Teoria de les cordes: un somni que no es materialitza
2023/12/01 Erguin Dorronsoro, Aitor - Ingeniari elektronikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria
Portem molts anys escoltant la teoria de les cordes (string theory en anglès). S'ha considerat com l'últim destí de la física teòrica, una teoria que aflorarà les lleis físiques més profundes de la naturalesa.
En física teòrica, el model estàndard i la relativitat general són les dues principals teories avui comprovades experimentalment. El primer descriu el món microscòpic i quàntic; el segon descriu la interacció gravitacional que el segon interacciona a escala astronòmica. Els físics porten dècades tractant d'unir les dues teories a la recerca del que seria la teoria de tot, i la teoria de les cordes és la que més interès suscita en aquesta cerca.
Nou dimensions espacials
La teoria de les cordes s'estructura en la dècada de 1980. Des de llavors ha sofert dues revolucions i està en constant evolució, però es basa fonamentalment en cordas unidimensionals molt més petites que protons i electrons. Aquestes guatlles serien l'únic i imprescindible component de tota la matèria. Les cordes donarien i segons la freqüència d'aquesta vibració cada corda vibra una o diverses partícules elementals (electrons, gravitons, neutrins, etc.). ho imaginaria. És a dir, un electró seria només una corda que vibra amb una freqüència concreta.
No obstant això, la teoria de les cordes té un problema. La descripció de les cordes proporciona resultats absurds si s'expressen en tres dimensions espacials; matemàticament, una teoria adequada requereix que les cordes visquin en nou dimensions espacials. On estan aquestes dimensions si en el nostre dia a dia només tenim tres? Perquè es diu que les sis dimensions que falten estan enrotllades en si mateixes. Amb una analogia s'entén què significa millor aquesta espiral.
Una formiga viu en la superfície d'un tub d'aigua del jardí. La marxa de la formiga es produeix en dues dimensions: avanci i enrere de la canonada i dreta esquerra. Si actua a la dreta o a l'esquerra, començarà a donar la volta en la circumferència de la canonada i, si es manté la direcció, tornarà a la mateixa posició inicial. Suposem que ara la formiga té una llum vermella a l'esquena i que des de la teulada d'una casa de 10 metres d'altura mirem el curs de la formiga. Des d'aquesta distància no s'aprecia el gruix del tub, per la qual cosa no es veu la marxa a la dreta esquerra de la formiga. Per part seva, l'avanç i reculada es realitza al llarg del tub, per la qual cosa sí que destaca (Figura 1).
Segons la teoria de les cordes, els éssers humans vivim en la teulada de l'analogia superior. Si bé des de la teulada s'observa una sola dimensió, en la naturalesa s'aprecien tres dimentsiones. Però com en el cas de la formiga hi ha una dimensió enrotllada addicional en una escala menor, que per a ella és l'esquerra i la dreta, en la naturalesa també hi hauria sis dimensions espirals microscòpiques, tan petites que no podem mesurar o observar.
Supersimetría
Matemàticament robusta i per a molts la teoria de les cordes és bella, i la bellesa té molt valor a l'hora de jutjar noves teories. Però, a més de bell, una teoria ha de fer prediccions verificables perquè sigui acceptada entre els físics, i aquí està el principal problema de la teoria de les cordes. En 40 anys no s'han realitzat observacions o experiments que comprometin la teoria de les cordes. Les ones gravitatòries anunciades per la relativitat general van ser observades per primera vegada 100 anys després, per la qual cosa encara som a temps de jutjar la teoria de les cordes. El problema és que no estem esperant una millor tecnologia per a realitzar observacions, sinó que la pròpia teoria de les cordes no és capaç de realitzar prediccions concretes que poden comprovar-se experimentalment. Està molt lluny de ser una teoria formal i completa i, en la mesura en què no té una formulació concreta, no pot donar prediccions sobre la naturalesa.
A més de nou dimensions, per a tenir sentit, els físics necessiten una característica anomenada supersimetría. Si la naturalesa té aquesta característica, cada partícula bàsica que coneixem en l'actualitat hauria de tenir un parell supersimétrico. Per exemple, el parell supersimétrico de l'electró seria el selectrón. S'esperava que entre els xais afloressin partícules supersimétricas en els últims experiments del LHC (Large Hadron Collider, un gegantesc accelerador de partícules a Ginebra), com en 2012 va aparèixer el bosó Higgs. Els resultats, no obstant això, no han donat senyals d'aquestes partícules i la cerca de la supersimetría ha quedat a l'espera d'experiments de major energia.
Principi antròpic i multivers
S'esperava que la teoria de les cordes anava a publicar les veritats més profundes sobre la naturalesa, que respondria a preguntes que el model estàndard no pot explicar, com per què l'electró té massa i no altra. Amb el pas dels anys, a mesura que la teoria es va desenvolupant, sembla que s'està allunyant de la predicció concreta de la naturalesa. Les últimes recerques han demostrat com aquest bell mecanisme matemàtic de la teoria de les cordes és capaç de construir lleis físiques totalment diferents de la naturalesa. És a dir, si la teoria de les cordes es desenvolupés completament, les lleis físiques que anunciaria no serien només les que veiem avui dia (compatibles amb el model estàndard i la relativitat general), sinó que, segons com les seves dimensions espacials s'enrotllen, tindria la capacitat de preveure qualsevol llei física (figura 3). Dit d'una altra manera, és capaç de donar com a resultat les nostres lleis físiques, però també és capaç de donar com a resultat lleis físiques diferents d'un altre hipotètic univers. Això és el que es denomina paisatge de les cordes (string landscape) i és avui un tema important de recerca.
