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TEORÍA DE CUERDAS
ÁNGEL H
TEORÍA DE CUERDASÍNDICE:
1.- Introducción 2.- Einstein y la teoría de todo 3.- Necesidad de una teoría unificada. Agujeros negros y big-bang 4.- Contradicción entre las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica
5.- Nacimiento de la teoría de cuerdas 6.- Mecánica cuántica: Modelo Estándar 7.- Problemas a los que se enfrentaba la teoría de cuerdas en sus inicios 8.- Dimensiones paralelas 9.- Einstein no era infalible. Agujeros y rasgaduras en el tejido espacial 10.- Teoría M 11.- ¿Es la fuerza de la gravedad tan débil como parece? 12.- El big-bang según la teoría de cuerdas 13.- Pruebas experimentales de la teoría de cuerdas 15.- Resumen14.- Conclusiones15.- Bibliografía y documentación
1.- Introducción
La teoría de cuerdas es un modo para describir cada fuerza y toda la materia, desde un átomo a la Tierra, desde el inicio de los tiempos hasta el instante final, una teoría que lo explicaría todo.
Las cuerdas son unas pequeñas partículas de energía que vibran como las cuerdas de un violín. Igual que las cuerdas de un violín pueden crear una gran variedad de notas musicales, estos minúsculos hilos de energía vibran de diferente manera para formar todos los componentes de la naturaleza.
Según esta teoría hay universos paralelos y 11 dimensiones
2.- Einstein y la teoría de todo
Einstein pasó sus últimos 20 años de vida buscando una teoría que describiera el funcionamiento de todo el universo, buscaba las ecuaciones de la teoría de todo, (para él, unificar la gravedad y el electromagnetismo). Murió sin conseguirlo.
La unificación consiste en formular una ley que describiera todo lo que conocemos en este universo. Es el objetivo de la física fundamental, ver cada fenómeno de nuestro mundo basándose cada vez en menos principios e irlos simplificándolos.
2.- Einstein y la teoría de todo
Quiso después unificar la fuerza de la gravedad con la única fuerza que se conocía en su época: el electromagnetismo, fuerza unificada sólo unas décadas antes por Maxwell. Todo lo que se puede conocer que está relacionado con la electricidad o el magnetismo se puede resumir en cuatro ecuaciones básicas:
Einstein con su Relatividad General proporcionó al mundo una nueva forma de ver lo que es la fuerza de la gravedad: curvaturas y pliegues en un tejido del espacio y el tiempo
2.- Einstein y la teoría de todo
La fuerza electromagnética es millones de veces mayor que la gravedad (1038 veces mayor). Un fragmento pequeño de suelo es suficiente para resistir toda la gravedad de la Tierra y evitar que un objeto que se cae al suelo siga cayendo hasta el centro de ella.
La fuerza de la gravedad es importante si actúa sobre cuerpos con mucha masa, (nosotros, los planetas), pero es extremadamente débil a nivel atómico.
Unificar dos fuerzas tan diferentes fue imposible para Einstein.
2.- Einstein y la teoría de todo
Einstein se quedó atrás al surgir la mecánica cuántica, que describía el mundo microscópico, (mundo en la que ni la fuerza de la gravedad ni el electromagnetismo eran útiles).
Einstein no se creyó nunca la mecánica cuántica, decía:“Dios no juega a los dados”. Los experimentos demostraron que estaba equivocado.
La teorías de Einstein implican que el universo era ordenado y predecible, pero la mecánica cuántica proclamaba que en el mundo atómico reina la incertidumbre.
2.- Einstein y la teoría de todo
Al investigar la estructura del átomo se descubrieron dos fuerzas más: – La fuerza nuclear fuerte, la responsable de mantener a los
protones y electrones unidos dentro del átomo.– La fuerza nuclear débil, responsable de la descomposición
radiactiva, (de la radioactividad)
La mecánica cuántica muestra que todas las fuerzas de la naturaleza, excepto la gravedad funcionan a escala microscópica.
