¿Por qué cuerdas?

“La teoría de cuerdas es física del siglo XXI,  que cayó accidentalmente en el siglo XX.”

Edward  Witten

Edward Witten, del Instituto para Estudios Avanzados de Princeton,  New Jersey, domina el mundo de la física teórica.  Podríamos decir que Witten, es el que tira del pelotón, el más brillante físico de altas energías que marca las tendencias actuales en la comunidad científica de la física teórica y el que ha sido capaz de plantear la versión más moderna de la teoría de supercuerdas, conocida como teoría M.

Algunos se han atrevido a compararlo con Einstein. Ha ganado la medalla Field de 1990, una especie de Premio Nobel de las matemáticas. Dice su mujer (también físico de profesión), que Witten permanece sentado con la mirada perdida en el horizonte a través de una ventana, manipulando y reordenando grandes conjuntos de complejas ecuaciones en su mente. Su esposa señala: “Nunca hace cálculos excepto en su mente. Yo llenaría páginas con cálculos antes de llegar a comprender lo que está haciendo, pero Edward sólo se sienta para calcular un signo menos o un factor dos”.    Witten dice: “La mayoría de las personas que no han estudiado física probablemente piensan que lo que hacen los físicos es cuestión de cálculos increíblemente complicados, pero eso no es realmente lo esencial. Lo esencial es que la física trata de conceptos, busca comprender los conceptos, los principios mediante los cuales opera el mundo, el universo”.

Así que Witten se ha enfrascado en la nada fácil tarea de unir la mecánica cuántica con la gravedad mediante la teoría de supercuerdas que, según él, nos puede incluso descubrir el instante mismo de la creación. El aspecto clave de esta teoría, el factor que le da su potencia tanto como su unicidad, es su geometría inusual. Las cuerdas (como ya dije antes) pueden vibrar autoconsistentemente sólo en 10 y 26 dimensiones.

La esencia de la teoría de cuerdas consiste en que puede explicar la naturaleza de la materia y del espacio-tiempo; es decir, la naturaleza del universo entero. Esta teoría responde a una serie de cuestiones enigmáticas acerca de las partículas, tales como por qué existen tantas en la naturaleza.   Cuanto más profundamente sondeamos en la naturaleza de las partículas subatómicas, más partículas aparecen. Existen varios centenares de ellas y sus propiedades llenan volúmenes y volúmenes. Incluso con el Modelo Estándar tenemos un desconcertante número de “partículas elementales”. La teoría de cuerdas responde a esta pregunta porque la cuerda, alrededor de 100 trillones de veces más pequeña que un protón, esta vibrando; cada modo de vibración representa una resonancia o partícula distinta. La cuerda es tan increíblemente pequeña que, a cierta distancia, una resonancia de una cuerda y una partícula son indistinguibles. Sólo cuando ampliamos de alguna forma la partícula podemos ver que no es en absoluto un punto, sino un modo de una cuerda vibrante.

Según la teoría de cuerdas, la materia no es nada más que las armonías creadas por cuerdas vibrantes. Del mismo modo que se puede componer un número infinito de armonías para el violín, puede construirse un número infinito de formas de materia a partir de cuerdas vibrantes. Esto explica la riqueza de las partículas en la naturaleza. Análogamente, las leyes de la física pueden ser comparadas a las leyes de la armonía permitida en la cuerda. El propio universo, compuesto de innumerables cuerdas vibrantes, sería entonces comparable a una sinfonía.

La teoría de cuerdas explica la naturaleza de las partículas y del espacio-tiempo. Cuando una cuerda se mueve en el espacio-tiempo, ejecuta un conjunto de complicados movimientos. La cuerda puede, a su vez, romperse en cuerdas más pequeñas o colisionar con otras cuerdas para formar cuerdas más largas. El punto clave es que todas estas correcciones cuánticas o diagramas cerrados son finitos y calculables. Esta es la primera teoría cuántica de la gravedad en la historia de la física que tiene correcciones cuánticas finitas (recordemos que todas las teorías previas conocidas – incluyendo la teoría original de Einstein, la de Kaluza-Klein y la teoría de supergravedad – fallaban en este criterio clave).

Lazos

En la teoría de cuerdas, la fuerza gravitatoria se representa mediante el intercambio de cuerdas cerradas, que barren tubos en el espacio-tiempo. Incluso si usamos una serie infinita de diagramas con un gran número de agujeros, nunca aparecen infinitos en la teoría, dándonos una teoría de gravedad cuántica.

