39 Teoría de cuerdas

Aunque la mayor parte de los físicos se sienten satisfechos trabajando con el modelo estándar consolidado, aunque incompleto, otros buscan nuevas ideas físicas incluso antes de que el modelo estándar se haya probado para ser descartado o confirmado. En la actualidad, se ha dado un giro respecto a la dualidad onda-partícula: un grupo de físicos trata de explicar los patrones de las partículas fundamentales tratándolas no como esferas compactas, sino como ondas en una cuerda. Esta idea ha captado la atención de los medios de comunicación y se denomina teoría de cuerdas.

Los teóricos de las cuerdas no están satisfechos con la idea de que las partículas fundamentales, como los quarks, los electrones y los fotones, sean fragmentos indivisibles de materia o energía. Los patrones que les confieren una masa, carga o energía asociada concreta sugieren otro nivel de organización. Estos científicos creen que estos patrones indican profundas armonías. Cada masa o cuanto de energía es un tono armónico de la vibración de una pequeña cuerda. De modo que las partículas se pueden imaginar no como gotas sólidas, sino como filamentos que vibran o cuerdas que forman bucles. En cierto sentido, esto es una nueva interpretación del amor de Kepler por los sólidos geométricos ideales. Es como si las partículas fueran todas patrones de notas que sugieren una escala armónica, que se toca con una sola cuerda.

Vibraciones En la teoría de cuerdas, las cuerdas no son como las que vemos, por ejemplo, en una guitarra. La cuerda de una guitarra vibra en tres dimensiones espaciales, o quizá pudiéramos reducirlo a dos si imaginamos que el movimiento vibratorio está restringido a un plano a lo largo de su longitud, y arriba y abajo. Pero las cuerdas subatómicas vibran en una sola dimensión, en lugar de la dimensión cero de las partículas representadas como un punto. Su extensión total no es visible para nosotros, pero para realizar las operaciones matemáticas, los científicos calculan las vibraciones de las cuerdas en más dimensiones, hasta llegar a 10 u 11. Nuestro propio mundo tiene tres dimensiones espaciales y otra temporal. Pero los teóricos de las cuerdas creen que hay muchas más que no vemos, dimensiones que están tan enroscadas que no las percibimos. Las cuerdas de partículas vibran en estos otros mundos.

Las cuerdas pueden tener los extremos abiertos o ser bucles cerrados, pero por lo demás son todas iguales. Por ello, toda la variedad en las partículas fundamentales se plantea únicamente a causa del patrón de vibración de la cuerda, su armónico, y no por el material que forma la propia cuerda.

Una idea poco convencional La teoría de cuerdas es una teoría totalmente matemática. Nadie ha visto jamás una cuerda y nadie tiene la menor idea de cómo conocerlas, si existieran de verdad. De modo que nadie ha diseñado aún ningún experimento para probar si esta teoría es cierta o no. Se dice que hay tantas teorías de cuerdas como teóricos de las cuerdas. Esto sitúa a la teoría en una posición incómoda entre los científicos.

El filósofo Karl Popper pensaba que la ciencia avanza básicamente a través de la falsificación. Alguien tiene una idea, la prueba con un experimento, y si es falsa, se descarta alguna cosa, de modo que se aprende algo nuevo y la ciencia progresa. Si la observación encaja con el modelo, entonces no se aprende nada nuevo. Como la teoría de cuerdas todavía no está completamente desarrollada carece de hipótesis definitivamente falsas. Como existen tantas variaciones de la teoría, algunos científicos argumentan que no es realmente ciencia. Los argumentos sobre su posible utilidad llenan páginas enteras de periódicos y revistas, pero los teóricos de las cuerdas están convencidos de que su búsqueda vale la pena.

