Teoría de: Cuerdas, Supercuerdas y "M", evolución completa.

Teoría de Cuerdas.

Con el desarrollo del “Modelo Estándar”, se consiguió un muy poderoso planteamiento, que además ha podido ser confirmado en escalas de hasta un trillonésima de metro, pero, no puede ser considerada como una teoría completa y por tanto concluida.

Este fue el tema de la publicación anterior, sobre la evolución en las teorías para conocer la composición de la materia. Se dijo que el modelo estándar tiene como reto principal el abarcar también lo referente a la gravedad y superar las restricciones que representa el enfoque a sucesos que se presentan en escalas ultra microscópicas, debido a las fortísimas fluctuaciones que suceden en la estructura espacial en esos niveles. La "Teoría de Cuerdas" aparece firme para ser la solución.

Ilustración de “Teoría de Cuerdas”, tomada de Astromia.

Max Karl Ernst Ludwig Plank (1858 -1947) dejó su legado, que es la base de la física cuántica, inscribiéndose en su desarrollo desde que publicó sus trabajos y propuestas, fueron complementadas en posteriores trabajos, los análisis referentes, las implicaciones y sus consecuencias, así como las propuestas realizadas por muchos científicos, en un lapso ya mayor a los cien años.

Se ha profundizado, los límites teóricos están marcados con su nombre y tenemos conceptos y definiciones girando a su alrededor.

El “Tiempo de Plank” (que es el tiempo que le toma a un fotón, a la velocidad de la luz en el vacío, recorrer una distancia denominada “Longitud de Plank” (que lógicamente corresponde a la distancia que recorre un fotón viajando a la velocidad de la luz, en el tiempo de Plank), se refieren a lo más pequeño que teóricamente se establece como límite de la percepción humana, esto es, hasta antes de que pierda sentido la medición para una mente humana.

Cuando se toman en cuenta los hechos que se perciben en distancias muy pequeñas, menores a la “Longitud de Plank”, se dice que suceden en lapsos tan pequeños y se les llama “Tiempo de Plank”.

La “Longitud de Plank” forma parte del sistema de unidades naturales, se encuentra a partir de tres constantes fundamentales en nuestro universo, y más allá posiblemente: la velocidad de la luz, la “Constante de Plank” y la constante gravitacional. Plank mismo argumentó que estas unidades naturales, conforman un sistema inmutable, siempre y cuando la constante de gravitación universal, la velocidad de la luz en el vacío y los principios de la termodinámica, no presenten ningún tipo de variación.

Singulares en su concepción, considere que estas unidades dependen de constantes físicas, lo que imposibilita el uso de las arbitrariedades antropocéntricas que todo perturban.

Con la idea de que sea una geometría espacial lisa la que rija el universo, el supuesto que fundamenta la teoría general de la relatividad es destrozado por la violenta fluctuación del mundo cuántico que se presenta a escalas de distancias tan o más pequeñas como la distancia de Plank.

Y el detalle de la conflicto entre lo “relativo” y lo “cuántico”, se observa de forma muy concreta, en los resultados de los cálculos que unifican las ecuaciones respectivas, que dan siempre un resultado inapropiado, y hasta ridículo: el infinito. Como sucedía con la solución primera que se pretendía encontrar al problema del “cuerpo negro”. La solución, en una nueva forma de ver las cosas, pasar de lo infinito a los “cuantos”, que propusiera Plank.

En ese camino, buscando encontrar un formalismo matemático capaz de solucionar ese alboroto más que microscópico, se enmarcaron los trabajos de varios físicos teóricos, como fueron Wolfgang Pauli (1900 – 1958), Paul Dirac (1902 - 1984), Shin’Ishiro Tomonoaga (1906 – 1979), Julian Schwinger (1918 - 1994 ), Richard Feynman (1918 - 1988) y Freeman Dyson (15 diciembre 1923). 

Encontraron en función a pequeños avances, el camino que llevaría a conocer que el frenesí cuántico nos indica que hay que reconocer que la energía se manifiesta de muy diversas formas, por ello, si con Erwin Schrödinger (1987 – 1961) optamos por ignorar la relatividad especial, despreciaríamos la maleabilidad de la materia, la energía y el movimiento.

