Introducción a la teoría de supercuerdas, teoría M. Parte I

La teoría de supercuerdas determina que todas las partículas elementales están formadas por el mismo tipo de filamento energético pero con vibración diferente. Son como las diferentes notas de una guitarra. Esto es un burdo resumen de la teoría. Si quieren saber más, sigan leyendo. ¡Bienvenidos a las supercuerdas!

Cuerda cerrada vibrando.

En este artículo voy a introducir brevemente la teoría de cuerdas y supercuerdas, o teoría M. No voy a empezar con la típica pregunta que pueden encontrar en reportajes de ciencia serios o del tipo de Morgan Freeman, es decir, ¿de qué está hecho el Universo? No, voy a empezar con la pregunta más profunda de la ciencia, ¿por qué las partículas elementales tienen las propiedades correctas para permitir que ocurran procesos nucleares, que iluminan las estrellas, que se formen planetas y que en al menos en uno de estos planetas se inició un proceso químico complejo al que llamamos vida? En el modelo estándar no se explica por qué las partículas elementales tienen las propiedades que vemos. En cambio, en la teoría de cuerdas sí. La teoría de cuerdas “simplifica” la cuestión, las diferentes partículas elementales son, al fin y al cabo, diferentes modos de vibración de hilos energéticos. La forma de vibrar de estos hilos o cuerdas son los que definen las propiedades, masa, carga, spin, etc.

A nivel de longitud de Planck, el universo no es plano, es sumamente complejo y las direcciones arriba, abajo, izquierda y derecha dejan de tener sentido. A esto se le conoce como espuma cuántica.

 Aquí pueden encontrar una magnífica aplicación web para ver desde lo más grande a lo más pequeño. Recorran este camino conmigo, bajen a más o menos en 10^{-9.7} metros, aquí podemos encontrar la molécula del agua, 10^{-15} encontramos al protón y al neutrón, en 10^{-18} nos encontramos los quarks up, down y strange, en 10^{-19} tenemos a otros dos quarks charm y bottom, si bajamos un poquito más a 10^{-22} vemos al quark top, en 10^{-24} estamos con nuestro famoso neutrino, aquel que tras unas malas mediciones, los medios sensacionalistas, vamos, todas las televisiones y periódicos, dijeron que había superado la velocidad de la luz. Y si bajamos 9 órdenes de magnitud más, a unos increíbles 10^{-35}, estamos en la longitud de Planck y ya no podemos bajar más. La longitud de Planck está definida por la siguiente ecuación:

siendo c es la velocidad de la luz en el vacío, G es la constante de gravitación universal, y h es la Constante de Planck reducida. La mínima distancia que un objeto puede recorrer es la longitud de Planck, es decir, no puede ir a 3/2 de Planck, o está a 1 o esta a 2 Planck. 

Si juegan un poco con esa aplicación, verán que recorre desde 10^{-35} a 10^{27 } metros. Nuestras leyes de Newton, aquellas que aprendimos en el colegio funcionan increíblemente bien en condiciones de baja velocidad y objetos ni muy pequeños ni muy grandes (respecto a tamaño y masa). Para objetos de tamaño “manejable” que vayan muy rápido (cerca de la velocidad de la luz) o que sean muy grandes (estrellas, galaxias, etc.), es preciso utilizar las ecuaciones de la relatividad para calcular las desviaciones temporales, de masa y energía. En cambio, si el objeto es muy pequeño (masa y tamaño), es preciso utilizar la mecánica cuántica, aquella que utilizan los físicos y no los magufos de todas las partes del mundo.

Explicación gráfica de la radiación de Hawking.

