¿Qué es la teoría de cuerdas?

Un buen amigo me ha incitado a que publique un post sobre la famosa teoría de cuerdas y por qué hay tantos artículos y documentales dedicados e ella que, al final, no te acaban aclarando nada. Así que vamos a ello.

Primera regla de la teoría de cuerdas: debes incluir imágenes psicodélicas que no tienen nada que ver con el tema cada vez que hablas de ella.

Pero primero vamos a poner el asunto en contexto, porque tiene tela. Nuestro universo está regido por cuatro fuerzas fundamentales que le dan a la materia el aspecto que todos conocemos y amamos: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Pero cada una de ellas actúa en un campo distinto.

La fuerza nuclear fuerte aparece entre los protones y neutrones en el núcleo de los átomos y los mantiene unidos. Basta con esta breve definición para ver su importancia: si no existieran átomos estables, no estaría aquí resaltando su importancia.

La fuerza nuclear débil es la responsable de que algunos elementos se desintegren con el tiempo emitiendo radiación, ya que permite que los electrones y los protones se combinen para formar neutrones (hablaba más sobre la radiación en esta entrada sobre elementos que no existen). Si esta fuerza no existiera, la ventaja es que podríamos manejar tranquilamente pedazos plutonio y uranio sin terminar letalmente irradiados... Pero, por otro lado, la existencia de estrellas no sería posible.

Estas dos fuerzas actúan tan sólo a escalas muy pequeñas, en el interior de los átomos, donde son tan fuertes comparadas con la fuerza electromagnética y la gravedad que se sobreponen a ellas.

La fuerza electromagnética tiene lugar entre partículas con carga eléctrica y se manifiesta a gran escala en forma de campos magnéticos. O sea, que su efecto es palpable tanto en las interacciones entre átomos como entre objetos macroscópicos como, por ejemplo, cuando acercamos un clavo de hierro a un imán y se queda pegado.

Por último, la fuerza gravitatoria es una fuerza atractiva que tan sólo empieza a ser apreciable cuando grandes cantidades de átomos se acumulan en el mismo lugar. La gravedad es la que da moldea el universo a gran escala, agrupando la materia en esferas y organizando las estrellas y planetas para formar sistemas solares y galaxias.

Un dato curioso de regalo: de todas las fuerzas, la gravedad es la más débil. Podéis levantar en el aire un clavo con un imán de la nevera para comprobarlo: pese a que toda la masa de la Tierra está tirando del clavo hacia abajo, no conseguirá despegarlo de ese pequeño campo magnético.

La cuestión es que para cuantificar y explicar cómo actúa cada una de estas fuerzas, se desarrollaron diferentes ramas de la física basadas en distintas suposiciones sobre la naturaleza su naturaleza. Lo que comúnmente llamamos teorías, vaya.

Pero, ¿qué implicaciones tiene exactamente esto de desarrollar una teoría en física?

Buscar una teoría que explique un fenómeno concreto no se limita sólo de encontrar unas cuantas fórmulas matemáticas sacadas de la manga que nos ayuden a hacer predicciones sobre el comportamiento de lo que sea que estamos estudiando. Detrás de toda teoría hay un planteamiento más profundo sobre la naturaleza del fenómeno en sí que, de ser correcto, puede cambiar nuestra visión de la realidad.

Pongamos el caso de la gravedad, por ejemplo.

Isaac Newton postuló que la gravedad es una fuerza invisible que aparece entre dos (o más) cuerpos y que la magnitud de esta fuerza depende de la distancia que están separados y la masa de cada uno de ellos. Basado en esta idea de que la gravedad es una fuerza invisible, ideó un modelo matemático que resultó ser más efectivo que ningún otro planteado con anterioridad a la hora de describir el movimiento de los objetos que caen, incluidos los movimientos de los planetas.