En los años 50 parecía imposible combinar la mecánica cuántica con la relatividad general de Einstein en una sola teoría que pudiera describir todo el universo en todas sus escalas
3.- Necesidad de una teoría unificada. Agujeros negros y big-bang
Existen algunos terrenos del universo que no podremos comprender por completo hasta que no demos con una teoría unificada. Los mejores ejemplos de ello son:
Agujero negro: En su interior una estrella puede verse reducida a un minúsculo punto, ¿utilizamos la relatividad general por el enorme peso de la estrella o la mecánica cuántica debido a su escaso tamaño? es necesario utilizar las dos teorías al mismo tiempo, pero si hacemos esto las predicciones que se obtienen son contradictorias.
En el instante del big-bang cuando el universo es extremadamente pesado y pequeño, al combinar las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica se vienen abajo.¿Por qué es necesaria una teoría unificada? Por la incompatibilidad entre las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica.
4.- Contradicción entre las teorías de la relatividad general y la mecánica cuántica
La Mecánica Cuántica y la Relatividad General nos aportan una visión tan diferente de la relatividad que parece que cada una describe un universo distinto.
El concepto variante y nervioso de espacio y tiempo descrito por la mecánica cuántica es radicalmente distinto al tranquilo, ordenado y geométrico del que trata la relatividad general.
Mecánica Cuántica Relatividad general
A finales de los 60 el físico italiano, Gabriele Veneziano, buscando el origen de la fuerza nuclear fuerte descubrió que la ecuación beta de Euler, además de explicar dicha fuerza, era la base de la teoría de cuerdas.
5.- Nacimiento de la teoría de cuerdas:
El físico estadounidense Leonard Susskind trabajando con las ecuaciones de Euler descubrió una ecuación que describía una especie de partículas con una estructura interna que vibraba, y dedujo que se trataba de una cuerda, un hilo elástico, que no sólo se estiraba y contraía, sino que también ondeaba. Introducía así el concepto de las cuerdas.
Entre 1970 y 1973 se desarrolló el Modelo Estándar: teoría cuántica de campos consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial.
Las fuerzas de la naturaleza se explican mediante el intercambio de partículas bosónicas que interactúan entre sí y con las partículas fermiónicas que constituyen la materia.
Los experimentos confirmaron estas predicciones con el descubrimiento de las “partículas fuerza” del electromagnetismo (los fotones), la fuerza fuerte (los gluones), y la fuerza débil (los bosones W y Z).
Cuantos más fotones intercambian dos partículas, mayor es su atracción magnética.
6.- Mecánica cuántica: Modelo Estándar
El Modelo Estándar explica tres de las fuerzas que rigen el mundo de lo minúsculo, (la fuerza débil, la fuerte y la electromagnética), pero no describe la fuerza gravitatoria.
• Taquion: Particula no tangible, con masa al cuadrado negativa (masa imaginaria), que viaja a más velocidad que la luz. (Se interpreta como una partícula inestable que decae en otras partículas, o como un estado inestable del vacío que da lugar a otros estados).
• Gravitón: Partícula sin masa (que no se veían en los experimentos)• Anomalías matemáticas: Incongruencias matemáticas.• Dimensiones paralelas: Se requieren 10 dimensiones (3 espaciales, el
tiempo y 6 dimensiones espaciales adicionales más).A todo el mundo le pareció una locura. En 1973 apenas había físicos
dedicados a la teoría de cuerdas.John Henry Schwarz reconsideró el tamaño de las cuerdas, y al
considerarlas billones de veces más pequeñas que un átomo, dedujo que el gravitón era la partícula que transmitía la gravedad en el nivel cuántico.
Junto con Michael B. Green resolvieron las anomalías matemáticas, y en 1984 publicaron una nueva versión de la teoría de cuerdas: La Teoría de Todo.
7.- Problemas a los que se enfrentaba la teoría de cuerdas en sus inicios
• Todo en el universo consta de pequeños hilos de energía vibrantes que parecen cuerdas.
• El tamaño de las cuerdas es extremadamente pequeño, de hecho, si agrandásemos un átomo al tamaño del sistema solar una cuerda sería como un árbol de la Tierra.
• Las cuerdas vibran de diferente manera y dotan a las partículas de sus propiedades únicas, como la masa y la carga.
La única diferencia entre las partículas que componen nuestro cuerpo y las que transmiten la gravedad y el resto de fuerzas es el modo en el que vibran estas cuerdas.
