Teoría das cordas: un soño que non se materializa

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

• Fisika

Levamos moitos anos escoitando a teoría das cordas (string theory en inglés). Considerouse como o último destino da física teórica, unha teoría que vai aflorar as leis físicas máis profundas da natureza.

En física teórica, o modelo estándar e a relatividad xeral son as dúas principais teorías hoxe comprobadas experimentalmente. O primeiro describe o mundo microscópico e cuántico; o segundo describe a interacción gravitacional que o segundo interacciona a escala astronómica. Os físicos levan décadas tratando de unir as dúas teorías en busca do que sería a teoría de todo, e a teoría das cordas é a que máis interese suscita nesta procura.

Nove dimensións espaciais

A teoría das cordas estrutúrase na década de 1980. Desde entón sufriu dúas revolucións e está en constante evolución, pero baséase fundamentalmente en cordas unidimensionais moito máis pequenas que protones e electróns. Estes paspallás serían o único e imprescindible compoñente de toda a materia. As cordas darían e segundo a frecuencia de devandita vibración cada corda vibra unha ou varias partículas elementais (electróns, gravitones, neutrinos, etc.). imaxinaríao. É dicir, un electrón sería só unha corda que vibra cunha frecuencia concreta.

Con todo, a teoría das cordas ten un problema. A descrición das cordas proporciona resultados absurdos si exprésanse en tres dimensións espaciais; matematicamente, unha teoría axeitada require que as cordas vivan en nove dimensións espaciais. Onde están esas dimensións se no noso día a día só temos tres? Pois se di que as seis dimensións que faltan están enroladas en si mesmas. Cunha analogía enténdese que significa mellor esa espiral.

Unha formiga vive na superficie dun tubo de auga do xardín. A marcha da formiga prodúcese en dúas dimensións: adiante e atrás da tubaxe e dereita esquerda. Se actúa á dereita ou á esquerda, comezará a dar a volta na circunferencia da tubaxe e, se se mantén a dirección, volverá á mesma posición inicial. Supoñamos que agora a formiga ten unha luz vermella nas costas e que desde o tellado dunha casa de 10 metros de altura miramos o curso da formiga. Desde esta distancia non se aprecia o grosor do tubo, polo que non se ve a marcha á dereita esquerda da formiga. Pola súa banda, o avance e retroceso realízase ao longo do tubo, polo que si destaca (Figura 1).

Segundo a teoría das cordas, os seres humanos vivimos no tellado da analogía superior. Aínda que desde o tellado obsérvase unha soa dimensión, na natureza aprécianse tres dimentsiones. Pero como no caso da formiga hai unha dimensión enrolada adicional nunha escala menor, que para ela é a esquerda e a dereita, na natureza tamén habería seis dimensións espirales microscópicas, tan pequenas que non podemos medir ou observar.

Supersimetría

Matematicamente robusta e para moitos a teoría das cordas é fermosa, e a beleza ten moito valor á hora de xulgar novas teorías. Pero, ademais de fermoso, unha teoría debe facer predicións verificables para que sexa aceptada entre os físicos, e aí está o principal problema da teoría das cordas. En 40 anos non se realizaron observacións ou experimentos que comprometan a teoría das cordas. As ondas gravitatorias anunciadas pola relatividad xeral foron observadas por primeira vez 100 anos despois, polo que aínda estamos a tempo de xulgar a teoría das cordas. O problema é que non estamos a esperar unha mellor tecnoloxía para realizar observacións, senón que a propia teoría das cordas non é capaz de realizar predicións concretas que poden comprobarse experimentalmente. Está moi lonxe de ser unha teoría formal e completa e, na medida en que non ten unha formulación concreta, non pode dar predicións sobre a natureza.

Ademais de nove dimensións, para ter sentido, os físicos necesitan unha característica chamada supersimetría. Se a natureza ten esta característica, cada partícula básica que coñecemos na actualidade debería ter un par supersimétrico. Por exemplo, o par supersimétrico do electrón sería o selectrón. Esperábase que entre os cordeiros aflorasen partículas supersimétricas nos últimos experimentos do LHC (Large Hadron Collider, un xigantesco acelerador de partículas en Xenebra), como en 2012 apareceu o bosón Higgs. Os resultados, con todo, non deron sinais destas partículas e a procura da supersimetría quedou á espera de experimentos de maior enerxía.