Pero, ¿qué pasa con los objetos muy pesados y de tamaño muy pequeño? Es decir, ¿qué pasa con los agujeros negros? La pregunta es sumamente complicada y será mejor tratarla en otro post. Pero tenga esto en mente, hace unas cuantas décadas, algunos científicos se podían sentir cómodos si no unían la mecánica cuántica con la relatividad, había muchas cuestiones más importantes a las que dedicar su atención y siempre estaba Newton por medio. No había nada que de gran masa de tamaño muy pequeño. Tampoco había nada que fuese muy rápido y que tuviese una masa no despreciable. Pero los agujeros negros provoca un pequeño dolor de cabeza a aquellos físicos que decían aquello de “calla y calcula”. Quienes no esperen a otro post, recomiendo que busquen lo siguiente en la web, aunque yo he añadido el enlace a Wikipedia que no esta mal, radiación de Hawking.

 La teoría de cuerdas, supercuerdas o teoría M, son la búsqueda de una teoría unificada que agrupe las cuatro fuerzas de la naturaleza, ya hay teorías para unir 3 de ellas, pero la gravedad es otro cantar. 

Recordemos que hay 4 fuerzas en la naturaleza son la gravedad (magníficamente enunciada en el modelo de la relatividad), electromagnética (explica que los fenómenos eléctrico y magnético son las dos caras de una misma moneda, de la mano de Maxwell), nuclear débil (intercambio de bosones B y Z, explica la desintegración beta y la radiactividad) y la nuclear fuerte (explica la cohesión del núcleo atómico, esta fuerza es explicada por la cromodinámica cuántica, en otro post entraremos en detalles sobre esta fuerza). En los años 60 se descubrió que la fuerza electromagnética y la interacción nuclear débil son realmente el mismo fenómeno, modelo electrodébil. A su vez, se están realizando investigaciones para unir el modelo electrodébil a la fuerza nuclear fuerte.

¿Y qué tiene esto que ver con la teoría de cuerdas? Simple, la teoría de cuerdas fue desarrollada por y para explicar la fuerza nuclear fuerte, pero había una teoría mucho más relevante que ya he indicado anteriormente, la cromodinámica cuántica. Por ello, la comunidad científica no la prestó mucha atención. Por suerte, entre los resultados matemáticos de la teoría de cuerdas era predecir la existencia de una partícula sin masa y con spin 2. Lo interesante viene aquí, la comunidad científica había determinado ciertas características de la teoría que uniría la mecánica cuántica con la relatividad, entre dichas características era la existencia de una partícula a la que llamaron gravitón que, igual que los fotones transmiten la fuerza electromagnética, debía transmitir la fuerza gravitatoria. ¡Y esta partícula tenía que tener masa nula y spin 2! Los investigadores John H. Schwarz y Joël Scherk argumentaron que aunque la teoría de cuerdas había sido desarrollada en el intento de explicar la fuerza nuclear fuerte, la realidad es que la teoría era una solución al problema de la gravedad. Vamos, que les tocó el premio gordo aunque no el Nobel.

Aún así, la publicación que realizaron en 1974 pasó desapercibida, la fuerza gravitatoria es la más débil de todas las fuerzas y el tamaño de las cuerdas tenía que ser aproximadamente de la longitud de Planck. Es decir, no había forma empírica de demostrar la existencia de las cuerdas. Además del varapalo que suponía que no se podría realizar ningún experimento para demostrar que las cuerdas existían, la teoría tenía varias anomalías. Una anomalía viola uno o más principios de la física, por ejemplo, el de la conservación de la energía. Tras una ardua investigación y uno de los más importantes cálculos de campo, Schwarz y Michael Green determinaron que ¡todas las potenciales anomalías se cancelaban mutuamente! Este cálculo se publicó a mediados de los años 80 y durante estos años se había desarrollado la teoría y se había confirmado experimentalmente las características de la fuerza nuclear fuerte y la electrodébil (recordemos que es la unión del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil). En este momento, los físicos podían centrarse en la unión de la mecánica cuántica y la relatividad. Se produjo una auténtica revolución, miles de cerebros se centraron en esta enredada teoría. Aquí ocurrió la primera revolución de las supercuerdas.

A continuación una tabla resumen de las fuerzas:

Víctor Pascual