Cuando se calcularon por primera vez las ligaduras que impone la cuerda sobre el espacio-tiempo, los físicos quedaron sorprendidos al descubrir que las ecuaciones de Einstein emergían de la cuerda. Esto era notable; sin suponer ninguna de las ecuaciones de Einstein, los físicos asombrados descubrían que ellas emergían de la teoría de cuerdas como por encanto.   Las ecuaciones de Einstein ya no resultaban ser fundamentales; podían derivarse de la teoría de cuerdas de la que formaban parte. Einstein pensaba que la geometría por sí sola explicaría un día todas las propiedades de la materia; para él la materia era sólo un nudo o vibración del espacio-tiempo, ni más ni menos. Los físicos cuánticos, por el contrario, pensaban de manera distinta a la de Einstein, es decir, que el tensor métrico de Riemann-Einstein podía convertirse en un gravitón, el paquete discreto de energía que transporta la fuerza gravitatoria y, en este preciso punto, aparece la cuerda, que según todos los indicios puede ser el “eslabón perdido” entre la mecánica cuántica y la relatividad general, el que permita la unificación entre ambas teorías de manera natural y complete el circulo de una teoría de “todo” que explique el universo, la materia y el espacio-tiempo con todas sus constantes universales y las fuerzas de la naturaleza que lo rigen todo.

La teoría de cuerdas, por consiguiente, es suficientemente rica para explicar todas las leyes fundamentales de la naturaleza. Partiendo de una simple teoría de una cuerda vibrante, uno puede extraer la teoría de Einstein, la teoría de Kaluza-Klein, la supergravedad, el Modelo Estándar e incluso una teoría GUT (Gran Teoría Unificada). Parece un milagro que partiendo de unos argumentos puramente geométricos acerca de una cuerda, se pueda desarrollar totalmente por derivación la física de los últimos dos mil años.   Todas las teorías discutidas hasta ahora están incluidas automáticamente en la teoría de cuerdas.

En 1984, John Schwarz del Instituto Tecnológico de California y su colaborador Michael Green del Queen Mary’s Collage de Londres, demostraron que la teoría de cuerdas podía ser autoconsistente, lo que desencadenó una carrera de los físicos más jóvenes para resolver esta teoría.

El concepto de órbitas, por ejemplo, se da repetidamente en la naturaleza en diferentes variaciones; desde la obra de Copérnico, las órbitas han proporcionado un tema esencial que se repite constantemente a lo largo de la naturaleza en diferentes variaciones, desde las galaxias más grandes hasta los átomos y los más diminutas partículas subatómicas, tanto las unas como las otras describen órbitas en su deambular por el espacio. De manera análoga, los campos de Faraday se han mostrado como uno de los temas favoritos de la naturaleza. Los campos pueden describir el magnetismo de la naturaleza de las galaxias y la gravitación, o pueden describir la teoría electromagnética de Maxwell, la teoría métrica de Riemann-Einstein, los campos de Yang-Mills encontrados en el Modelo Estándar, y así todas las formas conocidas de materia y energía han sido expresadas en términos de teoría de campos. Las estructuras, entonces, como los temas y variaciones en una sinfonía, son repetidas constantemente.

¿Pero las cuerdas? Las cuerdas no parecen ser una estructura preferida por la naturaleza en el diseño de los cielos. No vemos cuerdas en el espacio exterior. De hecho no las vemos por ninguna parte.

Un momento de reflexión, sin embargo, revelará que la naturaleza ha reservado un papel especial a las cuerdas, como un ladrillo básico para otras formas. Por ejemplo, la característica esencial de la vida en el planeta Tierra es la molécula de ADN similar a una cuerda, que contiene la información compleja y el código de la propia vida. Para construir la materia de la vida, tanto como la materia subatómica, las cuerdas parecen ser la respuesta perfecta. En ambos casos, queremos encerrar una gran cantidad de información en una estructura reproducible y relativamente simple. La característica distintiva de una cuerda es que es una de la forma más compacta de almacenar grandes cantidades de datos de un modo en que la información pueda ser replicada.

