Magnetismo, Gravedad, las fuerzas Nucleares, y… ¿Qué más?

¿Podrá el magnetismo y la Gravedad estar unidos en un universo de más dimensiones? Cuando Einstein oyó hablar de esta idea se entusiasmó con ella,  pero pronto comprendió que con esa teoría no se podía predecir nada y la abandonó. Cuando recibió la carta de Kaluza en la que le mostraba que en cinco dimensiones se podían unir el magnetismo y la Gravedad, se quedó perplejo y, aunque el abandonó pronto la idea, años más tarde, daría lugar a la teoría de cuerdas.

La característica esencial del diagrama que vemos más abajo es que la materia, junto con las ecuaciones de Yang-Mills y de Einstein, está ahora incluida en el mismo campo de supergravedad de 11 dimensiones. Veámoslo así:

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón para el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la fecha no ha sido detectado.

Los expertos en supergravedad redescubrieron esta idea de Kaluza y Klein.Una vez que hemos empezado a considerar muchas dimensiones extra, entramos en una especie de Valhalla de las matemáticas donde podemos enrollar las cosas de muchas maneras diferentes. Las componentes de los campos de fuerza gravitatorias en las direcciones enrolladas actúan como diferentes campos gauge. Obtenemos así, prácticamente por nada, no sólo electromagnetismo sino también otras fuerzas gauge. El número mágico de dimensiones es 11, tres de las cuales forman el espacio ordinario, una el tiempo y las siete restantes están enrolladas. Haciendo ciertos trucos con los números, este sistema resulta tener una simetría mayor que nuestro viejo sistema espacio-temporal de cuatro dimensiones. Los campos y las partículas observadas ahora pueden ser fácilmente acomodados, ya que una simetría mayor significa que los indeseados infinitos se cancelan unos a otros con mayor perfección que antes.

Ciertamente esta idea, esta idea parece ser la contraria a la noción de que el espacio y el tiempo sean nada más que puntos aislados, ya que entonces la noción de “dimensión” deja de tener sentido. Pero los matemáticos no se sienten amenazados por tales contracciones aparentes. De acuerdo con ellos,  hay todo tipo de relaciones entre los espacios enrollados y la matemática de los números enteros, “sueltos” (uno podría indicar los puntos aislados del espaciotiempo con enteros). ¿Podría ser que exitieran diferentes formas de describir nuestro espacio y el tiempo que todas fueran matemáticamente equivalentes? Simplemente no lo sabemos.

Lo que sospecho es que la Supergravedad de dimensión once puede que sólo sea, en el mejor de los casos, la punta de un amravilloso Iceberg que nosotros podemos intuir pero, también es simplemente posible  que sea errónea. Los caminos de la Mente no son bien entendidos y resultan demasiado complejos. He hecho, se han podido lograr conocimientos que la Naturaleza mantenía profundamente escondidos y, sin embargo, ahí están al descubierto y desnudos por medio de nuestros pensamientos que fueron capaces de llegar, hasta las entrañas mismas del Universo.

                                          No siempre podemos ver todo lo que hay

En cuanto a las teorías físicas más avanzadas, no deberíamos olvidar en este  momento que estamos tratando de suposiciones y que los argumentos teóricos que la sustentan son aún, extremadamente débiles. ¿Por qué supersimetría? ¿Por qué Once Dimensiones? ¿Por qué en este mundo todo debería ser maravillosamente simétrico? Y, sobre todo, ¿por qué un continuo, si ya sabemos que el espacio y el tiempo han perdido su significado habitual a distancias ultracortas? Además está la dificultad persistente en esta clase de teorías de que las interacciones entre partículas son siempre tratadas como perturbaciones que afectan a sus trayectorias las cuales, de otra manera, serían perfectamente rectilineas.

Pero entonces habrá nuevas (y diferentes) perturbaciones sobre esas trayectorias perturbadas, y perturbaciones sobre ellas, y así sucesivamente. esta serie de perturbaciones no acaba nunca y este es un problema que se impone en cualquier proceso de formulación exacta.

Es cierto que este problema también afecta al viejo “modelo estándar”, pero al menos allí se podría argüir que, donde realmente importaba, las fuerzas podrían mantenerse pequeñas  y que la serie de perturbaciones convergía rápidamente. Esto no se puede mantener así en nuestra teoría de la (super)  Gravedad, ya que a distancias pequeñas las interacciones se hacen fuertes.

