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Julio 2010

Supercuerdas: Los caminos del universo

Escrito por 
Supercuerdas: Los caminos del universo

Por Isabel Pérez Arellano

Las teorías de supercuerdas son el resultado de la evolución que ha sufrido la Física a lo largo del siglo XX. Einstein, con sus inocentes preguntas acerca de la naturaleza de la luz, revolucionó la ciencia de su tiempo allá por el año 1905, cuando ya se creía que estaba todo explicado, dando nacimiento a dos ramas especializadas: la cosmología y la física cuántica que, paradójicamente, han resultado ser incompatibles.

La relatividad general, utilizada para estudiar grandes acumulaciones de materia, como las galaxias y sistemas solares, explica la gravedad como una deformación del espacio-tiempo, que se curvaría por efecto de la materia.



La mecánica cuántica, a su vez, describe un mundo subatómico donde todo, incluido las fuerzas, son partículas. Por tanto, para la cosmología relativista, la fuerza de la gravedad no tiene una entidad propia, y es además intercambiable con la aceleración, mientras que para la física cuántica estaría representada por una partícula que todavía no se ha descubierto, denominada gravitón.

Cada una de estas especialidades explica con mucha precisión sus respectivas áreas de conocimiento y ha dado lugar a predicciones que hacen de ellas teorías muy fiables. Sin embargo, hay momentos en los que habría que utilizar las dos conjuntamente porque confluyen grandes masas en tamaños equivalentes a partículas subatómicas. Es el caso de los agujeros negros, regiones del espacio en donde la masa está tan concentrada que ni la luz puede escapar a su efecto gravitatorio, y del Big Bang, el momento inicial del universo en donde toda la masa estuvo comprimida en un único punto de tamaño cero.

En estos casos ninguna de las dos teorías puede aportar una explicación, puesto que la resolución de sus ecuaciones matemáticas da lugar a singularidades, o dicho en otras palabras, a soluciones infinitas.

¿Una única teoría es posible?

Anticipándose a esta problemática, Einstein pasó los últimos años de su vida buscando una teoría unificada, intentando ampliar las ecuaciones de la relatividad general para poder incluir las fuerzas nucleares y la fuerza electromagnética. De la misma manera, los físicos cuánticos han tratado durante varias décadas de generar teorías que desde la mecánica cuántica englobasen las distintas partículas de fuerzas, incluida la gravedad. Pero ambas aproximaciones han fracasado.

La primitiva teoría de cuerdas, surgida a principios de los años 70, despertó gran interés porque utilizando un planteamiento matemático nuevo fue capaz de incorporar todas las fuerzas, incluida la gravedad. La novedad consistía en considerar a las partículas elementales unidimensionales en vez de puntuales. El inconveniente era que presentaba un mundo con 26 dimensiones, en vez de las cuatro que conocemos y que planteaba la presencia de una partícula llamada taquión que viajaba a velocidades superiores a las de la luz y tenía carga negativa o imaginaria. Por eso pasado el primer boom, la teoría perdió atractivo para los científicos. Lo interesante de esta teoría es que presenta a todas las partículas como compuestas por una misma sustancia, llamada cuerda, y las diferencias vendrían dadas por la distinta tensión y distinto modo de vibración que presenten. Las cuerdas son además muy plásticas, pueden estar abiertas o cerradas, y pueden unirse y escindirse unas con otras.

El taquión desapareció de las ecuaciones durante la primera revolución de las supercuerdas de los años 80, momento en que se renovó el interés por el tema, gracias al descubrimiento de la supersimetría, un concepto relacionado con el spin, es decir, la velocidad de giro de las partículas. Como resultado, se incorporaban a la teoría los fermiones, partículas de materia,  además de los bosones, o partículas de fuerza. El reto que plantea esta nueva teoría es que bosones y fermiones estarían relacionados por parejas, pero las supuestas parejas de los bosones y fermiones que nosotros ya conocemos no se han descubierto todavía. A estas partículas se les llama supercompañeras, y son unas de las partículas que se están buscando actualmente en el recientemente inaugurado colisionador de hadrones (LHC) del CERN. Una de las hipótesis más interesantes es que estas supercompañeras podrían formar parte de la materia oscura, que teóricamente constituye el 23% de la materia del universo.

La revolución de las supercuerdas

Los científicos postulan que el 95% del cosmos está compuesto de materia y energía oscuras, y tan sólo el 5% estaría formado por materia ordinaria. Se piensa que la mayoría de objetos en el universo ni absorben ni emiten ningún tipo de radiación, produciendo no obstante efectos gravitatorios. Esta hipótesis parte de las observaciones de que las galaxias parecen mantenerse unidas por una fuerza gravitacional que es mayor que aquella asociada a la materia que realmente vemos.

Hay muchos candidatos que podrían conformar esa materia oscura, entre ellos, los neutrinos, los agujeros negros, las enanas marrones, pero fundamentalmente se cree que podrían ser algunas de estas superpartículas o supercompañeras.