Se logró la creación de la “Electrodinámica Cuántica”, después de los primeros intentos, encaminados a estudiar y explicar las interacciones entre la materia y la fuerza electromagnética, que posteriormente se ha llamado “Teoría Cuántica Relativista de Campos” o “Teoría Cuántica de Campos” en forma abreviada. Habría de imaginarse la energía como un conjunto de partículas en su movimiento, hacia adelante, hacia atrás, sin detenerse, moviéndose en un campo cuántico, formado por partículas, similares a los fotones que conforman los campos electromagnéticos, y vibrando continuamente para acceder a través del tiempo y el espacio, a otro campo cuántico.

Así, dentro de un marco matemáticamente completo, se han podido realizar predicciones convincentes, al utilizar la “Electrodinámica Cuántica”, se confirmó el papel de los fotones como los paquetes de luz básicos y al mismo tiempo establecer sus interacciones con partículas cargadas eléctricamente, como los electrones, resolviendo con una exactitud de una milmillonésima, dichas predicciones sobre los electrones, haciendo coincidir, asombrosamente, el mundo real con cálculos teóricos abstractos, nuestro mundo y el de las matemáticas van del brazo y por la calle.

Toichiro Kinoshita (23 enero 1925), ha realizado un trabajo continuo de más de treinta años, que ha marcado pauta en el aspecto de las mediciones sobre electrones y sus cálculos de predicciones han sido comprobados en los laboratorios y en ocasiones ha tenido que esperar a que la tecnología avance para estar en posibilidad de realizar las comprobaciones, por ejemplo, con computadoras más potentes.

Se desarrollaron las Teorías “Cromodinámica Cuántica” y “Cuántica Electrodébil”, que son teorías cuánticas de campos para las fuerzas nuclear fuerte y nuclear débil y electromagnetismo. En el año 1979, Abdus Salam (1926 – 1996), Sheldon Lee Glashow (5 diciembre 1932) y Steven Weinberg (3 mayo 1933), recibieron el premio Nobel de Física debido a sus contribuciones a la “Teoría de la Interacción Débil y Electromagnética Unificada”.

En el marco de la “Mecánica Cuántica”, se consiguió una descripción coherente de las tres fuerzas de la naturaleza, la excepción fue la gravitatoria, demostrando que dos de ellas: “Nuclear Débil” y “Electromagnética”, comparten su origen en la “fuerza electrodébil”. Probando en el laboratorio que las predicciones establecidas han sido correctas, el microcosmos se comporta de acuerdo a lo predicho teóricamente. Se ha llamado a esta teoría, la de las tres fuerzas no gravitatorias y las tres familias de materia como “Modelo Estándar”.

Las partículas sub atómicas básicas, que se revisaron en el “Modelo Estándar”, se describen como los elementos más sencillos que componen todo tipo de materia.

Sin embargo, si fuese posible examinarlas con mayor detalle, lo que actualmente no es factible, descubriríamos que ninguna es como un punto, sino que cada una está formada por un pequeño “bucle” de una dimensión. Cada una vibra, oscila y se mueve como una liga, infinitamente delgada, que han sido nombradas “cuerdas”.

Al realizar la sustitución de las partículas puntuales por cuerdas unidimensionales, se resuelve la gran diferencia entre las teorías de la mecánica cuántica y la de la relatividad general.

Los bucles de la “teoría de cuerdas”, son capaces de vibrar en forma única, la variedad se ajusta a la disponibilidad de las partículas de acuerdo a sus cargas y de su masa determinadas por el modelo de oscilación de la cuerda. 

Entonces tenemos que un electrón es una cuerda que vibra de un modo único, mientras que los quarks: alto, bajo, cima, fondo, encanto y extraño, cada uno de ellos lo hace de una forma particular y, adicionalmente, ello también es aplicable a las partículas de transmiten las fuerzas de la naturaleza: de la nuclear fuerte, el gluón; de la electromagnética, el fotón; de la fuerza nuclear débil, los bosones W y Z; y de la gravitatoria, el gravitón.

Se cree se unifican todas las versiones de una sola partícula, que se presenta en diversas calidades, de acuerdo a su particular oscilación. Haga de cuenta como si fuesen diferentes notas musicales, para citar una analogía muy fácil de entender, pues la música es una materia cercana a la humanidad.

La matemática es la raíz y la esencia de la teoría de cuerdas y también de la música.

Todo empezó en 1968, Gabriele Veneziano (7 septiembre 1942) estudiante de física que trabajaba en el CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire u Organización Europea para la Investigación Nuclear) intentando averiguar el porqué de algunas propiedades de la fuerza nuclear fuerte, descubre que la “función beta de Euler”describe ciertas propiedades de algunas partículas.

Sin embargo, nadie sabía el por qué o la explicación de dicha fórmula.