Los Quarks permacen confinados dentro del núcleo formando protones y neutrones y, cuando tratan de separase, la fuerza nuclear fuerte aumenta, en cambio, cuando los Quarks están juntos, se mueven con facilidad y la fuerza disminuye: Libertad asintótica de los Quarkas.

Es cierto que fue un alivio descubrir aquellas primeras dificultades serias en esta teoría, y resultó que no era posible tener infinitos que se cancelasen en diagramas con más de siete lazos cerrados. La teoría, o mejor dicho, la especulación de que esto fuese una “teoría de todo” se abandonó (como otras veces ocurrió) porque algo más interesante apareció en el horizonte de la Física. ¡Las Supercuerdas!

Aunque hemos hablado mucho de ellas, creo que debemos profundizar algo más en esta prometedora teoría y, aunque de momento es sólo una especulación avanzada…¿quién sabe? lo que nos podrían traer esas ideas avanzadas que han dado lugar a matemáticas profundas de un 2universo topológico” incomprensible para muchos y fascinantes para unos pocos.

Los tiempos cambian, y, con los cambios llegan las nuevas doctrinas o creencias, o, ¿por qué no? nuevas teorías. Desde hace algún tiempo venimos dando vueltas y vueltas, en el campo de la Física, a esas avanzadas teorías que no podemos demostrar, toda vez que, al contrario del Modelo Estándar, no son (por ahora) verificables sus predicciones. Me estoy refiriendo, como habeis podido suponer a la Teoría de supercuerdas, La cuerdad Heterótica, la Supergravedad y Supersimetría, y, finalmente, la última versión que viene a ser un compendio de todas las demás, la Teoría M.

Como nos dice Brian Greene en uno de los capítulos del libro El tejido del cosmos, que él titula: “Especulaciones sobre el espacio y el tiempo en la teoría M”, hoy, tres décadas después de la articulación de la teoría de cuerdas,la mayoría de los que trabajan en ella, creen que aún no tenemos una respuesta general para la pregunta fundamental: ¿qué es la teoría de cuerdas? A pesar de que sabemos bastante de la teoría, sus características más elementales son familiares y, a estas alturas, casi cercanas. Tampoco debemos despreciar los éxitos que ha cosechado y, desde luego, es bien sabido todo lo que nos promete y también ¿cómo no? los desafíos que suponen lograr todas esas promesas que en ella están encerradas.

La relatividad especial tiene la constancia de la Velocidad de la luz, la relatividad general tiene el principio de Equivalencia, la mecánica cuántica tiene, el principio de Incertidumbre y, sin embargo, los teóricos de cuerdas aún siguen buscando algo de lo que carece la teoría de cuerdas que, precisamente es: el tipo de principio nuclear que se encontraron en aquellas otras teorías y le dan razón de ser y la sólida base que toda teo´ria necesita para ser.

Esa nueva teorías quiere explicarlo todo. Nada puede estar fuera de ella: El Universo que es, todo lo que existe, ahí estará

Un universo de Supercuerdas. El sueño de Einstein comienza a tomar realidad, a través de un nuevo paradigma de la ciencia que viene a romper con la toda la visión del mundo y del universo que teníamos hasta ahora, más allá de lo imaginable. Si la Teoría de cuerdas, finalmente resultase ser cierta, ese descubrimiento llevaría al mundo y a la conciencia humana hasta una nueva dimensión de su propia conciencia.

El sueño de Einstein es el sueño de la física teórica moderna: unificar la gravedad con las otras interacciones fundamentales de la naturaleza. Un artículo publicado en Nature estudia cómo se ve afectado el electromagnetismo (una teoría gauge abeliana) debido a la existencia de la gravedad. Las constantes de acoplamiento que caracterizan la “fuerza” de las interacciones fundamentales cambian con la energía. A energías muy altas, o distancias muy cortas, las tres constantes convergen entre sí (de forma aproximada en el modelo estándar y de forma exacta en las teorías supersimétricas). Sin embargo, el comportamiento de la gravedad a distancias ultracortas, en el rango entre 10^-32 m y 10^-35 m, influye o afecta a las constantes de acoplamiento incluso aunque no se conoce la teoría cuántica correcta de la gravedad, ya que dicha teoría solo es necesaria a distancias menores de 10^-35 m. El nuevo análisis indica que el efecto de la gravedad sobre las otras interacciones fundamentales podría ser observado a distancias entre 10^-33 m y 10^-35 m; en concreto se observaría  un cambio en el fenómeno llamado libertad asintótica de las constantes de acoplamiento.