Para los seres vivos la naturaleza utiliza la doble cadena de la molécula de ADN, que se separa y forma copias duplicadas de cada una de ellas.   Nuestros cuerpos también contienen millones de millones de cadenas de proteínas, formadas de ladrillos de aminoácidos. Nuestro cuerpo, en cierto sentido, puede ser considerado como una enorme colección de cuerdas: moléculas de proteínas que revisten nuestros huesos. Sin embargo, nadie puede dar una explicación de nuestro entendimiento, de la inteligencia que se crea y que llevamos con nosotros desde el mismo momento del nacimiento, está ahí presente, a la espera de que se la despierte, es la inteligencia dormida y evolucionada por el conocimiento de las cosas. La conciencia de SER a la que llamamos alma, y que de alguna manera es inmortal, ya que lo que sabemos lo cedemos y lo dejamos aquí para los que nos siguen en la tarea emprendida por la humanidad desde que, en el preciso momento en que surgió aquella primera célula original que fue capaz de dividirse para replicarse a sí misma, se dio el primer paso para el nacimiento de la vida en nuestro planeta. Pero esa es otra cuestión que será tratada en otro próximo trabajo, ahora volvamos al tema de la teoría de cuerdas de la física.

En la década de los noventa se creó una versión de mucho éxito de la teoría de cuerdas. Sus autores, los físicos de Princeton David Gross, Emil Martinec, Jeffrey Harvey y Ryan Rohn, a quienes se dio en llamar el cuarteto de cuerdas de Princeton.

El de más edad de los cuatro, David Gross, hombre de temperamento imperativo, es temible en los seminarios cuando al final de la charla, en el tiempo de preguntas, con su inconfundible vozarrón dispara certeros e inquisidoras preguntas al ponente. Lo que resulta sorprendente es el hecho de que sus preguntas dan normalmente en el clavo.

Gross y sus colegas propusieron lo que se denomina la cuerda heterótica. Hoy día, de todas las variedades de teorías tipo Kaluza-Klein que se propusieron en el pasado, es precisamente la cuerda heterótica la que tiene mayor potencial para unificar todas las leyes de la naturaleza en una teoría.  Gross cree que la teoría de cuerdas resuelve el problema de construir la propia materia a partir de la geometría de la que emergen las partículas de materia y también la gravedad en presencia de las otras fuerzas de la naturaleza.

Es curioso constatar que si abandonamos la teoría de la gravedad de Einstein como una vibración de la cuerda, entonces la teoría se vuelve inconsistente e inútil. Esta, de hecho, es la razón por la que Witten se sintió atraído inicialmente hacia la teoría de cuerdas. En 1.982 leyó un artículo de revisión de John Schwarz y quedó sorprendido al darse cuenta de que la gravedad emerge de la teoría de supercuerdas a partir solamente de los requisitos de auto consistencia. Recuerda que fue “la mayor excitación intelectual de mi vida”.

Gross se siente satisfecho pensando que Einstein, si viviera, disfrutaría con la teoría de supercuerdas que sólo es válida si incluye su propia teoría de la relatividad general, y amaría el hecho de que la belleza y la simplicidad de esa teoría proceden en última instancia de un principio geométrico, cuya naturaleza exacta es aún desconocida.

Witten llega incluso a decir que “todas las ideas realmente grandes en la física, son retornos de la teoría de supercuerdas”. Con esto, él quiere decir que todos los grandes avances en física teórica están incluidos en la teoría de supercuerdas. Incluso afirma el hecho de que la teoría de supercuerdas fue “un accidente del desarrollo intelectual en el planeta Tierra, ocurrido antes de su tiempo”. Y continúa diciendo: “En alguna parte en el espacio exterior, otras civilizaciones en el universo pudieron haber descubierto primero la teoría de supercuerdas y derivado de ella la teoría de la relatividad general que lleva dentro”.

La cuerda heterótica de Gross y sus colegas, consiste en una cuerda cerrada que tiene dos tipos de vibraciones, en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario, que son tratadas de forma diferente. Las vibraciones en el sentido de las agujas del reloj viven en un espacio de diez dimensiones. Las vibraciones de sentido contrario viven en un espacio de veintiséis dimensiones, de las que dieciséis han sido compactificadas. Lo mismo ocurría en la teoría de la quinta dimensión de Kaluza-Klein, donde la quinta dimensión estaba compactificada curvándose en un círculo en el límite de Planck.

La cuerda heterótica debe su nombre al hecho de que las vibraciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario viven en dos dimensiones diferentes pero se combinan para producir una sola teoría de supercuerdas. Esta es la razón de que se denomine según la palabra griega heterosis, que significa “vigor hibrido”.

