Antes de entrar en el estudio de la Teoría de cuerdas, haremos un recordatorio sobre algunos conceptos básicos.
Existen dos pilares fundamentales en los que se apoya la física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que proporciona un marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y aun 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 quars. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos conducen a otra conclusión inquietante. Tal como se formulan actualmente la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez. Esas dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante los últimos cien años, son mutuamente incompatibles.
Si contemplamos el universo, en él tenemos casos extremos; por ejemplo, en las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una enorme masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo, o en el momento del big bang, la totalidad del universo salió en erupción de un “punto microscópico” cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general. ¿Puede ser real que el universo en su nivel más importante esté dividido, requiriendo un conjunto de leyes cuando las cosas son grandes y otro conjunto diferente, e incompatible, cuando son pequeñas?
Una intensa investigación llevada a cabo durante la última década por físicos y matemáticos de todo el mundo ha intentado revelar que este nuevo planteamiento de la teoría de cuerdas puede resolver la tensión existente entre la relatividad general y la mecánica cuántica.
Hasta ahora, todo lo que vemos en la Tierra y en el cielo resulta estar hecho de combinaciones de electrones y quars. Ninguna evidencia experimental indica que alguna de estas dos partículas esté constituida por algo menor. No obstante, en la Naturaleza existen otras muchas partículas elementales, cuando parece que la gran mayoría de las cosas que se encuentran en el mundo que nos rodea sólo necesitan electrones y quars para formarse. ¿Por qué existen, pues, tantas partículas elementales? Esto causa, sin duda, una fuerte sensación de perplejidad. (leer el tema Fuerzas y elementos constitutivos del universo).
Cuando tenemos en cuenta las fuerzas que actúan en la Naturaleza, las cosas se complican aun más. Durante los últimos cien años, los físicos han acumulado un número de pruebas cada vez mayor de que todas las interacciones entre objetos o materiales distintos, así como cualquiera de las interacciones que por millones y millones se observan a diario, se pueden reducir a combinaciones de cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza de la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
Pero, ¿dónde está el porqué (la razón de ser) de que nuestro universo tenga este comportamiento y estas características? Esta no es una pregunta ligada a una actitud de filosofar. Pero lo cierto es que el universo sería un lugar sumamente diferente al que conocemos, si las propiedades de las partículas de materia y las de las fuerza que gobiernan sus interacciones sufrieran algún cambio, aunque éste fuera muy moderado. El universo es como es porque las partículas de la materia y dichas fuerzas tienen las propiedades que tienen. Pero, ¿es esto una explicación científica de por qué tienen estas propiedades?
La teoría de cuerdas es una nueva teoría con la que se pretende contestar a estas preguntas. Según esta teoría, si pudiéramos examinar las partículas elementales con una precisión aun mayor –una precisión que estuviera en muchos grados de magnitud más allá de nuestra capacidad tecnológica actual– descubriríamos que ninguna es como un punto, sino que cada una de ellas está formada por un diminuto bucle unidimensional. Cada partícula contiene un filamento que vibra, oscila y baila, a una frecuencia determinada y que los físicos han denominado cuerda. Según esta nueva teoría, la materia está formada por átomos que, a su vez, están hechos de electrones y quars u y d, pero, a su vez, estas tres últimas partículas son, en realidad, diminutos bucles de cuerdas vibrantes. Estos diminutos bucles o filamentos unidireccionales, en constante vibración, dan origen, según las distintas frecuencias de resonancia a las que vibran, a las propiedades específicas de cada una de las “partículas” elementales, a su masa y a sus distintas cargas de fuerza. Esta nueva teoría, ha hecho que las cuerdas pasen a ser los constituyentes últimos de la Naturaleza.
Hay pruebas de que la teoría de cuerdas establece un límite inferior para las escalas de distancias físicamente accesibles y, de un modo asombrosamente innovador, proclama que el universo no puede ser comprimido hasta un tamaño inferior a la longitud de Planck[1] en ninguna de sus dimensiones espaciales.
