¿Qué es la Teoría de Cuerdas?

La mecánica cuántica describe el mundo de lo infinitamente pequeño, explicando las interacciones tan singulares que actúan a escala de las partículas. La teoría de la relatividad general establecida por Einstein, se aplica a lo infinitamente grande. Unifica el espacio y el tiempo en una única entidad (el espacio-tiempo), cuya deformación explica la gravitación universal entre los grandes objetos galácticos y estelares del Universo.

El mayor desafío de la física actual, es establecer un puente de unión entre estos dos enfoques, y formular una nueva teoría unificada, a la que los científicos han atribuido ya la denominación fusionada de “gravedad cuántica”.

El desarrollo del enfoque matemático de las “cuerdas”, iniciado en el transcurso de los años

setenta, suscita una gran esperanza de ganar esta apuesta. Explicaciones de Robbert Dijkgraaf, profesor de la Universidad de Ámsterdam (Países Bajos), y de Brian Greene, profesor de la Universidad de Columbia (Estados Unidos), dos actores del Consejo Solvay, ponentes de la Conferencia pública de clausura de esta cumbre científica.

¿Por qué la física contemporánea está ahora tan “obsesionada” por este Santo Grial de la gravedad cuántica?

Robbert Dijkgraaf: Porque la dualidad entre los dos enfoques, cuántico y gravitacional, que nos ha legado el siglo XX, es insostenible. La naturaleza no está dividida en dos y ya no nos podemos contentar con describirla con dos teorías diferentes (una válida para las pequeñas escalas, la otra para las grandes) que no se complementan. Si no superamos esta contradicción, no podremos avanzar en nuestra comprensión del Universo, del Big Bang inicial y de las partículas elementales que salieron del mismo.

Brian Greene: Añadiría que no existe una frontera clara, que delimite el final de lo que es “pequeño” y la entrada en el campo de lo “grande”. Al ser imposible establecer esta demarcación, se hace necesario formular este nuevo marco de una teoría de la gravedad cuántica.

Entre todos los enfoques que puedan fundamentar este desafío de la unificación, la teoría de las cuerdas parece la más prometedora. ¿Cuáles son sus principios?

R.D.:  La teoría de las cuerdas se basa en el hecho de que, en el mundo cuántico, todo es “borroso”. ¿Qué significa esto?. Supongamos que hacemos un zoom cada vez mayor en una foto. En un momento dado, ya no se verá la imagen sino solamente entidades imprecisas (negras, blancas o coloreadas) análogas a lo que las tecnologías digitales designan con el nombre de “píxeles”.

Así, para combinar la teoría de la relatividad general (que describe el espacio y el tiempo) con el principio cuántico (según el cual las cosas se hacen borrosas a muy pequeñas escalas), es mucho más realista no considerar las partículas como puntos perfectamente definidos. La teoría de las cuerdas permite dar cuenta de su naturaleza intrínsecamente borrosa, describiéndolas como especies de pequeñas cuerdas (objetos en una dimensión) en lugar de puntos perfectos (objetos en “cero dimensión”).

Este enfoque es apasionante ya que, si se asemeja la noción de partícula a una cuerda, se puede utilizar un enfoque matemático que permita aplicar las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, sin tener la necesidad de elaborar ninguna hipótesis adicional. Cuando los físicos se dieron cuenta de esta posibilidad, hace unos treinta años, comprendieron que tenían una pieza importante del puzzle, susceptible de combinar la relatividad general con la mecánica cuántica. Se trataba de una nueva forma de considerar la teoría de Einstein.

¿Dónde estamos hoy en día?

B.G:. La teoría de las cuerdas constituye actualmente un magnífico edificio matemático, con hermosas ecuaciones que permiten predecir la existencia de nuevas partículas que nadie ha observado aún. El desafío ahora es sustentar tales prediccione,s con experiencias que confirmen la validez de las mismas.

¿Cómo se puede conseguir la obtención de tales pruebas?