Esto otorgó una aureola matemática para muchas de las características de la fuerza nuclear fuerte, e hizo entrar a la comunidad científica en un entusiasmo intenso que llevó a nutridas investigaciones sobre “la función beta de Euler”, para con esta herramienta fundamentar los datos recogidos por los diversos aceleradores de partículas atómicas establecidos a lo largo y ancho del mundo.

Ilustración Gráfica de la Función “Beta” en el triple espacio de los Reales. Tomada de Wikipedia.

La función Beta de Euler es la integral definida entre cero y uno de “equis” elevada a la potencia (p-1), multiplicada por (uno menos “equis”) a la potencia (q-1), diferencial de “equis”.

A finales del año 2018, Veneziano en su carácter de “Padre” de la teoría de cuerdas, durante la semana de la ciencia, que organizó el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), presentó su exposición de reseña histórica: “Teoría de Cuerdas: vida, muerte y milagros”.

Así mismo expresóen una entrevista concedida el 10 de noviembre del 2018 a “El Correo Gallego” que: “Como la teoría de cuerdas es algo muy rígido, es un paquete entero que compras o no. Y como tenía elementos muy graves que no eran viables, propició que mucha gente abandonara y se pusiera a trabajar en otras cosas”.

En la crónica histórica, tenemos que dos años después, en1970,Yoichiro Nambu(18 enero 1921), Holger Nielsen(25 agosto 1941) y Leonard Susskind (20 mayo 1940), que persistieron en sus trabajos sobre cuerdas, demostraron que si se tomaran a las partículas elementales, como cuerdas unidimensionales que vibran, sus interacciones nucleares eran las que se describían perfectamente por la fórmula de Euler.

Razonaron que: si los trozos de cuerda eran lo suficientemente pequeños,seguirían pareciendo partículas puntualesy por lo tanto ser coherentes con las observaciones obtenidas en los aceleradores.

Así nació la Teoría de Cuerdas.

Sin embargo, con el avance en las observaciones experimentales, la teoría de cuerdas empezó a fallar con respecto a lo predicho y lo encontrado en dichas observaciones.

No obstante, algunos científicos siguieron defendiéndola, en 1974, Jonh Henry Schwarz (22 noviembre 1941 y Jöel Scherk (1941 - 1980) percibieron que ciertos patrones vibratorios se correspondían con algunos patrones de movimiento de la hipotética partícula mensajera de la gravedad: elgravitón.

Estos paquetes mínimos de la fuerza gravitatoria, tenían desde entonces varias de sus características básicas predichas, la teoría se daba ese lujo. Descubrieron que las propiedades básicas predichas se hacían realidad, con exactitud, en ciertos modelos vibratorios.

De este modo la “Teoría de Cuerdas” pasó de ser una teoría de“la fuerza nuclear fuerte” a ser “una teoría del todo”, englobando a la gravedad. Hecho sin precedentes.

La “Teoría del Todo” (o ToE por sus siglas en inglés, “Theory of Everything”) es una teoría de la Física, no clásica, que busca explicar fusionando en una sola a todos los fenómenos físicos conocidos. Una idea que asaltó a Einstein, después de la publicación de la relatividad generalizada y que nunca concretó, pues no contaba con las herramientas necesarias y los avances sucedidos hasta después de su muerte. 

El termino fue utilizado inicialmente con una connotación irónica para referir a varias teorías sobre generalizadas. Después el término se popularizó en la Física Cuántica al describir una teoría que podría unificar o explicar a través de un modelo simple de teorías todas las interacciones fundamentales de la naturaleza. Diferentes caminos seguidos por los investigadores han otorgado otros términos, no del todo sinónimos, empleados para referirse al mismo concepto son: “Teoría Unificada”, “Gran Teoría Unificada”, “Teoría de Campo Unificada”.

Vuelven a presentarse las palabras de Veneziano dirigidas al “Correo Gallego”: “Por otro lado, en 1984 se produjo esta resurrección, producto básicamente del trabajo de Jöel Scherk (1941 – 1980) y John Henry Schwarz, que tomaron la teoría de cuerdas tal como estaba, pero se dieron cuenta de que el objetivo que antiguamente se perseguía con esta teoría -entender las interacciones dentro de las partículas y núcleo del átomo-, lo cambiaron para estudiar la gravedad en escalas mucho muy pequeñas.

