Cuerdas que unen lo pequeño y lo astronómico

¡Empezamos un nuevo año! Y lo hacemos con ilusión, sorpresas, optimismo y ciencia. Uno de mis regalos navideños fue la charla que mantuve con uno de mis buenos amigos, Toni Ramirez.

Toni fue compañero mío de clases y batallas desde el Instituto hasta la última asignatura de la carrera de Física. Hace un par de años se doctoró en Teoría de Cuerdas... Van a ser, éstas, las protagonistas de este primer post del año. Intentaré hacer un breve resumen de los conceptos de los cuales hablamos aquella mañana y de algunas ideas que he encontrado novegando por la red.

¿Como nace la teoría de cuerdas? La Física del siglo XX se dividía entre el estudio de lo muy pequeño, por parte de la Mecánica Cuántica, y el análisis de los objetos a escala astronómica hecho por la Relatividad. Esto planteaba un problema cuando alguién pretendía entender a fondo un ejemplo que consistiera en una singularidad, como por ejemplo el Big Bang. Según la Teoría del Big Bang, durante los primeros instantes del Universo, una gran cantidad de masa (escala astronómica) se encontraba concentrada en un punto (escala infinitamente pequeña, microscópica). En casos como este ¿Qué teoría debería utilizarse? La Teoría de Cuerdas intenta proponer una unificación de ambas, de la Mecánica Cuántica y de la Relatividad, para que situaciones como esta no supongan un dilema. Gracias a esta teoría podríamos hablar con una misma ley de lo grande y de lo pequeño.

Más ejemplos de singularidades nos aparecen cuando intentamos entender las interacciones entre un electrón y un positrón (la antipartícula del electrón de igual propiedades al electrón, pero carga eléctrica positiva). Si observamos ambos casos, nos damos cuenta, de que el problema aparece cuando consideramos puntos, zonas del espacio de dimensión cero. En el Big Bang se plantea que toda la masa del Universo se concentraba en un punto, y la interacción electrón-positrón también sucede en un punto. Por eso, un posible intento de solución sería no considerar un punto sino una región del espacio. Podemos decir, que según la Teoría de Cuerdas la interacción entre electrón-positrón sucede en una región del espacio en forma de cuerda. Esta región elemental tiene dimensión 1. De este modo, desaparecen los problemas de infinito. Esta solución se planteó, en un principio, como una estrategia puramente matemática pero los físicos acabaron haciendo un paso más atrevido, empezaron a considerar la posibilidad de que estas cuerdas de dimensión 1 fueran objetos reales. Uno de los puntos a su favor lo encontraron en que el problema de las singularidades sólo se resolvía al considerar un ente de dimensión 1, en cambio si se consideraban objetos de más dimensiones volvían a aparecer complicaciones.

Si nos imaginamos estas cuerdas como algo real, no es difícil hacer analogías con las cuerdas que hemos visto a lo largo de nuestra vida... Des de el patio de la escuela hasta en un concierto de violines. ¡Las cuerdas vibran! De este modo los físicos empezaron a estudiar los modos de vibración y empezaron a hacer desarrollos matemáticos. Se definieron propiedades típicas de las cuerdas como por ejemplo la tensión (la fuerza de la cuerda), entre otras. A partir de estos modos de vibración y estas propiedades se fueron definiendo las partículas. Si una cuerda oscila de cierta manera, entonces, macroscópicamente vemos un electrón; pero si oscila de otra manera, entonces otra partícula. De acuerdo con esta teoría aparecen partículas todavía no observadas, como el gravitón, éste sería el responsable de la interacción gravitatoria. Experimentos como los que se realizan en el Centro Europeo para la Investigación Nuclear, el CERN, tienen una importancia increíble. En sus aceleradores de partículas podría llegar a descubrirse el empíricamente desconocido gravitón.

Trabajando siguiendo el modelo de la Teoría de Cuerdas, el Universo no parece tener 3 ó 4 dimensiones como apuntaban los científicos del siglo pasado. En un principio parecía que eran 26 las dimensiones de nuestro entorno; sin embargo, empezaron a aparecer diferentes subteorías de cuerdas que parecían oscurecer estos estudios. En 1995, Edward Witten conjeturó que las cinco teorías de cuerdas diferentes que habían surgido, eran casos límite de una desconocida teoría de 11 dimensiones llamada Teoría-M. Actualmente, se considera que Edward estaba en lo cierto. Sin embargo, os preguntaréis... ¿Y por qué no vemos 8 de esas 11 dimensiones? La respuesta a esta pregunta podría ser porque éstas están curvadas. Si nosotros vemos un cable de la luz a distancia sólo vemos una dimensión, la longitud, pero, en realidad, tiene más dimensiones que al estar curvadas (mirar la base de un hilo cuerda, su sección, es circular) son de difícil percepción.

La teoría de cuerdas es la candidata más prometedora para tener una Teoría Unificada o Teoría del todo, es decir, una teoría capaz de describir todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza debido a las cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética y las fuerzas de interacción nuclear fuerte y débil. Aún así, es una teoría no acabada porque no ha podido ser comprobada. Todavía no se ha conseguido ninguna predicción que haya podido ser falseada... Así que de momento, todavía existe mucho campo por investigar y muchos más doctorados, como el de mi amigo, que promocionar... ¡¡Por la ciencia!!

Para aquellos que tengas ganas de oir otra voz (y otro idioma, ya que el vídeo está en inglés), explicando estos mismos conceptos, propongo echar una ojeada a:

Espero que lo disfrutéis. ¡Feliz 2009!