B. G.: Se espera que, en los pedazos de las colisiones de partículas muy energéticas (como los protones que se chocarán a gran velocidad en el futuro acelerador Large Hadron Collider (LHC) del Cern, se podrían encontrar estas partículas aún no observadas y calificadas de “supersimétricas”.

Otra posibilidad reside en el hecho de que la teoría de las cuerdas predice un Universo cuyo espacio posee más de tres dimensiones. A altas energías, algunas partículas podrían ser eyectadas de nuestro espacio tridimensional, llevando su energía consigo. El detector percibiría así menos energía al final de la colisión que al principio, siendo entonces esta diferencia la prueba de la existencia de dimensiones adicionales.

La validez de la teoría de las cuerda,s podría también ser apoyada por observaciones astronómicas, por ejemplo, con el análisis de la variación de la temperatura de las radiaciones emitidas después del Big Bang, lo que se denomina la radiación de fondo cósmica (CMB). El satélite Planck, cuyo lanzamiento está previsto para el año 2007, tendría que medir la temperatura de la CMB con una precisión nunca antes vista, y existe una posibilidad de que detecte la huella que confirme el fundamento de la hipótesis de las cuerdas.

R. D.: Además, durante estos últimos cinco años, las observaciones cosmológicas han revelado que únicamente el 4% del contenido energético del Universo es de naturaleza conocida. El 96% queda entonces inexplicado, del que una cuarta parte serían partículas no visibles, que se han definido como “materia negra”. Pero ignoramos todo de la naturaleza real de tales partículas. Un nuevo instrumento, como el LHC, podría permitir su descubrimiento.

Pero ¿cómo es posible imaginar que el Universo contenga en abundancia una materia negra, totalmente extraña a nuestro entendimiento?

R.D.: De forma general, la materia que conocemos en el Universo, interactúa por medio de las fuerzas fundamentales. Así, la luz emitida por un objeto celeste tiene su origen en la interacción electromagnética y es lo que lo hace visible. Pero pueden existir partículas que no interactúen, o poco. En efecto, no existe ninguna razón por la que todo interactúe con todo en el Universo. Gracias a la teoría de las cuerdas, se puede predecir la existencia de partículas que ignoren el “lenguaje” de la interacción por medio de las fuerzas electromagnéticas o nucleares. Se puede afirmar que, desde el momento en que existen, son portadoras de energía, lo que implica que estén sometidas forzosamente a la ley común de la gravedad.

Por lo tanto, esta característica es el primer medio de identificar partículas “candidatas” a la calificación de la materia negra. Pero la teoría de las cuerdas va mucho más allá estableciendo que la o las candidatas mejor situada,s serán las más ligeras y presentarán la característica de la supersimetría.

¿Por qué estas partículas de materia negra deberían ser las más ligeras?, ¿qué quiere decir este concepto singular de la supersimetría?

R.D.: La extrema levedad de tales partículas, significa que han llegado a un límite que impide su desintegración. Estarían en un estado último de estabilidad, lo que podría hacer de las mismas candidatas muy numerosas en todo el Universo.

En cuanto a la supersimetría, hay que partir de la constatación de que la observación de la naturaleza establece dos categorías. Por un lado, se puede distinguir lo que designamos con el término de materia y, por otro, las fuerzas que se ejercen en el seno de esta última, por ejemplo, las fuerzas de naturaleza eléctrica. Estamos acostumbrados a considerar estos dos aspectos de forma separada, es decir, no simétrica. La teoría de las cuerda,s establece que es necesario librarse de esta división introduciendo el concepto de la supersimetría.

Dicho concepto responde a la hipótesis de que existe efectivamente una simetría que conecta materia y fuerza, como la imagen de un objeto en un espejo. Gracias a esta hipótesis, se puede basar la existencia de nuevas partículas susceptibles de constituir la materia negra del Universo.

Es una pista conceptual muy importante, pero que actualmente no ha pasado del marco teórico. ¿Existe en la naturaleza? Aún no se ha aportado ninguna prueba experimental que demuestre la realidad de la supersimetría.