Y al cambiar la dirección, se vieron obligados a modificar el tamaño de la cuerda, que era del tamaño de una partícula del núcleo y pasaron a hacerla un poco más de un trillón de veces más pequeña. Ahí se percataron de que si la cuerda la hacían un trillón de veces más pequeña y la usaban para otro problema distinto, lo que antes eran problemas pasaron a ser virtudes. A través de unos milagros que contaré el lunes, la teoría empezó a tener de nuevo vida, pero ya con otro objetivo.

Es importante señalar que el tamaño de la cuerda es de las pocas cosas que se pueden cambiar”.

Así pues, fue en dicho año de 1984 que Michael Green (22 mayo 1946) y John Henry Schwarz (22 noviembre 1941), en aquel entonces adscritos al Queen Mary College proporcionaron la evidencia de que la teoría podía explicar lo antes no explicado. El tamaño previsto para las cuerdas era mucho menor del que los primeros trabajos utilizaron.

Crearon el mecanismo “Green – Schwarz”, al descubrir que la anomalía en “Teoría de Cuerdas” de tipo uno con el grupo Gauge SO(32) se cancela debido a una contribución clásica adicional. Con ello, en este momento inició la “Primera Revolución de Supercuerdas”, la que duró hasta 1986, resultado de que muchos científicos comenzaron a investigar y defender dicha teoría.

Como asevera Brian Greene, en su libro “El Universo Elegante”: “después de la aportación de Green y Schwarz, todos los estudiantes intentábamos dominar las amplias áreas de Física teórica y matemáticas abstractas que eran requisitos indispensables para comprender la “teoría de cuerdas”. 

Corría el año de 1987, Shing – Tung Yau (4 abril 1949) en compañía de su discípulo Gang Tian (24 noviembre 1958), encontraron una característica matemática, esto es, ciertas formas de la “variedad” conocida como “Calabi – Yau” podían ser transformadas en otra.

Su argumentación habla sobre la manera de transformar una forma “Calabi – Yau” a otra, mediante la perforación de su superficie y posteriormente su remiendo utilizando para ello un modelo matemático preciso, este método se descubrió con la “Teoría de Nudos” y sus topológicas manipulaciones.

Eugenio Calabi (11 marzo 1923), matemático especializado en geometría diferencial y Ecuaciones parciales diferenciales, en el año de 1957 desarrolló la llamada “conjetura de Calabi”, que está relacionada con la “Teoría de Cuerdas”, pero que fue anterior al establecimiento de la misma. Shing - Tung Yau (4 Abril 1949), en el año 1977, le dio solución a la mencionada conjetura de Calabi, las matemáticas que describen los espacios (formas) de “Calabi – Yau” son intrincadas y sutiles, según explica Brian Greene (9 Febrero 1963) en su libro “El Universo Elegante”: “Podemos hacernos una ida del aspecto que tienen estos espacios mediante una ilustración”.

Ilustración de la forma “Calabi – Yau” tomada de Filosofía en Colmenarejo.

Entonces, resumiendo el avance logrado al concluir la década de los ochentas, había cinco versiones de las “cuerdas”:

Las teorías del Tipo I, llamadas bosónicas, que tienen sus cuerdas abiertas, con dos extremos libres, en adición a los “bucles” cerrados. 

Las cuerdas del Tipo IIA, que incluye cuerdas cerradas con modelos de vibración que poseen simetría izquierda - derecha.

Las cuerdas del Tipo IIB, incluye cuerdas cerradas con modelos de vibración que son asimétricos con respecto a la simetría izquierda derecha, 

y las dos Heteróticas:

La conocida como “Heterótica-O”, participan en esta, cuerdas cerradas, cuyas vibraciones con movimiento hacia la derecha se parecen alas del Tipo II y cuyas vibraciones a la izquierda incluyen las de cuerdas bosónicas, tienen diferencias importantes, aunque sutiles, con las siguientes, y 

la segunda “Heterótica-E”, en esta participan las cuerdas cerradas cuya vibración con movimiento hacia la derecha se asemejan a las del Tipo II y cuyas vibraciones hacia la izquierda incluyen a las bosónicas.

En el año de 1985, el problema era el exceso de posibilidades, los expertos en estas materias tenían certeza en la importancia de la “Simetría”, y se había descubierto que existían cinco formas diferentes para incorporarla. Las formas de vibración en cada uno de los cinco planteamientos produce un emparejamiento de modelos de vibración bosónicos y fermiónicos, sin embargo, los detalles del emparejamiento y las consecuencias que surgen de ello en las cinco teorías difieren sustancialmente. Y si bien son detalles pequeños, nos alejan de una única explicación. 