La Libertad Asintótica nos habla de que las fuerzas entre partículas como los Quarks se hacen más débiles a distancias más cortas (es decir, a altas energías) y se anulan a medida que las distancias entre las  partículas tienden a cero. Este fenómeno se puede observar en la fuerza nuclear fuerte, entre los quarks que si se alejan los unos de los otros aumenta la fuerza y, cuando se juntan, esta disminuye.

Lo primero que debemos entender es la inevitabilidad de la gravitación en la Teoría de Cuerdas. Una vez conjugamos efectos cuánticos con el carácter extenso de la cuerda aparece inevitablemente en el espectro un gravitón, y es esta inevitabilidad de la gravitación la que nos aporta una comprensión nueva de la escala de longitud de la cuerda. En breves palabras, si parametrizamos por g la amplitud cuántica de que una cuerda se divida en dos y por  L la escala de longitud de la misma, nos encontramos conque gL es precisamente la longitud de Planck:

Dicho de otra manera, la constante de Newton  G, que define la intensidad gravitatoria, ¡es simplemente (gL)! Y, este hecho, tiene importantísimas consecuencias. En efecto, si la longitud de Planck está definida de manera intrínseca, podemos asociar, sin salirnos de la propia teoría, con cualquier modo de vibración de la cuerda de masa M su radio gravitacional, o, si se prefiere, su tamaño gravitatorio: R(M) = MG. Una vez hacemos esto aparece de manera inmediata una masa o energía crítica por encima de la cual el modo de vibración de la cuerda adquiere un tamaño gravitacional mayor que su propia longitud.

Este modo de vibración se ha convertido en ¡un agujero negro! Dicho con otras palabras, cuando profundizamos en el ultravioleta llega un momento en el que las excitaciones de la cuerda no nos desvelan una estructura de constituyentes más elementales sino algo completamente nuevo, a saber: agujeros negros cuyo tamaño en vez de disminuir con la energía aumenta. El paradigma de teoría cuántica de campos Wilsoniana caracterizado por la libertad asintótica, en suma por unos constituyentes casi libres, se transforma, en la Teoría de Cuerdas, en una oscuridad asintótica controlada por agujeros negros. En otras palabras, la cuerda, de manera inevitable, se completa en el ultravioleta gravitacionalmente sin desvelar una subestructura Wilsoniana de constituyentes más fundamentales regidos por alguna teoría conforme.

Es importante que apreciemos que la manera en la que la teoría se completa en el ultravioleta no es en término de un espectro nuevo, como podrían ser los quarks y gluones en el caso de la QCD, sino en término de objetos, como son los agujeros negros, cuya definición no nos exige en ningún momento invocar nuevos grados de libertad, sino tan solo la propia dinámica de la teoría.

Así, la Teoría de Cuerdas es una teoría cuántica cuya física en el ultravioleta profundo, a distancias más pequeñas que la propia longitud de la cuerda, está dominada por agujeros negros clásicos. ¿Cómo derivar estos comentarios a un principio rector y definitorio de la Teoría?

Lo cierto es que hemos creado enormes aceleradores de partículas para poder llegar hasta las entrañas de la materia y, estamos tratándo de “ver” si al menos, podemos atisbar aunque sólo sea las sombras de las cuerdas vibrantes que, con sus resonancias, crean contiunuamente nuevas partículas. Pero no, la potencia utilizada en estas colisiones, no dejan ver las cuerdas que están mucho más allá de las energías que ahora podemos utilizar, se necesitaría la energía de Planck para poder acercarnos a ese mundo soñado de las cuerdas que residen en el pais de las once dimensiones.

Hay que conseguir que se puedan hacer consistentes los principios de la Mecánica Cuántica con nuevos postulados: el de la existencia de una longitud mínima. Cuando intentamos combinar estos dos principios de una manera consistente nos encontramos con una teoría en el ultravioleta, es decir, más allá de la longitud mínima, debe poder ser descrita no en términos de constituyentes más primitivos sino necesariamente en términos de configuraciones o entidades de la propia teoría cuyo tamaño efectivo es necesariamente mayor que la longitud mínima. Esta descripción “infrarroja” (grandes distancias) del mundo ultravioleta es lo que se conoce como correspondencia UV/IR y es el corazón de la celebradísima e importantísima correspondencia descubierta hace ya más de diez años por Juan Maldacena.

Todo esto es fascinante pero, no todos lo podemos comprender.

emilio silvera

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