B.G.: No es necesario unificar todas las fuerzas para construir una teoría de la gravedad cuántica, pero no obstante es una de las consecuencias de lo que nos propone la teoría de las cuerdas. Sin embargo, en otros enfoques que fusionan la gravedad y la mecánica cuántica (la teoría de las cuerdas no es la única), no es obligatorio. Sólo los datos experimentales resolverán esta cuestión.

R.D.: No obstante hay que destacar que existen ya datos en este debate. Así, las fuerzas fundamentales varían enormemente en sus propiedades y en sus amplitudes. En los átomos, las fuerzas nucleares son extremadamente grandes mientras que la gravedad es muy débil. No obstante si, en el transcurso de los experimentos, aumentamos cada vez más la energía de las partículas, las propiedades de las fuerzas se hacen cada vez más similares y acaban por adquirir todas más o menos la misma amplitud. Se constata así que, en los campos de las altas energías, tienden a unificarse de forma natural.

B.G.: Estas condiciones de altas energías eran probablemente las que prevalecían al principio del Universo y, si hubiéramos vivido en aquella época, habríamos percibido sin duda una única fuerza matriz en lugar de cuatro.

A la pregunta ¿“existe algo antes del Big Bang”?, Stephen Hawking respondió un día: “No hay nada al norte del polo Norte”...

R.D.: Esta cuestión es lo mismo que preguntarse cómo el tiempo y el espacio pueden empezar con el Big Bang. A medida que nos acercamos al Big Bang, los conceptos de tiempo y espacio ya no tienen sentido, como la latitud cuando se llega al polo Norte.

Pero entonces, ¿de dónde provienen el tiempo y el espacio? 

R.D. : Según ciertas teorías, el espacio podría surgir de la nada, y un fenómeno similar concierne probablemente al tiempo.

¿Cómo pueden surgir de la nada el tiempo y el espacio?

R.D.: Tomemos el ejemplo de la temperatura. Una habitación tiene elementos gaseosos, formados por moléculas. Cada una de ellas lleva una energía y la energía media del conjunto forma lo que se denomina la temperatura. Si sólo queda una única molécula, no se puede definir la noción de temperatura. Así, la temperatura, la presión y numerosos otros conceptos, sólo pueden darse si existe un gran número de partículas. En consecuencia, ciertas leyes fundamentales de la física sólo son válidas más allá de un cierto umbral. Esto podría ser igualmente el caso del espacio y del tiempo.

B.G.: Se podría también imaginar un pre-Big Bang, a saber un Universo que existía antes del Big Bang, que se habría derrumbado sobre sí mismo en un estado fundamental del que podían haber emergido el espacio y tiempo.

Un agujero negro es el resultado del derrumbamiento de una estrella masiva. Como para el Big Bang la relatividad general predice que toda la materia de la estrella se derrumba en un punto de densidad infinita. ¿Qué dice la teoría de las cuerdas al respecto?

R.D.: Lo divertido, con los agujeros negros, es que son una especie de mini versión del Big Bang con el que presentan algunas similitudes, pero en sentido inverso. La materia cae en un agujero negro mientras que emerge del Big Bang. Algunos astrofísicos, entre ellos Stephen Hawking, han demostrado que un agujero negro no es negro sino que irradia partículas. Se evapora. Sus ecuaciones eran una aproximación pero la teoría de las cuerdas permite a partir de ahora formularlas de forma exacta, incluyendo todos los efectos cuánticos a muy pequeñas escalas.

B.G.: Si se pudieran producir un día en el LHC unos agujeros negros microscópicos (una esperanza de los astrofísicos) sería posible examinar los productos de su evaporación y observarlos desintegrarse.

R.D.: Y la energía desprendida por esta desintegración sería tal que cualquier partícula podría resultar de la misma, ofreciéndonos una posibilidad de detectar las famosas partículas supersimétricas predichas por la teoría de las cuerdas.