Ilusiones infundadas

Teoría de cuerdas: una teoría para unificar el universo

Alex Riveiro en Curiosidades

La teoría de cuerdas es, probablemente, uno de las hipótesis más intrigantes del mundo de la ciencia. Es un intento por explicar todo lo que podemos observar en el universo. Con el paso de las décadas, ha ido evolucionando, y ha pasado por momentos de mayor y menor popularidad. Pero… ¿en qué consiste exactamente?

La teoría de cuerdas: una explicación para el mundo que nos rodea.

Theodor Kaluza.
Crédito: John Fleischman

Para poder explicar la teoría de cuerdas, hace falta embarcarse en un pequeño viaje por la historia de nuestra ciencia. Concretamente, tendremos que viajar hasta 1919 y. Es en ese momento cuando nos encontramos con un físico alemán: Theodor Kaluza. Quizá su nombre no te resulte especialmente conocido, pero tuvo una idea que, a priori, sonaba bastante descabellada: el universo podría tener más de 3 dimensiones.

¿Cómo se le ocurrió esta posibilidad? Sólo hace falta retroceder unos años más, a 1907, para dar con la respuesta. Obtuvo la inspiración del mismísimo Albert Einstein. A principios del siglo pasado, el genial físico ya había planteado su famosa teoría de la relatividad. Pese a su popularidad, y por raro que parezca, en su época, el proyecto de Einstein para entender la gravedad parecía no tener mucho sentido. A fin de cuentas Newton, en el siglo XVII, ya nos había explicado el movimiento de los planetas, por qué caían las manzanas de los árboles, etc…

Sin embargo, Einstein buscaba un enfoque diferente. Quería entender cómo funcionaba la gravedad. ¿Cómo podía ser que el Sol, a 150 millones de kilómetros de distancia de la Tierra, fuese capaz de ejercer su gravedad? ¿Cómo la transmitía a través de un espacio vacío e inerte? En cierto modo, podemos decir que Einstein descubrió que el espacio, en ausencia de materia, es como una superficie completamente lisa.

El espacio-tiempo y su curvatura

Concepto artístico de la teoría de la gravedad.
Crédito: Shutterstock

Si hay algo que tenga masa, el espacio se curva. Esa curvatura comunica la gravedad. Lo mismo se aplica a la Tierra. La imagen que acompaña este párrafo sirve para ilustrarlo. Imagina que la esfera del centro es el Sol o la Tierra y, la esfera que gira es respectivamente, la Tierra o la Luna. Es la curvatura del espacio la que hace que el objeto se mueva a su alrededor. Como si siguiese el camino a través de un valle.

La idea de Einstein era elegante y funciona. Hizo que se convirtiese, seguramente, en uno de los grandes científicos de nuestra historia. El hallazgo del genial físico hizo que Kaluza comenzase a pensar. Ambos buscaban una teoría unificada (también llamada teoría del todo, es la misma idea). Es decir, una teoría que fuese capaz de describir todas las fuerzas fundamentales del universo. Algo así como una ecuación maestra. Una llave para abrir todas las puertas.

Theodor Kaluza entendió que Einstein había sido capaz de describir la gravedad como un conjunto de curvas y deformaciones en el espacio-tiempo. Así que intento hacer lo mismo con la otra fuerza que se conocía en aquella época: la electromagnética. En la actualidad conocemos más, pero la fuerza electromagnética es, básicamente, la responsable de cosas como la electricidad o la atracción magnética. Kaluza pensó que podría hacer lo mismo. Explicar la fuerza electromagnética como curvas y deformaciones.

La fuerza electromagnética como como una curva

Oskar Klein
Crédito: Kosmologika.net

Pero… ¿en qué? Einstein ya había usado el espacio-tiempo para explicar la gravedad. ¿Qué otra cosa podía ser la responsable de transmitir la fuerza electromagnética? No parecía haber nada más. Kaluza propuso que podía haber dimensiones extra. Es decir, para poder describir una fuerza más, quizá fuese necesario añadir una dimensión más al universo. Así, tendría cuatro dimensiones físicas y el tiempo (que siempre tratamos como una dimensión más).

Lo más curioso es que, cuando se puso a escribir las ecuaciones que explicaban esas curvas y deformaciones de un universo de 4 dimensiones (en vez de 3) se encontró con las mismas ecuaciones de Einstein para la gravedad. Hasta aquí, todo normal. Pero había una más. Una ecuación que era, exactamente, la misma que los científicos ya conocían para describir la fuerza electromagnética. Eso sí, que todo pareciese cuadrar, no quería decir que Kaluza hubiese dado con la clave.