Teoría M

Las cuerdas son esencialmente líneas. Pero en el espacio multidimensional son un ejemplo limitador de geometrías que incluirían láminas y otras formas multidimensionales. Esta teoría generalizada se denomina teoría M. No hay una sola palabra que explique la «M», pero podría ser membrana o misterio. Una partícula que se mueve por el espacio garabatea una línea; si la partícula como punto se sumerge en tinta, dibuja una trayectoria lineal, a la que llamamos línea de universo. Una cuerda, por ejemplo, un bucle, trazaría un cilindro. Por tanto, decimos que tiene una lámina de universo. Las interacciones tienen lugar en el punto en que estas láminas se cortan, y en el que las cuerdas se rompen y se recombinan. Así, la teoría M es realmente un estudio de las formas de todas estas láminas en un espacio de 11 dimensiones.

Teoría del todo Al tratar de explicar todo el zoo de partículas e interacciones en un solo marco, la teoría de cuerdas trata de aproximarse a una «teoría del todo», una única teoría que unifique las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnetismo, gravedad y fuerzas nucleares fuerte y débil) y explique las masas de las partículas y todas sus propiedades. Originalmente, Einstein trató de unificar la teoría cuántica y la gravedad en la década de 1940, pero nunca lo logró, ni nadie desde entonces. Einstein fue ridiculizado por su trabajo, ya que se consideraba algo imposible y una pérdida de tiempo. La teoría de cuerdas traslada la gravedad a las ecuaciones, de tal modo que adquiere un gran valor potencial, muy atractivo para los científicos. Sin embargo, está muy lejos de ser formulada de una manera precisa, y mucho más de ser verificada.

La teoría de cuerdas surgió como una novedad, debido a la belleza de sus operaciones matemáticas. En la década de 1920, Theodor Kaluza utilizó armónicos como una forma diferente de describir algunas propiedades inusuales de las partículas. Los físicos se dieron cuenta de que estas mismas operaciones matemáticas podían servir para describir también ciertos fenómenos cuánticos. En esencia, las matemáticas ondulatorias funcionan bien tanto para la mecánica cuántica como para su extensión a la física de partículas. Posteriormente esto se desarrolló en las primeras teorías de cuerdas. Existen numerosas variantes y en cierto modo continúa estando a una cierta distancia de una teoría holística.

Una teoría de todas las cosas es el objetivo de algunos físicos, que generalmente son reduccionistas y creen que si comprendemos los bloques constituyentes podemos comprender el mundo entero. Si comprendemos el átomo, compuesto de cuerdas vibrantes, entonces se puede inferir toda la química, la biología y así sucesivamente. Otros científicos consideran ridícula esta actitud. ¿Cómo va a explicar el conocimiento de los átomos la teoría social, la evolución o los impuestos? No se puede abarcar todo sin más. Creen que una teoría así describe el mundo como un ruido sin sentido de interacciones subatómicas, y que es nihilista y errónea. La perspectiva reduccionista ignora el comportamiento macroscópico evidente, como los patrones de los huracanes o el caos, y es descrita por el físico Steven Weinberg como «escalofriante e impersonal. Tiene que ser aceptada tal y como es, no porque nos guste, sino porque el mundo funciona así».

La teoría, o más bien teorías de cuerdas, aún están en un estado de cambio. Todavía no ha surgido ninguna teoría final, pero aún puede tardar un tiempo porque la física se ha complicado tanto que hay que incluir en ella muchas cosas. Considerar el universo como el tañido de numerosas armonías tiene su encanto. Pero sus partidarios a veces también rayan en la intransigencia, pues están tan absortos en los pequeños detalles que menosprecian la importancia de los patrones a gran escala. Por este motivo, los teóricos de las cuerdas pueden mantenerse al margen hasta que surja una visión más consistente.

Cronología:

1921 d. C.: Se propone la teoría Kaluza-Klein para unificar el electromagnetismo y la gravedad.

1970 d. C.: Yoichiro Nambu describe la fuerza nuclear fuerte usando las cuerdas de la mecánica cuántica.

mediados de la década de 1970 d. C.: Se obtiene una teoría de la gravedad cuántica.

1984-1986 d. C.: La rápida expansión de la teoría de cuerdas «explica» todas las partículas.

década de 1990 d. C.: Witten y otros desarrollan la teoría M en 11 dimensiones.

La idea en síntesis: armonías universales