Teoría de las cuerdas: un sueño que no se materializa

2023/12/01 Erguin Dorronsoro, Aitor - Ingeniari elektronikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Llevamos muchos años escuchando la teoría de las cuerdas (string theory en inglés). Se ha considerado como el último destino de la física teórica, una teoría que va a aflorar las leyes físicas más profundas de la naturaleza.

En física teórica, el modelo estándar y la relatividad general son las dos principales teorías hoy comprobadas experimentalmente. El primero describe el mundo microscópico y cuántico; el segundo describe la interacción gravitacional que el segundo interacciona a escala astronómica. Los físicos llevan décadas tratando de unir las dos teorías en busca de lo que sería la teoría de todo, y la teoría de las cuerdas es la que más interés suscita en esta búsqueda.

Nueve dimensiones espaciales

La teoría de las cuerdas se estructura en la década de 1980. Desde entonces ha sufrido dos revoluciones y está en constante evolución, pero se basa fundamentalmente en cordas unidimensionales mucho más pequeñas que protones y electrones. Estas codornices serían el único e imprescindible componente de toda la materia. Las cuerdas darían y según la frecuencia de dicha vibración cada cuerda vibra una o varias partículas elementales (electrones, gravitones, neutrinos, etc.). lo imaginaría. Es decir, un electrón sería sólo una cuerda que vibra con una frecuencia concreta.

Sin embargo, la teoría de las cuerdas tiene un problema. La descripción de las cuerdas proporciona resultados absurdos si se expresan en tres dimensiones espaciales; matemáticamente, una teoría adecuada requiere que las cuerdas vivan en nueve dimensiones espaciales. ¿Dónde están esas dimensiones si en nuestro día a día sólo tenemos tres? Pues se dice que las seis dimensiones que faltan están enrolladas en sí mismas. Con una analogía se entiende qué significa mejor esa espiral.

Una hormiga vive en la superficie de un tubo de agua del jardín. La marcha de la hormiga se produce en dos dimensiones: adelante y atrás de la tubería y derecha izquierda. Si actúa a la derecha o a la izquierda, comenzará a dar la vuelta en la circunferencia de la tubería y, si se mantiene la dirección, volverá a la misma posición inicial. Supongamos que ahora la hormiga tiene una luz roja en la espalda y que desde el tejado de una casa de 10 metros de altura miramos el curso de la hormiga. Desde esta distancia no se aprecia el grosor del tubo, por lo que no se ve la marcha a la derecha izquierda de la hormiga. Por su parte, el avance y retroceso se realiza a lo largo del tubo, por lo que sí destaca (Figura 1).

Según la teoría de las cuerdas, los seres humanos vivimos en el tejado de la analogía superior. Si bien desde el tejado se observa una sola dimensión, en la naturaleza se aprecian tres di­mentsiones. Pero como en el caso de la hormiga hay una dimensión enrollada adicional en una escala menor, que para ella es la izquierda y la derecha, en la naturaleza también habría seis dimensiones espirales microscópicas, tan pequeñas que no podemos medir o observar.

Supersimetría

Matemáticamente robusta y para muchos la teoría de las cuerdas es hermosa, y la belleza tiene mucho valor a la hora de juzgar nuevas teorías. Pero, además de hermoso, una teoría debe hacer predicciones verificables para que sea aceptada entre los físicos, y ahí está el principal problema de la teoría de las cuerdas. En 40 años no se han realizado observaciones o experimentos que comprometan la teoría de las cuerdas. Las ondas gravitatorias anunciadas por la relatividad general fueron observadas por primera vez 100 años después, por lo que todavía estamos a tiempo de juzgar la teoría de las cuerdas. El problema es que no estamos esperando una mejor tecnología para realizar observaciones, sino que la propia teoría de las cuerdas no es capaz de realizar predicciones concretas que pueden comprobarse experimentalmente. Está muy lejos de ser una teoría formal y completa y, en la medida en que no tiene una formulación concreta, no puede dar predicciones sobre la naturaleza.

Además de nueve dimensiones, para tener sentido, los físicos necesitan una característica llamada supersimetría. Si la naturaleza tiene esta característica, cada partícula básica que conocemos en la actualidad debería tener un par supersimétrico. Por ejemplo, el par supersimétrico del electrón sería el selectrón. Se esperaba que entre los corderos afloraran partículas supersimétricas en los últimos experimentos del LHC (Large Hadron Collider, un gigantesco acelerador de partículas en Ginebra), como en 2012 apareció el bosón Higgs. Los resultados, sin embargo, no han dado señales de estas partículas y la búsqueda de la supersimetría ha quedado a la espera de experimentos de mayor energía.

Principio antrópico y multiverso

Se esperaba que la teoría de las cuerdas iba a publicar las verdades más profundas sobre la naturaleza, que respondería a preguntas que el modelo estándar no puede explicar, como por qué el electrón tiene masa y no otra. Con el paso de los años, a medida que la teoría se va desarrollando, parece que se está alejando de la predicción concreta de la naturaleza. Las últimas investigaciones han demostrado cómo este bello mecanismo matemático de la teoría de las cuerdas es capaz de construir leyes físicas totalmente diferentes de la naturaleza. Es decir, si la teoría de las cuerdas se desarrollara completamente, las leyes físicas que anunciaría no serían sólo las que vemos hoy en día (compatibles con el modelo estándar y la relatividad general), sino que, según cómo sus dimensiones espaciales se enrollan, tendría la capacidad de prever cualquier ley física (figura 3). Dicho de otra manera, es capaz de dar como resultado nuestras leyes físicas, pero también es capaz de dar como resultado leyes físicas distintas de otro hipotético universo. Esto es lo que se denomina paisaje de las cuerdas (string landscape) y es hoy un tema importante de investigación.