Si la teoria de les cordes pot donar per bona qualsevol llei física, per què l'univers té lleis físiques que nosaltres percebem i no altres? En definitiva, tots són acceptables dins de la teoria de les cordes.
Aquest problema ja existia abans que sorgís la teoria de les cordes. Per què té, per exemple, la força de la gravetat i no altra? Si tingués una mica més de força, després del Big bang tota la matèria es compactaria més ràpid i no es produirien galàxies i planetes. Si tingués una força una mica menor, aquesta matèria es dispersaria més ràpidament i llavors tampoc es produiria galàxia. Per què té força suficient per a permetre la formació de galàxies, planetes i éssers humans? La majoria dels físics desitjarien trobar la resposta en les lleis físiques més profundes, on hi hagués raons físiques o matemàtiques per a determinar la força gravitatòria. Però hi ha una altra possibilitat, l'anomenat principi antròpic, que diu que és impossible tenir una força gravitatòria diferent, perquè en aquest cas no hi hauria éssers humans que l'observin i el mesurin. És a dir, si una força de gravetat determinada és necessària per a tenir un univers humà, es mesurarà aquesta força de gravetat en l'univers en el qual es troben.
Molts seguidors de la teoria de les cordes estan optant pel principi antròpic. Les cordes poden explicar molts universos diferents, però les lleis físiques que nosaltres podem veure són lleis que permeten que els éssers humans estiguin vius i no altres. Alguns físics afirmen que aquesta actitud és resignar-se a la cerca de les lleis físiques més profundes; que al no haver arribat la teoria de les cordes als resultats esperats inicialment, al no haver trobat les lleis físiques bàsiques, és deixar l'explicació de la nostra naturalesa segons el principi antròpic.
En els últims anys també s'ha donat una explicació científica a l'ús del principi antròpic. Un d'ells és multivers, on el nostre univers seria només un dels milions d'universos més. Combinant la teoria de les cordes, la incertesa de la mecànica quàntica i les teories més recents sobre la inflació còsmica, alguns científics creuen que teòricament és possible crear altres universos d'un univers, amb lleis físiques similars però no idèntiques. D'aquesta manera, es produiria un procés entre universos similar a la teoria de l'evolució dels éssers vius i el resultat serien milions d'universos, en els quals cadascun tindria lleis físiques diferents. En aquesta perspectiva s'insereix fàcilment el principi antròpic: si hi ha diferents universos amb lleis diferents, evidentment nosaltres estarem en l'univers que té lleis que possibiliten als éssers humans.
Necessitat de noves teories
A més de la seva bellesa matemàtica i de la seva capacitat per a descriure qualsevol univers possible, a la teoria de les cordes li falta un pronòstic verificable. Fins que s'anuncia alguna cosa que no s'ha observat fins ara o s'explica un efecte que ja s'ha observat però que de moment no som capaços d'explicar, la teoria de les cordes no serà més que una idea incompleta, potser completament errònia quant a la descripció de la realitat.
Molts científics pregunten per què continua suscitant tant d'interès quan en 40 anys no ha fet un sol pronòstic i si mai serà capaç de fer prediccions. Una de les respostes és que no hi ha una alternativa real. Existeix el camp de la gravetat quàntica, que pretén quantificar la gravetat per a integrar-la dins de la mecànica quàntica i tractar-la amb altres forces del model estàndard en el mateix formalisme, però no hi ha moltes més idees per a anar més enllà del model estàndard.
Els més crítics estan a favor de rebutjar completament la teoria de les cordes. Diuen que el programa és totalment esgotat i que mai aconseguirà resultats, i no obstant això atreu als millors físics joves. La culpa de continuar investigant és imputable al sistema universitari: atès que els caps dels departaments de física teòrica actuals estan bolcats en la teoria de les cordes, deixar d'investigar les cordes seria renunciar a tota la seva trajectòria investigadora i dedicar la major part de les beques i ajudes a temes relacionats amb les cordes.
La teoria de les cordes segueix el seu curs i seguirà durant molt de temps. Com mai sabem que serà capaç d'explicar la nostra naturalesa, és imprescindible no deixar d'explorar altres camins. No es pot saber quan i com apareixerà una idea boja i innovadora que tindrà la capacitat de respondre als misteris i preguntes que encara tenim.
Bibliografia
- Greene, Brian. 2003. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. Nova York / London: W. W. Norton.
- Woit, Peter. 2006 Not wrong. London: Jonathan Cape.
- Susskind, Leonard. 2006. El cosmic landscape. Nova York: Hachette Book Group.
- Kinney, Will. 2022. An infinity of worlds: cosmic inflation and the beginning of the universe. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press.
- Mukhi, Sunil. 2011. “String theory: a perspective over the last 25 years”. Classical and Quàntum Gravity, 28. 153001.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