Porque, cabe preguntarse otras cosas. Si el universo tiene más dimensiones… ¿dónde están? No las podemos ver a nuestro alrededor. Del mismo modo, ¿esta teoría funciona si la aplicamos con detalle a todo lo que nos rodea? La respuesta a la primera pregunta llegó unos años después, en 1926. Se le ocurrió a un físico sueco: Oskar Klein. Sugirió que quizá haya dos tipos de dimensiones. Unas grandes y fáciles de ver, y otras mucho más pequeñas, rizadas y enrolladas sobre sí mismas.

Pequeñas dimensiones imperceptibles

Hormigas sobre una cuerda.
Crédito: Stock Photo

Serían tan pequeñas que, a pesar de estar alrededor nuestro en todas partes, no podemos verlas. El razonamiento puede parecer difícil de entender, pero tiene su sentido. Imaginemos que tenemos un cable, visto desde la distancia. Podríamos decir, sin dificultad, que desde nuestra perspectiva, el cable es un objeto unidimensional. Pero no es así. Sabemos que tiene algo de grosor y altura. Es más. Para las hormigas, ese grosor y altura son perfectamente accesibles.

Para ellas, el cable es un objeto completamente tridimensional. Así que la idea de Klein viene a ser algo parecido, solo que en una escala muchísimo más pequeña que lo que podemos imaginar. De tal manera que, si fueses una hormiga increíblemente pequeña, podrías moverte por la escala más pequeña del espacio-tiempo y ver esas dimensiones extra, enrolladas sobre sí mismas, como el grosor de ese cable. De esta manera, la primera pregunta podría tener una respuesta que parece bastante plausible.

Pero, ¿y la otra pregunta? ¿Funciona la idea de Kaluza si la aplicamos al mundo real? La respuesta es que no. En aquella época, con el conocimiento que tenían, con el trabajo de Kaluza, Einstein y otros científicos, descubrieron que no eran capaces de obtener cosas como la masa de un electrón. Así que esta idea de explicar el universo con una teoría unificada fue cayendo en el olvido a mediados del siglo XX (hacia los años 40).

El renacer de la teoría de cuerdas

Balón de fútbol.
Crédito: Desconocido

Pero no llegó a caer en el olvido absoluto. En las últimas décadas del siglo XX, volvió a resurgir de una forma diferente: la teoría de supercuerdas. La teoría de supercuerdas va un paso más allá de lo que pensaba Kaluza. Los científicos (hablamos de científicos de nuestra época, personas como Brian Greene, que están trabajando en este campo) se hicieron una pregunta relativamente simple… ¿cuál es el elemento más pequeño, indivisible, inseparable (y todos los “in” que se te puedan ocurrir) que componen el mundo que nos rodea?

Imaginemos que tenemos una pelota de fútbol. La observamos en su tamaño más pequeño posible. Es decir, vamos descendiendo y llegamos a los átomos. Probablemente sepas que los átomos no son la unidad más pequeña que podemos observar. Están formados por partículas aún más pequeñas. En su nivel más esencial, tenemos fermiones y bosones. No voy a hablar de qué son. Pero sí diré que un protón, por ejemplo, está compuesto de quarks (un tipo de fermión).

Concretamente, dos quarks arriba y un quark abajo. El neutrón está formado por un quark arriba y dos quarks abajo. La cosa es que no hemos sido capaces de observar más allá del quark. Es decir, ahí termina lo que sí conocemos. Pero aquí, la teoría de cuerdas nos lleva un pasito más allá. En ella, se plantea que en el interior de los quarks hay algo así como un filamento de energía que vibra. En esencia: una cuerda.

Las cuerdas de la realidad

Concepto artístico de la teoría de cuerdas.
Crédito: Fresh Wallpapers

Esas cuerdas, de una forma parecida a las cuerdas de un instrumento musical, pueden vibrar de diferentes maneras. Del mismo modo que la cuerda de un instrumento musical produce diferentes notas musicales, las diferentes vibraciones de estas cuerdas producen las diferentes partículas que vemos en el universo. En ese nivel microscópico, esta sería la pieza básica del universo. Sus vibraciones (en diferentes frecuencias) producen diferentes partículas, y esas partículas son lo que vemos en todas partes.

Es una teoría muy elegante. Si funciona, quiere decir que tanto las partículas de la materia como las de las fuerzas fundamentales tienen un mismo origen. Todas tendrían en común esas cuerdas vibratorias. Así que, en un arrebato de locura, o genialidad, pasamos de intentar explicar las fuerzas fundamentales con una única teoría en los años 50… a intentar explicarlo todo en los años 90. Todavía no tengo claro si es una locura o una genialidad.