Si la teoría de las cuerdas puede dar por buena cualquier ley física, ¿por qué el universo tiene leyes físicas que nosotros percibimos y no otras? En definitiva, todos son aceptables dentro de la teoría de las cuerdas.

Este problema ya existía antes de que surgiera la teoría de las cuerdas. ¿Por qué tiene, por ejemplo, la fuerza de la gravedad y no otra? Si tuviera algo más de fuerza, después del Big Bang toda la materia se compactaría más rápido y no se producirían galaxias y planetas. Si tuviera una fuerza algo menor, esa materia se dispersaría más rápidamente y entonces tampoco se produciría galaxia. ¿Por qué tiene fuerza suficiente para permitir la formación de galaxias, planetas y seres humanos? La mayoría de los físicos desearían encontrar la respuesta en las leyes físicas más profundas, donde hubiera razones físicas o matemáticas para determinar la fuerza gravitatoria. Pero hay otra posibilidad, el llamado principio antrópico, que dice que es imposible tener una fuerza gravitatoria diferente, porque en ese caso no habría seres humanos que lo observen y lo midan. Es decir, si una fuerza de gravedad determinada es necesaria para tener un universo humano, se medirá esa fuerza de gravedad en el universo en el que se encuentran.

Muchos seguidores de la teoría de las cuerdas están optando por el principio antrópico. Las cuerdas pueden explicar muchos universos diferentes, pero las leyes físicas que nosotros podemos ver son leyes que permiten que los seres humanos estén vivos y no otras. Algunos físicos afirman que esta actitud es resignarse a la búsqueda de las leyes físicas más profundas; que al no haber llegado la teoría de las cuerdas a los resultados esperados inicialmente, al no haber encontrado las leyes físicas básicas, es dejar la explicación de nuestra naturaleza según el principio antrópico.

En los últimos años también se ha dado una explicación científica al uso del principio antrópico. Uno de ellos es multiverso, donde nuestro universo sería sólo uno de los millones de universos más. Combinando la teoría de las cuerdas, la incertidumbre de la mecánica cuántica y las teorías más recientes sobre la inflación cósmica, algunos científicos creen que teóricamente es posible crear otros universos de un universo, con leyes físicas similares pero no idénticas. De este modo, se produciría un proceso entre universos similar a la teoría de la evolución de los seres vivos y el resultado serían millones de universos, en los que cada uno tendría leyes físicas diferentes. En esta perspectiva se inserta fácilmente el principio antrópico: si hay diferentes universos con leyes diferentes, evidentemente nosotros estaremos en el universo que tiene leyes que posibilitan a los seres humanos.

Necesidad de nuevas teorías

Además de su belleza matemática y de su capacidad para describir cualquier universo posible, a la teoría de las cuerdas le falta un pronóstico verificable. Hasta que se anuncia algo que no se ha observado hasta ahora o se explica un efecto que ya se ha observado pero que por el momento no somos capaces de explicar, la teoría de las cuerdas no será más que una idea incompleta, quizás completamente errónea en cuanto a la descripción de la realidad.

Muchos científicos preguntan por qué sigue suscitando tanto interés cuando en 40 años no ha hecho un solo pronóstico y si nunca será capaz de hacer predicciones. Una de las respuestas es que no hay una alternativa real. Existe el campo de la gravedad cuántica, que pretende cuantificar la gravedad para integrarla dentro de la mecánica cuántica y tratarla con otras fuerzas del modelo estándar en el mismo formalismo, pero no hay muchas más ideas para ir más allá del modelo estándar.

Los más críticos están a favor de rechazar completamente la teoría de las cuerdas. Dicen que el programa es totalmente agotado y que nunca conseguirá resultados, y sin embargo atrae a los mejores físicos jóvenes. La culpa de seguir investigando es imputable al sistema universitario: dado que los jefes de los departamentos de física teórica actuales están volcados en la teoría de las cuerdas, dejar de investigar las cuerdas sería renunciar a toda su trayectoria investigadora y dedicar la mayor parte de las becas y ayudas a temas relacionados con las cuerdas.

La teoría de las cuerdas sigue su curso y seguirá durante mucho tiempo. Como nunca sabemos que será capaz de explicar nuestra naturaleza, es imprescindible no dejar de explorar otros caminos. No se puede saber cuándo y cómo aparecerá una idea loca e innovadora que tendrá la capacidad de responder a los misterios y preguntas que todavía tenemos.

Bibliografía

1. Greene, Brian. 2003. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. Nueva York / London: W. W. Norton.
2. Woit, Peter. 2006 Not wrong. London: Jonathan Cape.
3. Susskind, Leonard. 2006. El cosmic landscape. Nueva York: Hachette Book Group.
4. Kinney, Will. 2022. An infinity of worlds: cosmic inflation and the beginning of the universe. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press.
5. Mukhi, Sunil. 2011. “String theory: a perspective over the last 25 years”. Classical and Quantum Gravity, 28. 153001.

    

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