El panorama que se presentaba hacía que algunos de los estudiosos de la teoría de cuerdas opinaran que, si bien la teoría podía estar muy cerca de proporcionar la ansiada imagen única del universo, aún no le alcanzaba para lograr el nivel necesario para conseguirlo.

Ello era consecuencia de dos situaciones: la primera consistía en que la investigación había otorgado cinco posibles líneas, y ello propiciaba se restaran protagonismo unas a otras.

Ilustración de las cinco posibilidades para formar la “Teoría M”, tomada de Investigación y Ciencia.

La segunda tenía que ver con que las soluciones que se encontraban para las ecuaciones en cada una de las cinco versiones, tenían diversas soluciones. Las posibilidades, entonces, se ampliaban, por ejemplo, muchas formas distintas para enrollar las dimensiones adicionales, que indicaba en cada caso la existencia de un universo dotado de distintas propiedades inherentes a él.

Un importante argumento en estas situaciones es que en la Física Teórica, cuando se lleva a cabo alguna investigación, se confrontan a menudo ecuaciones que resultan muy difíciles de interpretar, entender y de realizar un análisis de las mismas.

Entonces se intentan resolver en forma aproximada, en la búsqueda de obtener una verdad mayor y absoluta, para estos cinco casos resulta que tan sólo el determinar cuáles son las ecuaciones ha sido difícil y se tienen apenas versiones aproximadas, incompletas, generando la limitante de contar con soluciones aproximadas de ecuaciones aproximadas.

La mayor parte de esos universos hipotéticos, surgidos de soluciones válidas para las ecuaciones de la “Teoría de cuerdas”, presentaban una imagen de ser irrelevantes en relación con el mundo “real”, tal y como lo conocemos.

El concepto para concretar eso es la “inevitabilidad”, se ha pensado que el universo como fue creado, sin que tengamos claro quien o que eligió, de entre el enorme número de opciones que supuestamente eran necesarias para diseñar este, nuestro universo.

Inevitabilidad viene a significar que en realidad no existían opciones y establece como consecuencia que el universo no podía ser de otra manera. La búsqueda de esta inflexibilidad en las leyes de la naturaleza, actualmente forma lo más esencial de la unificación teórica en la física moderna.

Así pues, resumiendo, la formulación de los físicos sobre ecuaciones para la “Teoría de cuerdas”, resultan, por su complejidad, incompletas, son meras aproximaciones y esto genera que las diferentes versiones proporcionen resultados tan distintos, una gran cantidad de soluciones que evitan se tenga la certeza que otorga una sola respuesta correcta.

A comienzos de los años 1990, se demostró que las cinco diferentes Teorías de las Supercuerdas estaban relacionadas por dualidades. 

En la “Conferencia de Cuerdas en 1995”, llevada a cabo en la Universidad del Sur de California comenzaría la “Segunda Revolución de Supercuerdas”, en ella la participación de Edward Witten (26 Agosto 1951) fue definitiva. Dirigió a una embelesada audiencia, compuesta por los físicos más importantes del mundo, un sorprendente discurso en el que planteó la estrategia a donde dirigir los trabajos, ello con el objetivo de acelerar la obtención de resultados, pues los avances ya no eran frecuentes, como habían sido, a partir de la primera revolución de la Teoría de Cuerdas.

La “Teoría-M” (a veces denominada “Teoría-U”) es la proposición de una “Teoría Universal” que unifique las cinco teorías de las Supercuerdas. Basada en los trabajos de varios científicos teóricos, como: Christopher Hull (20 Abril 1957), Paul Townsend (3 Marzo 1951), Ashoke Sen (15 Julio 1956), Michael Duff (28 Enero 1949) y John H. Schwarz (22 Noviembre 1941), usando esta idea de la“Teoría-M”, Edward Witten pudo explicar las dualidades previamente observadas, aquellas que permitían a los físicos relacionar la descripción de un objeto en una teoría de Supercuerdas para eventualmente describir un objeto diferente de otra teoría. Estas relaciones implican que cada una de las teorías de Supercuerdas es un diferente aspecto de una sola teoría, son casos límites de esa Teoría más completa, en la cuales necesaria la participación de once dimensiones.

Una de las dimensiones es la temporal, tres más serían las espaciales conocidas en nuestra realidad y que percibimos claramente por ser visibles, en consecuencia de que están extendidas, seis más que están compactadas (arrolladas) y una más que las engloba, formando membranas por las que podría escaparse la interacción gravitatoria, mediante los “gravitones”. Las membranas que intervienenen la realidad serán objetos animados físicos, no solamente unidimensionales, sino que constituyen toda una variedad de objetos no perturbativos, extendidos en varias dimensiones y que se conocen como “p-branas” (membranas en p distintas dimensiones).