En cualquier caso, para ver si esta idea tiene sentido hay que probarla. Las matemáticas de esta teoría de supercuerdas no funcionan en un universo con tres dimensiones. Tampoco con cuatro (como el que planteaba Kaluza). Ni con cinco, ni seis, ni siete… Hay que subir hasta las diez dimensiones físicas (y una temporal). Es el único universo en el que funciona. Si ya es difícil imaginar cuatro dimensiones físicas, os invito a no intentar imaginar diez. Da un dolor de cabeza terrible.

El mundo de las dimensiones extra

Concepto artístico de una cuerda.
Crédito: Desconocido

¿Qué propósito podrían tener esas dimensiones extra? Científicos como Greene creen que esas dimensiones extra podrían ser una respuesta. Hay una gran pregunta en la física que todavía no tiene respuesta. Podemos decir que nuestro universo se rige por varios números. Cosas como la masa de una partícula, la fuerza de la gravedad, la velocidad de la luz… Hemos medido todos esos números con gran precisión.

Pero… ¿por qué tienen esos valores exactamente? ¿Por qué la luz viaja a casi 300.000 km/s? ¿y por qué la gravedad tiene esa intensidad? Esas dimensiones extra, y la forma que tuviesen, si es que existen (que no es algo que esté ni mucho menos comprobado) podrían determinar cómo vibran las cuerdas de esta teoría. Si fuese así, la forma del universo, sumando todas esas dimensiones, es la que nos diría por qué es como es.

Es una pregunta muy importante. Imagina que tuviésemos una máquina en la que ajustar todos esos parámetros. Cambiar cualquiera de esos valores por poco que sea, nos lleva a un universo en el que, probablemente, no existiría la vida. Es sorprendentemente fácil, con tocar un poco esos valores, producir un universo absolutamente incompatible con la vida. Quizá, incluso incompatible con su propio funcionamiento (un universo que nunca llegase a tener un Big Bang, por ejemplo).

La llave a lo que no podemos explicar

Concepto artístico de las dimensiones extra.
Crédito: Jeff Bryant

No menciono el universo por casualidad. La teoría de cuerdas nos dejaría explicar cosas como qué pasa en la singularidad de un agujero negro. Pero si de verdad queréis sufrir un poco, la imagen que acompaña este párrafo podría ser una representación de esas dimensiones extra, pequeñas y apelotonadas entre sí. También nos dejaría explicar qué sucedió antes del Big Bang (la teoría de cuerdas plantea que pudo ser el resultado de una colisión o fusión de universos). Eso abre la puerta a la existencia del multiverso.

La teoría de cuerdas podría permitirnos cosas como usar un agujero de gusanopara viajar a otros universos (eso sí, es un gran “quizá”). El caso es que, de ser así, en un futuro lejanísimo, nos podría permitir escapar del destino último del universo. La teoría de cuerdas podría darnos una forma de viajar a otro universo. Uno que, en ese futuro tan lejano, cuando el cosmos muera, podría permitir que la vida siga avanzando.

En un cosmos nuevo, diferente al que conocemos. Pero, volvamos al presente, ¿cómo sabemos si la teoría funciona? El Gran Colisionador de Hadrones (en Suiza) podría darnos la respuesta. La esperanza de los físicos es que, allí, donde se hace colisionar dos haces de protones con una energía altísima, se pueda observar qué sucede cuando se libera. Si hacemos chocar dos haces con gran energía (moviéndose casi a la velocidad de la luz) y la medimos, podemos comparar la energía antes y después de la colisión.

En busca de la señal de la teoría de cuerdas

Esta imagen es una simulación de cómo veríamos la Gran Nube de Magallanes si hubiese un agujero negro entre nuestro planeta y la galaxia.
Crédito: Alain R./Wikipedia

Si después de la colisión resulta que tenemos menos energía de la que había antes de la colisión la conclusión es que parte de esa energía habría escapado a esas dimensiones extra. De momento, no se ha observado ese resultado. No quiere decir que la teoría de cuerdas esté descartada, ni mucho menos. Quizá no hayamos usado toda la energía necesaria para provocar ese fenómeno. Quizá suceda solo en colisiones con más energía.

La respuesta, en cualquier caso, es posible que la tengamos en el curso de nuestras vidas. Algo que no es demasiado común. Si no es así, si no tenemos una teoría unificada, tampoco será un drama. Quizá tardemos décadas en descubrir una teoría del todo. O siglos. Pero la aventura que nos llevará hasta ella nos dará muchas respuestas, y muchas otras preguntas a las que responder. Es decir, más ciencia.

Referencias: TED, Wikipedia

Alex Riveiro :Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la 

astronomía en Al-Andalus

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