Pero, con el tiempo, a medida que los instrumentos astronómicos mejoraron, se volvió aparente que en algunos casos extremos, como la órbita del planeta Mercurio, las predicciones hechas por las leyes de Newton no se ajustaban a las observaciones. Y, por supuesto, llevarle la contraria a lo que está ocurriendo delante de tus narices es una soberana pérdida de tiempo.

Como el modelo estaba basado en la noción de que la gravedad es una fuerza, esto sólo podía significar que esa concepción no era correcta. La gravedad no podía ser una fuerza, tenía que ser otra cosa.

A principios del siglo XX apareció Einstein con su teoría de la relatividad. En esta teoría, no planteó la gravedad como una fuerza invisible, sino como una distorsión del propio espacio provocada por los cuerpos que éste contiene. Cuanto más masivo es un objeto, mayor la distorsión que provoca y a nosotros nos parece que nos atrae con más fuerza. Sí, hombre, habéis visto el ejemplo mil veces.

Y no sólo eso, la teoría de Einstein también sugería que el espacio y el tiempo no son dos facetas distintas de la realidad, sino que forman una misma entidad: el tejido espacio-tiempo. Por tanto, los cuerpos masivos no sólo distorsionan el espacio a su paso, sino también el transcurso del tiempo en el volumen que su campo gravitatorio abarca. Hablaba con más detalle de todo esto en esta entrada sobre la física de la película Interstellar.

La cuestión es que las observaciones demostraron que el modelo de Einstein predecía con exactitud todo lo que no conseguía el de Newton. Einstein había acertado, por lo que esta idea de que espacio y tiempo forman parte de lo mismo y que el ritmo al que transcurre el tiempo no tiene por qué ser constante tenía que ser correcta (y aún consideramos que los es).

Esta nueva noción cambió de manera drástica nuestra visión de la realidad. Acostumbrados a estar sometidos al mismo campo gravitatorio terrestre y llevar vidas a bajas velocidades desde que nuestra especie apareció sobre el planeta, nunca podríamos haber imaginado que algo que dábamos tan por sentado como el ritmo al que transcurre el tiempo pudiera ser alterado.

¿Y todo esto que tiene que ver con la teoría de cuerdas?

Paciencia, voz cursiva.

Cada una de las cuatro fuerzas fundamentales puede ser explicada con su propia teoría pero, desde mediados del siglo pasado, se ha intentado unir estos cuatro tipos de interacciones tan distintos en una sola teoría bajo la premisa de que debe existir algún fenómeno en común detrás de todas ellas que provoca los distintos tipos de interacciones.

Hasta ahora, se han conseguido unir el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la débil bajo una misma teoría, llamada el modelo estándar de física de partículas. Esto es equivalente a decir que hemos encontrado la causa que se manifiesta en estas tres fuerzas distintas.

Pero volvamos de nuevo al contexto histórico.

Nuestra concepción de los bloques básicos que nos componen a nosotros mismos y al resto de la materia que nos rodea también ha cambiado mucho a lo largo de la historia.

En la antigua Grecia ya apareció la idea de que la materia está hecha de diminutos pedazos indivisibles, pero esta teoría no pudo avanzar hasta que se empezaron a aislar e identificar los elementos químicos puros que dan lugar a las sustancias más complejas que nos rodean.

En el siglo XIX, John Dalton sugirió que las cosas están compuestas por pequeños trozos de elementos más simples que se combinan siempre de la misma manera para formar sustancias concretas. Dos átomos de hidrógeno se combinarían siempre con uno de oxígeno para formar agua, por ejemplo.

Más tarde, en 1897, J.J. Thompson descubrió que podía alterar la trayectoria de los rayos catódicos utilizando campos magnéticos, por lo que dedujo que en realidad estos rayos tenían algún tipo de carga eléctrica negativa. Llegó a la conclusión de que estas cosas con carga negativa, a los que llamó electrones, estaban saliendo de la propia materia, así que imaginó que las unidades más pequeñas que la componen tenían una morfología similar a una galleta con virutas de chocolate: una masa con carga positiva incrustada con cargas negativas. El conjunto se mantenía en equilibrio porque los dos tipos de carga se compensarían, confiriéndole neutralidad eléctrica.