Abordemos, muy superficialmente la “Teoría de Perturbaciones”, que es una teoría que con objeto de poder describir sistemas cuánticos mucho más complicados, ampara un mecanismo sustentado en el uso de sistemas cuánticos más sencillos. Lo que hace de ella, no un método variacional, sino solamente de aproximaciones sucesivamente mejores. Las soluciones que produce la teoría perturbacional no son exactas, pero con frecuencia son extremadamente acertadas. Para la “Teoría de Cuerdas”, esta técnica se ha utilizado para calcular la probabilidad de que una cuerda abierta se convierta en cerrada. 

Con ello se abrió una nueva investigación colectiva llamada segunda revolución de supercuerdas.

En esta teoría se identifican, como antes se dijo, 11 dimensiones, donde la super gravedad interactúa entre membranas de 2 a 5 dimensiones. Lo que evidenciaría la existencia de infinitos Universos Paralelos, algunos de los cuales serían como el nuestro con mayores o menores diferencias, y otros que serían impensables con 4 ó 5 dimensiones. Esto explicaría la debilidad de la gravedad, pues la partícula del gravitón sería la única que podría pasar por todas las membranas, perdiendo su fuerza.

Si ya es difícil concebir que haya esa cantidad de dimensiones, aún más difícil es aceptar que de la “Teoría de Cuerdas” surge la idea de una superabundancia de universos compatibles con el nuestro. Witten con bastante ironía expresó la siguiente idea: “Si sólo una de las cinco teorías describe nuestro Universo. ¿Quién vive en los otros cuatro?”

Además, la Teoría de Supercuerdas puede no ser “falsable”, lo que, según Karl Popper (1902 - 1944), las introduciría en el mismo saco que las “pseudociencias”, debido, por ejemplo, a que las dimensiones que tanta consistencia matemática le dan no son observables, y por ello rompen las normas del “falsacionismo”.

La “Teoría del Big Bang” defiende que el Universo se creó a partir de una explosión cosmológica. Pero la física actual, las ecuaciones de Einstein no pueden explicar el punto de inicio del Big Bang, llamado por ello singularidad cósmica. ¿O sí?

Según la “Teoría de Cuerdas”,el Universo, antes de su expansión, era una brana inestable que decayó en muchos bucles (cuerdas cerradas) para formar por fin el Universo.

Siguiendo la “Teoría M”,todo se habría producido por el choque entre dos branas.

Fotografía de Gabriele Veneziano, tomada de CERN Document Server.

Ahora conozcamos conceptos actuales de la Teoría de Cuerdas, al final del 2018, esto a través del resto de la entrevista de Veneziano:

La teoría de cuerdas es un modelo físico que trata de unificar todas las fuerzas. Actualmente, se conocen cuatro tipos: la gravedad, el electromagnetismo y las dos fuerzas de los átomos (débiles y fuertes). ¿Por qué razón hay que unificar las interacciones?

Veneziano: “Respecto a la unificación, la teoría de cuerdas es casi lo más simple. Según la física de partículas, tienes toda una tabla más las cuatro interacciones que dijiste tú. En el lenguaje moderno, nosotros entendemos que las interacciones son un intercambio de partículas. En el fondo, interacciones y partículas son partículas y más partículas. Y lo primero que ves es que las partículas son el modo de vibración de la cuerda, que tiene una energía asociada”.

Necesita ampliar las cuatro dimensiones que conocemos, pero ¿dónde se encuentran?

Veneziano: “La teoría es tan rígida que demanda que el número de dimensiones sea no cualquiera, sino diez (nueve espaciales y una temporal). Eso al principio fue una gran decepción, pero luego se entendió. Había una vieja idea de Kaluza y Klein, que percibieron que si se escribía la teoría de Einstein en cinco dimensiones (cuatro espaciales y una temporal) y luego cogían una dimensión y la enrollaban en un círculo, obtenían en cuatro dimensiones la teoría general más la electromagnética.

Esta idea volvió a la teoría de cuerdas, un poco mejorada, en el sentido de que ahora ya no es una dimensión que hay que enrollar, sino que son seis. Y al enrollar seis, tienes más margen.

Por eso esta teoría es una ecuación con muchísimas soluciones. Y claro, cada una de ellas da una solución distinta de cómo son las partículas en la interacción.