7.- Problemas a los que se enfrentaba la teoría de cuerdas en sus inicios
Teoría de todo:
La teoría de cuerdas resuelve el conflicto entre la Mecánica Cuántica (con su inestable e impredecible espacio-tiempo a escala subatómica) y la Relatividad General de Einstein (con su concepto tranquilo y predecible del espacio-tiempo a gran escala).
Lo consigue allanando los altibajos de la mecánica cuántica al tomar el concepto clásico de partícula puntual y estirarlo para formar una cuerda, de modo que la agitación sigue presente pero con la tranquilidad suficiente para que la mecánica cuántica y la relatividad general puedan fundirse en este tipo de marco.
Mecánica Cuántica Teoría de cuerdas
7.- Problemas a los que se enfrentaba la teoría de cuerdas en sus inicios
8.- Dimensiones paralelas
Si nos redujésemos a un tamaño billones de veces menor, encontraríamos una diminuta dimensión envolviendo a cada punto del espacio. Del mismo modo que una hormiga puede recorrer la dimensión circular, una hormiga billones de veces menor podría explorar esta pequeña y retorcida dimensión circular.
El concepto de dimensiones adicionales que existen a nuestro alrededor es la base de la teoría de cuerdas, de hecho los cálculos que la apoyan requieren no una sino 6 dimensiones más, retorcidas y enrolladas de una forma compleja.
8.- Dimensiones paralelas
Nuestro universo es una especie de máquina ajustada a la perfección, la ciencia afirma que hay unas 20 constantes fundamentales de la naturaleza que confieren al universo las características que vemos hoy en día. Son cifras que fijan la masa de los electrones, o las fuerzas de la gravedad, la débil o la fuerte.
¿Qué es lo que ajusta las cifras de estas 20 constantes con tanta precisión? Según la teoría de cuerdas las retorcidas y diminutas estructuras de 6 dimensiones hacen que una cuerda vibre de un modo para producir lo que apreciamos como un fotón, y que otra cuerda vibre de otro modo para crear un electrón. Estas diminutas estructuras podrían determinar la forma de todas las constantes de la naturaleza, manteniendo afinada la sinfonía cósmica.
9.- Einstein no era infalible. Agujeros y rasgaduras en el tejido espacial
Cuando Einstein analizó el tejido del espacio comprobó que no era estático, se estiraba y combaba, y podría haber incluso agujeros de gusano.
9.- Einstein no era infalible. Agujeros y rasgaduras en el tejido espacial
Para crear un agujero de gusano hay que rasgar o perforar el tejido espacial y según las leyes de Einstein esto es imposible; según sus teorías quizás existan agujeros de gusano completamente formados, pero no podemos crear uno nuevo.
Pero a nivel cuántico quizás los agujeros y rasgaduras sean muy comunes.
¿Qué evitaría que una grieta en el tejido causara una catástrofe cósmica?La fuerza de las cuerdas, ya que éstas calman el caos. Una cuerda al desplazarse por el espacio puede formar un tubo, el tubo puede actuar como una burbuja que rodee las rasgaduras. Esto quiere decir que el espacio es mucho más dinámico y variable de lo que pensaba Einstein.
10.- Teoría MEn 1985 la teoría de cuerdas tenía 5 versiones:Teoría de Cuerdas Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIB, Teoría Heterótica SO(32), Teoría Heterótica E8XE8.
Algunos consideraban que las cuerdas eran hilos abiertos, otros bucles cerrados, incluso había dos versiones que requerían la existencia de 26 dimensiones.
Las 5 versiones parecían igual de válidas, pero ¿cuál describía nuestro universo? Si hay un universo, debería haber un solo modo de definir la naturaleza, no 5.
En 1995 el físico Edward Witten unificó la teoría de cuerdas. No se tenían cinco teorías, sino cinco enfoques de un mismo concepto. Resolvió el problema proponiendo una nueva versión de la teoría de cuerdas que incluía a todas las demás, y la llamó Teoría M.La dimensión 11 que Witten introdujo permitía que las cuerdas se estirasen para formar membranas.
10.- Teoría M
Quizás vivamos en una membrana tridimensional que flota en una dimensión espacial mayor.Podría haber otros mundos a nuestro lado, pero serían invisibles, serían universos paralelos, algo semejante a las rebanadas de pan.
