Supercuerdas, ¿lo podrán explicar todo?

Dicen que no hay ciencia con más pretensiones que la física, pues los físicos toman el universo entero como su sujeto de estudio. Según un enfoque puramente reduccionista – del que cada vez está más lejos la propia física – dado que cualquier sistema por complejo que sea está formado por los constituyentes más elementales de la materia su comportamiento debe estar determinado por las leyes de la física, que en última instancia gobiernan la totalidad y cada parte de la materia (energía) del universo. Las teorías completas, que aspiran a conocer los últimos constituyentes del universo y sus relaciones, suelen llamarse Teorías del Todo o TOEs (en inglés).

La primera TOE, podría considerarse que fue la construida por los filósofos griegos Leucipo y Demócrito, en el siglo V (a.de C).Fue llamada Atomismo y suponía que el mundo estaba formado por átomos, la parte más elemental e indivisible de la materia, y por el vacío. En el siglo XVII, con el surgimiento de la ciencia moderna, con los trabajos de Galileo y Newton fue posible imaginar que cualquier movimiento, incluso el de los átomos, obedecía a leyes físicas conocidas. Esto inspiró a Laplace su famoso calculador “diabólico”: “ Una inteligencia que conociera, en un instante dado, tanto la totalidad de las fuerzas que actúan en la naturaleza como las posiciones de todas las cosas y relacionarlas en una única fórmula tendría la certeza absoluta. Tanto el pasado como el futuro estarían presentes ante sus ojos”. En esta afirmación se observa también el espíritu de una especie de Teoría del Todo.

Cuando se añadió la teoría de Maxwell del electromagnetismo a las leyes de Newton (segunda mitad del XIX) muchos físicos imaginaban que había llegado la teoría final de la física, capaz de explicarlo todo. En un discurso ante la British Association for the Advancement of Science, en 1900, Lord Kelvin dijo:“Ya no hay nada nuevo que descubrir en física. Todo lo que queda es hacer medidas cada vez más precisas”. Parecía alcanzada la TOE definitiva. Pero con los descubrimientos del electrón y la radiactividad, la teoría cuántica de Plank y la teoría de la relatividad de Einstein se barrieron por completo las bases de la física conocida hasta entonces. Además, el átomo podía dividirse en partículas más elementales: electrones, protones y neutrones.

Después del desconcierto inicial, más de setenta años de descubrimientos de nuevas partículas y con los nuevos conocimientos adquiridos en el desarrollo de la mecánica cuántica y de la relatividad, algunos físicos se sintieron alentados a plantear una nueva Teoría del Todo: la teoría de supercuerdas. Su mundo es el ultra-microscópico, millones de millones, de millones, de veces inferior al mundo atómico, y sus orígenes se remontan a finales de los años sesenta del siglo XX con el trabajo de Gabrielle Veneziano sobre los hadrones de corta vida. Estos eran conocidos como resonancias puesto que emergían de los colisionadores parecían estados excitados de otros hadrones. Se suponía que sus componentes internos, al colisionar, se excitaban a niveles cuánticos de energía superiores.

Veneciano propuso un modelo meramente matemático que no obedecía a ninguna imagen física, pero posteriormente resultó claro que describía el movimiento cuantizado de una cuerda. El modelo de cuerdas para los hadrones tenía sentido, pues estan constituidos por quarks y estos interaccionan mediante ligaduras parecidas a trozos de goma que los unen: La fuerza inter-quarks crece con la distancia de forma similar al estirar un trozo de goma elástica. Además, de la teoría matemática surgía de forma natural una partícula que no tenía nada que ver con las fuerzas nucleares (los nucleones, como neutrones y protones son hadrones), no tenía masa y poseía un spin 2 . Curiosamente era la partícula, que aparecía en la teoría de la relatividad general de Einstein, llamada gravitón, capaz de transmitir la fuerza gravitatoria.

La teoría de cuerdas parecía ser, a la vez, una teoría de la gravitación y una teoría cuántica, lo que ya era un logro al unir dos teorías tan importantes. Además, las partículas ya no se representaban de forma puntual sino por la vibración de una cuerda. Según el modo de excitación de la misma representan una partícula u otra, de mayor o menor energía o masa pero esa energía se extiende a lo largo de la cuerda y no se concentra en un punto matemático, con lo que se evitan ciertos valores infinitos imposibles de tratar.

Una dificultad inicial consistía en que la consistencia matemática de la teoría requería que el espacio-tiempo tuviera veintiseis dimensiones, aunque posteriormente se encontraron teorías consistentes con diez dimensiones: tres ordinarias, seis compactadas (o enrolladas sobre si mismas) más el tiempo. Además estas teorías tienen un tipo especial de simetría llamada supersimetría que relaciona las dos clases diferentes de partículas elementales, los bosones (partículas de fuerza, como el fotón) y los fermiones (partículas de materia, como los electrones). Su objeto fundamental es un tipo de cuerda, con grados de libertad extra que la hacen supersimétrica, por lo que es llamada supercuerda.

Sin embargo, para conseguir una teoría completa, parece que necesitamos formularla de forma independiente del espacio-tiempo, pues todavía se describe a las cuerdas moviéndose en un fondo espaciotemporal. La situación es similar a la que se encontró la electrodinámica, con las ecuaciones de Maxwell descritas como vibraciones en un supuesto éter que llenaba todo el espacio. Los experimentos y la genialidad de Einstein desterraron al éter como medio necesario para las vibraciones electromagnéticas. En la Teoría de Cuerdas (o supercuerdas) completa el propio espacio-tiempo surgirá de la relación entre cuerdas que interactúan, no será ajeno a ellas.

Esperamos que esta teoría pueda explicar, de la forma más sencilla posible y elegante, las cuatro interacciones fundamentales y la masa y características de todas las partículas . Provocará una revolución que afectará a todos los órdenes de nuestra vida (como la ha provocado la relatividad y la mecánica cuántica, o mucho más) y nos enseñará a ver un mundo diferente y a comprenderlo con mayor profundidad en su nivel más elemental, pero lógicamente no nos lo explicará todo, aunque será llamada una Teoría del Todo.

Libros recomendados: Supercuerdas ¿Una Teoría de Todo?. Edic. de PCW Davies y J Brown. Alianza Editorial. Libro muy ameno que se presenta con una introducción muy asequible, sin fórmulas, y continúa con varias entrevistas a grandes físicos como los propios fundadores de la teoría y R. Feynman o S. Weinberg.

El universo elegante, de Brian Greene. Drakontos (2007) , es un libro explicado con mucha claridad y actualizado sobre lo último en teoría de supercuerdas: la teoría M, que engloba las anteriores teorías de cuerdas en un espaciotiempo de once dimensiones.


De mi colaboración con Libro de notas.