Otra rigidez que tiene la teoría fue la muerte de la primera teoría y el renacimiento de la segunda, de las partículas que no tienen masa, que son las que llevan a las interacciones y que las predice de una manera unívoca, ya que no puedes elegir.

Y cuando se entendió que había que aplicarla con cuerdas más pequeñas al espacio-tiempo sale el fotón (la partícula de luz) y el gravitón (que si bien no hemos visto directamente, sabemos que existe porque percibimos ondas gravitacionales. Esa es, digamos, una de las rigideces buenas.”

¿Qué aplicaciones tiene en el día a día?

Veneziano: “Normalmente, hay una pared entre las teorías que se formulan, y aparecen aplicaciones. La de cuerdas no está fuera de esa regla. Como la cuerda es muy pequeña, en realidad está dirigida a estudiar problemas de lo que es muy pequeño, que pueden ser de partículas elementales. Esta teoría está muy bien formulada para estudiar el origen del universo”.

Puede entonces explicar la teoría del todo.

Veneziano: “Todavía no hemos terminado de resolverla. A veces hay cuestiones de escala. Por ejemplo, el ADN está compuesto de moléculas, de átomos, de partículas... Entonces, si uso el modelo estándar para estudiarlo, no voy a llegar muy lejos, porque utilizamos un lenguaje inadecuado. Por eso la teoría de cuerdas fue diseñada para explicar el origen del universo”.

Una cuerda puede vibrar a diferentes frecuencias. Qué sucede cuando estas partículas interactúan entre sí.

Veneziano: “La interacción entre partículas ocurre cuando estas coinciden en un punto del espacio-tiempo. La interacción de las cuerdas no sucede en un punto, sino en una línea. Eso hace mucho más suave la interacción y resuelve justamente los problemas que tenía la gravedad cuántica. Y es que la teoría de cuerdas es una teoría cuántica de la gravedad que permite que la interacción se extienda, que no sea tan local”.

Los objetos están hechos de átomos y cada átomo tiene partículas subatómicas. ¿Pero de qué están hechas estás partículas?

Veneziano: “Las partículas elementales estarían hechas de cuerda. Ahora bien, la cuerda sería elemental, y el nombre elemental y a te dice que no está hecha de nada.

En la teoría vieja, la que murió y luego resucitó, la cuerda era el objeto que impedía separar un quark de otro quark. Por ejemplo, yo tomo dos partículas puntuales e intento alejarlas y aparece algo, como una goma elástica, que tensa. Y ahí sí cabe la pregunta de qué está hecha esa goma elástica. Esa cuerda existe..., pero no hay que hacer una teoría sobre ello.

No hay nada más pequeño que la cuerda. El concepto de tamaño 0 es problemático en la física porque el 0 del punto termina dividiendo en alguna parte.

Hasta aquí las opiniones del Doctor Gabriele Veneziano.

Ahora hablemos un poco de “Kaluza – Klein”, termino citado por el Doctor Veneziano, veamos:

En un escrito dirigido a Einstein en 1919, el físico matemático Theodor Kaluza (1885 - 1954), planteaba que la estructura del Universo podía tener mas dimensiones de las que observamos, esto era su conclusión teórica al observar la constatación sobre que esa tesis proporcionaba un marco elegante y exigente para entretejer las teorías de la “Relatividad General” y la “Electromagnética”. Otorgando el escenario contextual único y unificado. Pero su propuesta era totalmente matemática e ignoraba el aspecto dela Física, pues de acuerdo a su idea los cuerpos se comportaban siguiendo la Teoría Clásica de la Física, desconociendo los efectos de la Mecánica Cuántica.

Fue en el año de 1926, cuando Oskar Klein( 1894 - 1977) en su obra “Quantentheorie und Fündimensionale Relativitätstheorie Zeitschrift für Physik” escribió en forma explícita y refinada la tesis de Kaluza y el resultado fue la “Teoría Kaluza – Klein”. Pero lo que realmente alcanzó para equiparar lo teórico con la realidad fue el avance logrado en el campo de la mecánica cuántica, el descubrimiento de las fuerzas nucleares y la fundamentación del “Modelo Estándar”.

Kaluza se adelantó varias décadas a su tiempo, la “Kaluza – Klein” declarada muerta a finales de la década de 1920, resucitó en el transcurso de los años setentas. Esto fue posible debido a que los científicos después de ir detrás de numerosas ideas que terminaban por fallar y arrastrarlos al fracaso, reconsideraron la forma de abordar la teoría y en forma más abierta, declarando fuera de lugar múltiples supuestos (paradigmas), se hicieron abiertos para aceptar planteamientos que no eran poco radicales.