Todos estos universos vivirían en las dimensiones adicionales de la teoría M. Podrían estar a nuestro lado, a menos de 1 mm de distancia.
¿Por qué no los podemos ver ni tocar?Porque nuestros átomos, que pertenecen a una membrana determinada, no puede salirse de ésta para llegar a otra.
11.- ¿Es la fuerza de la gravedad tan débil como parece?
Según la Teoría M, todo lo que vemos a nuestro alrededor, como la materia y la luz, se compone de cuerdas abiertas y los extremos de cada una de ellas están sujetos a nuestra membrana tridimensional.
Las cuerdas cerradas también existen y una de sus variedades es la responsable de la gravedad, se llama gravitón.
Los gravitones son libres de escapar a las otras dimensiones, lo que diluye la fuerza de la gravedad haciéndola parecer más débil que el resto de fuerzas de la naturaleza
12.- El big-bang según la teoría de cuerdas
El concepto clásico del big-bang no dice nada acerca de qué estalló ni de qué ocurrió antes. Se pasó de la nada a algo.
Algunos defensores de la teoría de cuerdas creen que el big-bang no fue el comienzo de todo, que el universo existía desde antes.
Dos membranas que albergaban universos paralelos se precipitaron la una hacia la otra y la energía del choque desencadena el big-bang, crea la expansión que apreciamos y calienta todas las partículas del universo creando una enorme masa ardiente.
Dos universos paralelos pudieron colisionar no sólo una vez, sino una detrás de otra, y quizás pueda repetirse en el futuro.
13.- Pruebas experimentales de la teoría de cuerdas
Las cuerdas son diminutas, pero si no podemos observarlas, quizás podamos ver señales de sus huellas en algún punto entre las estrellas.
Con los aceleradores de partículas FermiLab y CERN (7 veces más potente) quizás se consiga:
– “Observar” el gravitón en el momento de su fuga, cuando pasa a la dimensión adicional. En ese momento el detector mostrará su ausencia.
– Detectar las partículas S y así confirmar la supersimetría.
Supersimetría: Las partículas subatómicas (electrones, fotones, gravitones, etc.) deben tener unos equivalentes mucho más pesados llamados partículas S.
RESUMEN
14.- Conclusiones
Cada vez que observamos con más detalle el universo, descubrimos una inesperada capa de la realidad.
Hace un siglo algunos científicos creyeron haber descifrado las leyes del universo, pero llegó Einstein y cambió las ideas de espacio, tiempo y gravedad. Luego la Mecánica Cuántica desveló el funcionamiento interno de átomos y moléculas descubriendo un mundo peculiar e inseguro.
Ahora se investiga lo que puede ser la siguiente capa: cuerdas vibrantes, partículas S, universos paralelos y dimensiones adicionales.
En la Teoría de Cuerdas trabajan científicos de primer nivel como el físico-matemático Edward Witten (primer físico en ganar la medalla Fields).
En cualquier caso tened siempre presente La Navaja de Ockham (de aquellas teorías válidas para explicar un proceso físico, hay que elegir la más sencilla).
15.- Bibliografía y documentación:
El universo elegante: Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de una teoría definitiva; Brian B. Greene. Ed. Grupo Planeta, 2011
Revista Investigación y Ciencia:
¿Es la teoría de cuerdas una ciencia?; Dieter Lüst, Nº 408 - Septiembre 2010 La teoría de cuerdas y el LHC; Luis E. Ibánez, Nº - Octubre 2009 El paisaje de la teoría de cuerdas; R. Bousso y J.R. Polchinski, Nº 338 - Noviembre 2004 Teoría de cuerdas. Reflexiones informales sobre su futuro; Brian Greene, Nº 328 – Enero 2004 Unificación y dualidad en teoría de cuerdas; Luis E. Ibáñez, Nº 263 – Agosto 1998
Documentales de la BBC:
El Universo Elegante (Dirigido por Joseph McMaster y Julia Cort) La teoría de cuerdas - El Sueño De Einstein La teoria de cuerdas - La clave está en la cuerda La teoria de cuerdas - Bienvenidos a la 11ª Dimensión
Universos paralelos; (Dirigido por Malcolm Clark)
