ser “vistas” cuando exploramos la materia a distancias “tan grandes” como 10-15 m (tamaño de un núcleo atómico). A esa distancia parecen puntos. Igual que la pantalla del ordenador aparece como una superficie contínua si se mira desde cierta distancia, aunque realmente esté compuesta de cientos de pequeños puntos o pixeles, sólo visibles si la observamos a distancias suficientemente cortas.

Los posibles modos vibratorios de las cuerdas darían lugar a lo que “desde lejos” apreciamos como partículas con masa o carga determinada (electrones, protones, quarks…). Pero la cosa no queda aquí, ya que la propia teoría propone una revisión áun más drástica que la propuesta por A. Einstein de los conceptos de espacio y tiempo.

Kaluza y Klein plantearon (ya en el primer cuarto del siglo pasado) que nuestro universo podría tener no cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal), sino cinco. La quinta dimensión sería semejante a un bucle circular de tamaño ínfimo (longitud de Planck), razón por la que pasa desapercibida. Kaluza demostró que si se aplicaba el formalismo matemático de la relatividad general a ese mundo pentadimensional, junto con las ecuaciones “ordinarias” de Einstein, aparecen otras que no son sino las que Maxwell había desarrollado para describir la interacción electromagnética. Añadiendo una quinta dimensión, Kaluza había unido la gravedad de Einstein con la teoría electromagnética de Maxwell.

Pero, como no podía ser de otra forma, siempre hay gente más audaz que lo más audaces. Posteriores revisiones de la teoría de Kaluza-Klein fueron añadiendo más y más dimensiones arrolladas… ¡hasta diez! (nueve espaciales, seis de ellas arrolladas y tres extendidas, y una temporal) que dan lugar a geometrías espacio- temporales fantásticas (formas de Calabi-Yau). Las vibraciones de las cuerdas en este espacio-tiempo fantástico constituirían la última realidad de nuestro universo.

Así las cosas lo que parecía ser una teoría única y total terminó derivando en cinco versiones diferentes: teorías Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIB, Heterótica-O y Heterótica-E. Esto implicaba que realamente existían varias soluciones, correspondiendo cada solución a un universo dotado de diferentes propiedades. Desde 1995 la tendencia es a pensar que en realidad las cinco teorías forman parte de un único marco unificado o Teoría M cuyas características esenciales serían:

  • Tiene once dimensiones (una dimensión espacial arrollada más)
  • Además de cuerdas vibratorias incluye otros objetos: membranas vibratorias bidimensionales (bibranas) y burbujas tridimensionalse (tribranas)

¿Alucinante? ¿Pura invención matemática de físicos teóricos? En todo caso yo aconsejaría no perderse el libro. Si todo lo dicho parece excesivamente complicado, pensemos que quien esto escribe no tenía la menor idea antes de leerse el libro. Ahora, incluso puedo escribir un post sobre ello, seguro que lleno de inexactitudes, pero como aproximación no está mal. A lo mejor hemos de transmitir a nuestros alumnos/as que puede haber algo más allá de los electrones, protones y neutrones de toda la vida. Quien sabe. A lo mejor en ese pupitre, con quince años recién cumplidos, te escucha un nuevo Kaluza.

Más información:

Artículo de Brian Green sobre la teoría de cuerdas

Entrevista a B. Greene

Entrada en Wikipedia

The Official String Theory Web Site

Theoretical physics fun

Vídeos

Entrevista a  Juan Martín Maldacena, físico experto en teoría de cuerdas. Entrevista realizada para Cara a cara de CNN+. Tres vídeos de 10 min cada uno.  

Ver entrevista Maldacena

Los enigmas que oculta el universo. Programa Redes (La2). Tres vídeos de 10 min cada uno

Los enigmas que oculta el universo

The elegant universe. Colección de vídeos (24 episodios) de la producción de la BBC dedicada al libro (en inglés)

The elegant universe