Las más prometedoras resultaron ser las que incluían la “Supersimetría”, así mismo esperaban que las fluctuaciones cuánticas más intensas, las que se dan en el emparejamiento de las partículas constituyentes de super parejas, se anularan, contribuyendo así a suavizar las diferencias entre la gravedad y la mecánica cuántica. Para ello denominaron un nuevo termino “Super gravedad de dimensión superior”, para incluir en ellas las teorías que presentaban la gravedad, las dimensiones adicionales y la supersimetría.

No era, se encontró posteriormente suficiente, faltaba una pieza o varias, y fue en año de 1984, que el faltante apareció triunfalmente la “Teoría de Cuerdas” asumiendo un papel fundamental de inmediato.

A manera de conclusión reconozcamos que esta teoría aún no está completa; sin embargo, puede aplicarse a muchas situaciones. Witten había sugerido que una fórmula general de la “Teoría-M” probablemente requeriría del desarrollo de un nuevo lenguaje matemático.

Ilustración sobre la “Teoría de Cuerdas”, tomada de Naukas Cuaderno Cultura Científica.

Algunos científicos han cuestionado los éxitos tangibles de la “Teoría-M” dado su estado incompleto y su poder limitado de predicción incluso después de años de intensas investigaciones.

Han surgido dos teorías que podrían algún día evolucionar hasta la mencionada teoría unificada. Una es la aquí mencionada “Teoría M”, que vimos es una variante de la “Teoría de Cuerdas” basada en un espacio de 11 dimensiones. La segunda es la denominada “Teoría Cuántica de Bucles” (LQG) que postula que el propio “Espacio-Tiempo” estaría cuantizado dimensionalmente, algo que por ahora no ha sido demostrado.

El espacio se construye a partir de fragmentos discretos, de esa red que constituye el Espacio-Tiempo y ese es el tema de la LQG.

Sin embargo, recientemente se ha descubierto un enlace inesperado entre las dos propuestas teóricas, los físicos que estudian LQG, tienen dificultad para alejarse de sus fracciones de “Espacio-Tiempo” y acceder a una descripción a gran escala que encaje con la “Teoría General de la Relatividad”. Y resulta que se descubrió que se requieren interacciones similares a las que se hallan en la “Teoría de Cuerdas” para lograr que LQG sea compatible con la “Teoría General de la Relatividad”.

El enfoque ahora es el de combinar “las dos caras de la misma moneda”, utilizando la matemática ante la falta de evidencias experimentales.

Nada se ha establecido como la verdad última, las cuerdas pueden ser un éxito en la explicación del todo, o pueden también resultar insuficientes. Una opinión, de tantas que existen nos dice que: “El Universo que conocemos puede ser una “D3-brana” flotando en un Universo de once dimensiones. (Una de las conquistas de la “Teoría M” fue el descubrimiento de las D-Branas, tomada la D del apellido de Johann Lejeune Dirichlet (1805 – 1859).

También habrá de tomarse en cuenta que hay otros dos métodos para fusionar la “Relatividad General” y la “Mecánica Cuántica”, la primera es conocida como “Teoría del Tuistor” a cargo de Roger Penrose (8 Agosto 1931) y la segunda llamada “Nuevas Variables” dirigida por Abhay Ashtekar (5 Julio 1949), el primero adscrito a la Universidad de Oxford, mientras el segundo a la Universidad Estatal de Pennsylvania. Pero a la fecha corren especulaciones sobre el que pueden tener una muy fuerte conexión con la “Teoría de Cuerdas”, y que estos tres planteamientos apuntan a la misma solución para fusionar la relatividad general y la mecánica cuántica.

Para llegar a ser pioneros en el campo de la Física Cuántica, hemos conocido una serie de teorías y propuestas novedosas en su momento y complicadas por la complejidad que les envuelve. Es muy importante el conocimiento de Matemáticas y Física, que se requiere como base de lanzamiento para comprender las premisas que los hombres de ciencia utilizan, para establecer los pasos que nos llevan a planteamientos que se ubican en el límite de nuestras percepciones y un poco más allá. 

Estamos en un terreno recientemente descubierto, por ello aún nos depara sorpresas, algunas impensables ahora o en el pasado reciente, eso es lo que yo considero más interesante de la “Teoría de Cuerdas”. Eso y que la mayoría de los científicos que han participado en la construcción del edificio, están vivos aún.