El gran colisionador de hadrones situado en la frontera franco-suiza, ha diseñado experimentos de colisión de protones de extraordinariamente alta energía, cuyos resultados serán recogidos por un detector llamado ATLAS, en donde buscan encontrar indicios sobre el origen de la masa, el boson de Higgs, la unificación de las fuerzas de la naturaleza, las dimensiones extra y los candidatos a materia oscura en el universo.

En un futuro, por tanto, se podría obtener la primera prueba experimental a favor de la teoría de cuerdas, si se descubre la supersimetría y las dimensiones extra.

A lo largo de los años 80 se desarrollaron paralelamente cinco cuerpos de teorías de supercuerdas distintas, sin saber cuál de ellas era la aproximación correcta. Se llamaron teorías I, IIA, IIB, HO y HE. Y otra vez cundió el pánico entre los científicos, y se pensó que estaban ante un callejón sin salida.

Pero la segunda revolución de las supercuerdas de los años 90 descubrió la simetría de la dualidad, haciendo que estas cinco teorías fueran interconvertibles dos a dos, y viendo que en realidad formarían parte de otra teoría que las engloba y que se llama Teoría M. La Teoría M presenta un mundo de 11 dimensiones, considerando ahora que las cuerdas no son sólo unidimensionales sino que pueden existir en varias dimensiones, adoptando el nombre de p-branas.

¿Cómo encaja un mundo de 11 dimensiones con el de cuatro dimensiones al que estamos acostumbrados, (considerando las tres espaciales y una temporal)? Pues bien, la teoría de supercuerdas postula que las dimensiones adicionales estarían arrolladas, se habrían colapsado en los momentos iniciales del Big Bang, existiendo sólo en el terreno de lo microscópico, mientras que las otras cuatro se habrían desarrollado para conformar el mundo tal y como nosotros lo conocemos.

La teoría de supercuerdas presenta por primera vez la posibilidad de una física unificada. Y lo que es más interesante, puede explicar los primeros instantes del Big Bang, e interpretar los agujeros negros. Para la mecánica cuántica el agujero negro se evapora con el tiempo y todo lo que hubo dentro desaparece. En la teoría de cuerdas sin embargo, las cuerdas almacenan la información, la cual vuelve a emerger cuando se evapora el agujero negro.

Asimismo, para la teoría de cuerdas el universo tiene un tamaño mínimo, que ya no es cero, sino que es de la longitud de una cuerda. En esta nueva versión del Big Bang el tiempo comenzó cuando una única brana, que lo ocupaba todo, dio lugar a cuerdas cerradas que se propagaron para crear la materia ordinaria.

Además, las distintas partículas propuestas por el modelo estándar de la física cuántica surgen de manera natural de sus ecuaciones. Mientras el modelo estándar, que fue constituyéndose conforme los aceleradores de partículas iban descubriendo piezas más pequeñas dentro del puzzle de la materia, necesita introducir en sus ecuaciones 19 parámetros experimentales para ser capaz de deducir cosas nuevas, la teoría de cuerdas solo necesita introducir un dato para deducir el resto, y éste es la tensión correspondiente a cada uno de sus bucles. Asimismo, el modelo estándar, sin tener en cuenta la gravedad, admite la existencia de más de 45 partículas diferentes, entre ellos, el hipotético Boson de Higgs, lo que es considerado un número relativamente grande como para constituir los elementos esenciales o “ladrillos” del universo, mientras que las cuerdas representan sólo un único tipo de materia.

De vuelta a lo Uno

Los problemas que presenta la teoría de cuerdas es que se mueve en unas dimensiones tan pequeñas (la cuerda tiene 10-33 centímetros frente a los 10-13 centímetros del átomo) que no es posible su detección a nivel experimental. Sus detractores la acusan de que no se trata de algo científico, sino de una especulación metafísica. Otra de las problemáticas de la teoría de cuerdas es que es una matemática completamente nueva, de manera que a la vez que los físicos están ahondando en las teorías, los matemáticos están intentando ir a ese ritmo y desarrollar nuevas ecuaciones. Lo cual quiere decir que las ecuaciones de la teoría de cuerdas son aproximadas y que además las soluciones también son aproximadas, de forma que todavía no se pueden hacer muchas predicciones porque no se tienen los datos finales y definitivos para saber qué propone exactamente la teoría de cuerdas.

Ante este panorama, los científicos más optimistas dentro de los que apoyan la teoría de cuerdas hablan de un plazo de 30 ó 40 años para que empiece a dar sus primeros frutos.

Si la teoría se confirma, las cuerdas se convertirían entonces en los verdaderos a-tomos (sin partes), el único y último componente del universo.

La teoría de cuerdas estaría volviendo de nuevo a esta concepción antigua y primordial del universo que tuvieron todos los pueblos de la antigüedad. La misma etimología de la palabra indica que el uni-verso tiende hacia lo uno. Más allá de la pluralidad del mundo manifestado existiría una unidad esencial que está representada por esta sustancia llamada cuerda, que es capaz de dar lugar al gran calidoscopio que es el cosmos.

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