La teoría de cuerdas supone una teoría unificada del universo, en la que se afirma que los constituyentes fundamentales del universo no son partículas de dimensión ínfima, sino diminutos filamentos unidimensionales llamados cuerdas. La teoría de cuerdas pretende unir armoniosamente la mecánica cuántica y la relatividad general, que de otra manera son incompatibles. La teoría de cuerdas aun no está lo suficientemente desarrollada y muchas de sus propiedades no son comprendidas aun.
No obstante, esta teoría pretende ofrecer una nueva y profunda modificación de la actual descripción teórica de las propiedades ultramicroscópicas del universo. Su propósito es proporcionar una teoría auténticamente unificada, ya que propone que toda la materia y todas las fuerzas surgen a partir de un concepto básico; las cuerdas en estado vibratorio. Sin embargo, debemos añadir que esta teoría, a pesar de los muchos estudios y logros alcanzados, aun no está lo suficientemente desarrollada para ser universalmente aceptada.
Hasta el momento, incluso sus más afamados defensores, como Brian Greene, autor del libro El universo elegante o Edward Witten, del Instituto para Estudios Avanzados en Princenton, afirman que explicarlo “todo”, en el sentido de comprender “todos” los aspectos de las fuerzas y de los constituyentes fundamentales del universo, es uno de los mayores desafíos que la ciencia ha afrontado hasta ahora y que, la teoría de cuerdas nos ofrece un marco que parece tener suficiente profundidad para asumir este desafío.
Pero agregan; éste es un tema que todavía no podemos resolver, y que, posiblemente, haya límites para que esta cuestión no se pueda resolver nunca, y añaden; puede que tengamos que aceptar que ciertas características del universo son del modo que son por casualidad, accidente o designio divino.
No obstante, vamos a ampliar algo estos conceptos, aunque sea de forma muy resumida, siguiendo el libro Hiperespacio de Michio Kaku(2007).
Una vibración mantenida o amplificada muchas veces la denominamos una resonancia, en contraposición a las ondas que se emiten en un entorno que, al no tener el tamaño adecuado para mantenerse, son canceladas.
La teoría de las supercuerdas nos dice que los componentes últimos de la materia no son los quars, sino las cuerdas. Cuerdas de dimensiones ínfimas que pueden vibrar autoconsistentemente. Cada modo de vibración representa una resonancia, que es causa de una partícula determinada. Si pudiéramos ampliar una partícula, de alguna forma particular, veríamos que no es en absoluto un punto, sino una cuerda en un estado de constante vibración determinada.
Las cuerdas se mueven y ejecutan un conjunto complicado de movimientos. Las cuerdas en el espacio-tiempo pueden vibrar en un número infinito de frecuencias diferentes, pueden dividirse y recombinarse, de hecho, según esta teoría, la materia no es nada más que las armonías creadas por estas cuerdas vibrantes.
Las cuerdas para ejecutar estos movimientos, deben satisfacer un conjunto de complicadas condiciones. Una de ellas es que las cuerdas tienen prohibido moverse en tres o cuatro dimensiones. La teoría de cuerdas sólo permite que éstas se muevan en diez o veintiséis dimensiones. ¡Qué extraño suena todo esto!
La teoría de cuerdas también tiene muchos detractores, entre ellos, el más furibundo, al que cita Michio Kaku en su libro, es Sheldon L. Glashow, de la Universidad de Harvard, que compartió el premio Nobel de Física en 1979. Según Kaku, Glashow ha jurado mantener estas teorías fuera de Harvard (aunque sin éxito, según afirma el mismo Kaku).
Existen dos pilares fundamentales en los que se apoya la física moderna. Uno es la relatividad general de Albert Einstein, que proporciona un marco teórico para la comprensión del universo a una escala máxima: estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y aun 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 quars. Sin embargo, estos mismos instrumentos teóricos conducen a otra conclusión inquietante. Tal como se formulan actualmente la relatividad general y la mecánica cuántica no pueden ser ambas ciertas a la vez. Esas dos teorías en las que se basan los enormes avances realizados por la física durante los últimos cien años, son mutuamente incompatibles.