El espacio compactificado de dieciséis dimensiones es el más interesante. Cuando fue analizado por el “cuarteto de cuerda” de Princeton (Gross y su equipo), descubrieron que contiene una simetría de enormes dimensiones, denominada E (8) × E (8), que es mucho mayor que cualquier simetría GUT que se hubiese intentado jamás. Esta simetría es mucho mayor que el grupo de simetría que aparece en el Modelo Estándar, dado por SU(3) × SU(2) × U(1) que es un subconjunto de la anterior donde está acomodado también (dada su amplitud) el Modelo Estándar.

Las leyes de la física se simplifican en dimensiones más altas.

En este caso, en el espacio 26–dimensional de las vibraciones de sentido contrario a las agujas del reloj de la cuerda heterótica que tiene espacio suficiente para explicar todas las simetrías encontradas en la teoría de Einstein y en la teoría cuántica. Así, por primera vez, la geometría pura ha dado una simple explicación de por qué el mundo subatómico debería exhibir necesariamente ciertas simetrías que emergen del enrollamiento del espacio de más dimensiones: Las simetrías del dominio subatómico no son sino remanentes de la simetría del espacio de más dimensiones.

Esto significa que la belleza y simetrías encontradas en la naturaleza pueden ser rastreadas en última instancia hasta el espacio multidimensional.  Por ejemplo, los copos de nieve crean bellas figuras hexagonales, ninguna de las cuales es exactamente igual a otra, han heredado sus estructuras de las formas en que sus moléculas han sido dispuestas geométricamente, determinada básicamente por las cortezas electrónicas de estas moléculas, que a su vez nos llevan de nuevo a las simetrías rotacionales de la teoría cuántica, dadas por O (3).

Podemos concluir diciendo que las simetrías que vemos a nuestro alrededor, desde un arco iris a las flores y a los cristales, pueden considerarse en última instancia como manifestaciones de fragmentos de la teoría decadimensional original. Riemann y Einstein habían confiado en llegar a una comprensión geométrica de por qué las fuerzas pueden determinar el movimiento y la naturaleza de la materia.

Dado el enorme poder de sus simetrías, no es sorprendente que la teoría de supercuerdas sea radicalmente diferente de cualquier otro tipo de física.  De hecho, fue descubierta casi por casualidad. Muchos físicos han comentado que si este accidente fortuito no hubiese ocurrido, entonces la teoría no se hubiese descubierto hasta bien entrado el siglo XXI. Esto es así porque supone una neta desviación de todas las ideas ensayadas en este siglo. No es una extensión natural de tendencias y teorías populares en este siglo que ha pasado; permanece aparte.

Por el contrario, la teoría de la relatividad general de Einstein tuvo una evolución normal y lógica. En primer lugar, su autor, postula el principio de equivalencia. Luego reformuló este principio físico en las matemáticas de una teoría de campos de la gravitación basada en los campos de Faraday y en el tensor métrico de Riemann. Más tarde llegaron las “soluciones clásicas”, tales como el agujero negro y el Big Bang. Finalmente, la última etapa es el intento actual de formular una teoría cuántica de la gravedad. Por lo tanto, la relatividad general siguió una progresión lógica, desde un principio físico a una teoría cuántica.

Geometría → teoría de campos → teoría clásica → teoría cuántica.

Contrariamente, la teoría de supercuerdas ha estado evolucionando hacia atrás desde su descubrimiento accidental en 1968. Esta es la razón de que nos parezca extraña y poco familiar, estamos aún buscando un principio físico subyacente, la contrapartida del principio de equivalencia de Einstein.

La teoría nació casi por casualidad en 1968 cuando dos jóvenes físicos teóricos, Gabriel Veneziano y Mahiko Suzuki, estaban hojeando independientemente libros de matemáticas. Figúrense ustedes que estaban buscando funciones matemáticas que describieran las interacciones de partículas fuertemente interactivas. Mientras estudiaban en el CERN, el Centro Europeo de Física Teórica en Ginebra, Suiza, tropezaron independientemente con la función beta de Euler, una función matemática desarrollada en el S. XIX por el matemático Leonhard Euler. Se quedaron sorprendidos al descubrir que la función beta de Euler ajustaba casi todas las propiedades requeridas para describir interacciones fuertes de partículas elementales.

Queda aún un largo camino por recorrer para que esta bonita teoría puede ser una realidad y, para ello, lo primero que se necesita es poder verificarla de manera experimental, lo cual, de momento, nos resulta imposible dado que, para ello, es preciso disponer de la energía de Planck y, eso, amigos míos, de momento resulta imposible.

emilio silvera

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