Principio antrópico e multiverso

Esperábase que a teoría das cordas ía publicar as verdades máis profundas sobre a natureza, que respondería a preguntas que o modelo estándar non pode explicar, como por que o electrón ten masa e non outra. Co paso dos anos, a medida que a teoría se vai desenvolvendo, parece que se está afastando da predición concreta da natureza. As últimas investigacións demostraron como este belo mecanismo matemático da teoría das cordas é capaz de construír leis físicas totalmente diferentes da natureza. É dicir, se a teoría das cordas desenvolvésese completamente, as leis físicas que anunciaría non serían só as que vemos hoxe en día (compatibles co modelo estándar e a relatividad xeral), senón que, segundo como as súas dimensións espaciais enrólanse, tería a capacidade de prever calquera lei física (figura 3). Dito doutra maneira, é capaz de dar como resultado as nosas leis físicas, pero tamén é capaz de dar como resultado leis físicas distintas doutro hipotético universo. Isto é o que se denomina paisaxe das cordas (string landscape) e é hoxe un tema importante de investigación.

Se a teoría das cordas pode dar por boa calquera lei física, por que o universo ten leis físicas que nós percibimos e non outras? En definitiva, todos son aceptables dentro da teoría das cordas.

Este problema xa existía antes de que xurdise a teoría das cordas. Por que ten, por exemplo, a forza da gravidade e non outra? Se tivese algo máis de forza, despois do Big Bang toda a materia compactaríase máis rápido e non se producirían galaxias e planetas. Se tivese unha forza algo menor, esa materia dispersaríase máis rapidamente e entón tampouco se produciría galaxia. Por que ten forza suficiente para permitir a formación de galaxias, planetas e seres humanos? A maioría dos físicos desexarían atopar a resposta nas leis físicas máis profundas, onde houbese razóns físicas ou matemáticas para determinar a forza gravitatoria. Pero hai outra posibilidade, o chamado principio antrópico, que di que é imposible ter unha forza gravitatoria diferente, porque nese caso non habería seres humanos que o observen e mídano. É dicir, se unha forza de gravidade determinada é necesaria para ter un universo humano, medirase esa forza de gravidade no universo no que se atopan.

Moitos seguidores da teoría das cordas están a optar polo principio antrópico. As cordas poden explicar moitos universos diferentes, pero as leis físicas que nós podemos ver son leis que permiten que os seres humanos estean vivos e non outras. Algúns físicos afirman que esta actitude é resignarse á procura das leis físicas máis profundas; que ao non chegar a teoría das cordas aos resultados esperados inicialmente, ao non atopar as leis físicas básicas, é deixar a explicación da nosa natureza segundo o principio antrópico.

Nos últimos anos tamén se deu unha explicación científica ao uso do principio antrópico. Un deles é multiverso, onde o noso universo sería só un dos millóns de universos máis. Combinando a teoría das cordas, a incerteza da mecánica cuántica e as teorías máis recentes sobre a inflación cósmica, algúns científicos cren que teoricamente é posible crear outros universos dun universo, con leis físicas similares pero non idénticas. Deste xeito, produciríase un proceso entre universos similar á teoría da evolución dos seres vivos e o resultado serían millóns de universos, nos que cada un tería leis físicas diferentes. Nesta perspectiva insérese facilmente o principio antrópico: se hai diferentes universos con leis diferentes, evidentemente nós estaremos no universo que ten leis que posibilitan aos seres humanos.

Necesidade de novas teorías

Ademais da súa beleza matemática e da súa capacidade para describir calquera universo posible, á teoría das cordas fáltalle un prognóstico verificable. Ata que se anuncia algo que non se observou até agora ou se explica un efecto que xa se observou pero que polo momento non somos capaces de explicar, a teoría das cordas non será máis que unha idea incompleta, quizais completamente errónea en canto á descrición da realidade.

Moitos científicos preguntan por que segue suscitando tanto interese cando en 40 anos non fixo un só prognóstico e si nunca será capaz de facer predicións. Unha das respostas é que non hai unha alternativa real. Existe o campo da gravidade cuántica, que pretende cuantificar a gravidade para integrala dentro da mecánica cuántica e tratala con outras forzas do modelo estándar no mesmo formalismo, pero non hai moitas máis ideas para ir máis aló do modelo estándar.

Os máis críticos están a favor de rexeitar completamente a teoría das cordas. Din que o programa é totalmente esgotado e que nunca conseguirá resultados, e con todo atrae aos mellores físicos novos. A culpa de seguir investigando é imputable ao sistema universitario: dado que os xefes dos departamentos de física teórica actuais están envorcados na teoría das cordas, deixar de investigar as cordas sería renunciar a toda a súa traxectoria investigadora e dedicar a maior parte das bolsas e axudas a temas relacionados coas cordas.

A teoría das cordas segue o seu curso e seguirá durante moito tempo. Como nunca sabemos que será capaz de explicar a nosa natureza, é imprescindible non deixar de explorar outros camiños. Non se pode saber cando e como aparecerá unha idea tola e innovadora que terá a capacidade de responder os misterios e preguntas que aínda temos.

Bibliografía

1. Greene, Brian. 2003. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. Nova York / London: W. W. Norton.
2. Woit, Peter. 2006 Not wrong. London: Jonathan Cape.
3. Susskind, Leonard. 2006. O cosmic landscape. Nova 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.

    

6.