Si contemplamos el universo, en él tenemos casos extremos; por ejemplo, en las profundidades centrales de un agujero negro se aplasta una enorme masa hasta reducirse a un tamaño minúsculo, o en el momento del big bang, la totalidad del universo salió en erupción de un “punto microscópico” cuyo tamaño hace que un grano de arena parezca gigantesco. Estos contextos son diminutos y, sin embargo, tienen una masa increíblemente grande, por lo que necesitan basarse tanto en la mecánica cuántica como en la relatividad general. ¿Puede ser real que el universo en su nivel más importante esté dividido, requiriendo un conjunto de leyes cuando las cosas son grandes y otro conjunto diferente, e incompatible, cuando son pequeñas?
Una intensa investigación llevada a cabo durante la última década por físicos y matemáticos de todo el mundo ha intentado revelar que este nuevo planteamiento de la teoría de cuerdas puede resolver la tensión existente entre la relatividad general y la mecánica cuántica.
Hasta ahora, todo lo que vemos en la Tierra y en el cielo resulta estar hecho de combinaciones de electrones y quars. Ninguna evidencia experimental indica que alguna de estas dos partículas esté constituida por algo menor. No obstante, en la Naturaleza existen otras muchas partículas elementales, cuando parece que la gran mayoría de las cosas que se encuentran en el mundo que nos rodea sólo necesitan electrones y quars para formarse. ¿Por qué existen, pues, tantas partículas elementales? Esto causa, sin duda, una fuerte sensación de perplejidad. (leer el tema Fuerzas y elementos constitutivos del universo).
Cuando tenemos en cuenta las fuerzas que actúan en la Naturaleza, las cosas se complican aun más. Durante los últimos cien años, los físicos han acumulado un número de pruebas cada vez mayor de que todas las interacciones entre objetos o materiales distintos, así como cualquiera de las interacciones que por millones y millones se observan a diario, se pueden reducir a combinaciones de cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza de la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
Pero, ¿dónde está el porqué (la razón de ser) de que nuestro universo tenga este comportamiento y estas características? Esta no es una pregunta ligada a una actitud de filosofar. Pero lo cierto es que el universo sería un lugar sumamente diferente al que conocemos, si las propiedades de las partículas de materia y las de las fuerza que gobiernan sus interacciones sufrieran algún cambio, aunque éste fuera muy moderado. El universo es como es porque las partículas de la materia y dichas fuerzas tienen las propiedades que tienen. Pero, ¿es esto una explicación científica de por qué tienen estas propiedades?
La teoría de cuerdas es una nueva teoría con la que se pretende contestar a estas preguntas. Según esta teoría, si pudiéramos examinar las partículas elementales con una precisión aun mayor –una precisión que estuviera en muchos grados de magnitud más allá de nuestra capacidad tecnológica actual– descubriríamos que ninguna es como un punto, sino que cada una de ellas está formada por un diminuto bucle unidimensional. Cada partícula contiene un filamento que vibra, oscila y baila, a una frecuencia determinada y que los físicos han denominado cuerda. Según esta nueva teoría, la materia está formada por átomos que, a su vez, están hechos de electrones y quars u y d, pero, a su vez, estas tres últimas partículas son, en realidad, diminutos bucles de cuerdas vibrantes. Estos diminutos bucles o filamentos unidireccionales, en constante vibración, dan origen, según las distintas frecuencias de resonancia a las que vibran, a las propiedades específicas de cada una de las “partículas” elementales, a su masa y a sus distintas cargas de fuerza. Esta nueva teoría, ha hecho que las cuerdas pasen a ser los constituyentes últimos de la Naturaleza.
Hay pruebas de que la teoría de cuerdas establece un límite inferior para las escalas de distancias físicamente accesibles y, de un modo asombrosamente innovador, proclama que el universo no puede ser comprimido hasta un tamaño inferior a la longitud de Planck[1] en ninguna de sus dimensiones espaciales.
La teoría de cuerdas supone una teoría unificada del universo, en la que se afirma que los constituyentes fundamentales del universo no son partículas de dimensión ínfima, sino diminutos filamentos unidimensionales llamados cuerdas. La teoría de cuerdas pretende unir armoniosamente la mecánica cuántica y la relatividad general, que de otra manera son incompatibles. La teoría de cuerdas aun no está lo suficientemente desarrollada y muchas de sus propiedades no son comprendidas aun.
No obstante, esta teoría pretende ofrecer una nueva y profunda modificación de la actual descripción teórica de las propiedades ultramicroscópicas del universo. Su propósito es proporcionar una teoría auténticamente unificada, ya que propone que toda la materia y todas las fuerzas surgen a partir de un concepto básico; las cuerdas en estado vibratorio. Sin embargo, debemos añadir que esta teoría, a pesar de los muchos estudios y logros alcanzados, aun no está lo suficientemente desarrollada para ser universalmente aceptada.
Hasta el momento, incluso sus más afamados defensores, como Brian Greene, autor del libro El universo elegante o Edward Witten, del Instituto para Estudios Avanzados en Princenton, afirman que explicarlo “todo”, en el sentido de comprender “todos” los aspectos de las fuerzas y de los constituyentes fundamentales del universo, es uno de los mayores desafíos que la ciencia ha afrontado hasta ahora y que, la teoría de cuerdas nos ofrece un marco que parece tener suficiente profundidad para asumir este desafío.
Pero agregan; éste es un tema que todavía no podemos resolver, y que, posiblemente, haya límites para que esta cuestión no se pueda resolver nunca, y añaden; puede que tengamos que aceptar que ciertas características del universo son del modo que son por casualidad, accidente o designio divino.
No obstante, vamos a ampliar algo estos conceptos, aunque sea de forma muy resumida, siguiendo el libro Hiperespacio de Michio Kaku(2007).
Una vibración mantenida o amplificada muchas veces la denominamos una resonancia, en contraposición a las ondas que se emiten en un entorno que, al no tener el tamaño adecuado para mantenerse, son canceladas.
La teoría de las supercuerdas nos dice que los componentes últimos de la materia no son los quars, sino las cuerdas. Cuerdas de dimensiones ínfimas que pueden vibrar autoconsistentemente. Cada modo de vibración representa una resonancia, que es causa de una partícula determinada. Si pudiéramos ampliar una partícula, de alguna forma particular, veríamos que no es en absoluto un punto, sino una cuerda en un estado de constante vibración determinada.
Las cuerdas se mueven y ejecutan un conjunto complicado de movimientos. Las cuerdas en el espacio-tiempo pueden vibrar en un número infinito de frecuencias diferentes, pueden dividirse y recombinarse, de hecho, según esta teoría, la materia no es nada más que las armonías creadas por estas cuerdas vibrantes.
Las cuerdas para ejecutar estos movimientos, deben satisfacer un conjunto de complicadas condiciones. Una de ellas es que las cuerdas tienen prohibido moverse en tres o cuatro dimensiones. La teoría de cuerdas sólo permite que éstas se muevan en diez o veintiséis dimensiones. ¡Qué extraño suena todo esto!
La teoría de cuerdas también tiene muchos detractores, entre ellos, el más furibundo, al que cita Michio Kaku en su libro, es Sheldon L. Glashow, de la Universidad de Harvard, que compartió el premio Nobel de Física en 1979. Según Kaku, Glashow ha jurado mantener estas teorías fuera de Harvard (aunque sin éxito, según afirma el mismo Kaku).
Habrá que agregar, por último, que la física siempre ha necesitado la ayuda de las matemáticas. Pero por su complejidad, el estudio de la teoría de cuerdas ha necesitado ramas muy concretas de las matemáticas, y de matemáticas muy especiales, en razón de actuar, como hemos dicho en diez o veintiséis dimensiones, y también buscar apoyo en la teoría de campos, de la que fue pionero Faraday. Como hemos venido diciendo, la teoría de cuerdas es un tema muy complejo, se sale de lo conocido hasta ahora, por lo que, en el momento actual, aun le queda mucho por resolver.
[1]La longitud de Planck es: h = 6'626 por 10 elevado a menos 34 julios/ segundo.
Bibliografía
Greene, B. (2003). El universo elegante, (García M. Trad.)(2ª ed.). Barcelona: Ed. Crítica. (Trabajo original publicado en 1999).
Kaku, M. (2007). Hiperespacio, (García J. Trad.) Barcelona: ed. Crítica. (Trabajo original publicado en 1994).
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