En 1911, Rutherford se dio cuenta de que esta distribución de la masa de un átomo no podía ser correcta y que la carga positiva debía estar concentrada en el centro mientras la carga negativa daba vueltas alrededor de manera similar a la que los planetas lo hacen alrededor del sol. En 1920 descubrió que los responsables de la carga positiva eran los los protones y en 1932, su ayudante, James Chadwick, detectó por primera vez los neutrones, que ayudaban a mantener el núcleo atómico en equilibrio.

El modelo del átomo, entonces, evolucionó de un trozo de pasta con tropezones a la idea que aún hoy en día consideramos correcta.

Pese a que no se puede observar un átomo con tanto nivel de detalle como para poder distinguir sus componentes básicos, esta teoría nos ayuda a predecir con gran precisión tanto los productos que tendrán ciertas reacciones químicas como el comportamiento químico en general de cualquier sustancia, por lo que el consenso es que se ha encontrado un modelo que es una buena aproximación a la realidad.

Esto es lo más detallado que podemos ver en cuanto a átomos. En este caso, los átomos en una superficie de oro.

Pero, con el avance de la ciencia, se descubrió que el modelo aún estaba incompleto. Ojo, eso no significa que esté mal, sólo que faltaban cosas que añadir.

En 1961 se consiguió agrupar la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo bajo un mismo modelo, bautizado como teoría electrodébil. Esta teoría afirmaba que las dos fuerzas aparecían debido a la interacción de partículas aún más pequeñas que los protones y neutrones que componen los átomos. Estas nuevas partículas fueron bautizadas como partículas elementales, porque se consideran los bloques básicos que construyen la realidad.

Este resultado sugería que, a lo mejor, el resto de fuerzas podrían ser también ser explicadas por la existencia de otras partículas elementales y que, si lográbamos detectar qué partículas causaban cada una de ellas, podríamos encontrar el origen de cualquier fenómeno tanto a pequeña como a gran escala usando sólo un modelo.

Y, de momento, esta es la teoría que mejor explica la realidad.

En nuestra visión actual del mundo, las tres fuerzas que determinan el comportamiento de las cosas a pequeña escala se pueden explicar mediante el llamado modelo estándar de física de partículas, que atribuye la aparición de estas fuerzas a la interacción entre diferentes tipos de partículas elementales ( quarks, bosones y leptones).

Distintas cantidades de partículas elementales se unen para formar las partículas más grandes que antes se consideraban las unidades básicas de la materia. De la misma manera, su unión también provoca la aparición de partículas que cargan con las fuerzas, como los fotones que transportan el electromagnetismo.

Pero hay un problema: para que esta teoría lo explicara todo, debería existir también una partícula elemental que "transportara" la gravedad de un lado a otro. Esta hipotética partícula, el gravitón, no ha sido detectada hasta el momento. O sea, que la mejor herramienta que tenemos para describir las interacciones gravitatorias entre cualquier grupo de objetos sigue siendo la Relatividad General.

Y ahora ya podemos hablar sobre la teoría de cuerdas.

Como parece que el enfoque de las partículas elementales no sirve para unificar todas las fuerzas, han aparecido muchas teorías que intentan explicar qué fenómeno común las causa. Y una de ellas es la teoría de cuerdas.

Esta teoría plantea que las partículas elementales tampoco serían los bloques básicos en los que se fundamenta el universo, sino que éstas contendrían elementos aún más pequeños, una especie de filamentos de energía en constante vibración llamados, lo habéis adivinado, "cuerdas".

Nadie sabe cómo serían, pero suelen pintarlas así en los documentales. Aunque dudo que tuvieran color o incluso que brillaran porque... Bueno, es que son más pequeñas que los propios fotones.

La vibración de estas cuerdas estaría limitada a unas frecuencias muy concretas, de manera que distintos modos de vibración otorgarían propiedades diferentes a las partículas elementales de las que forman parte, como por ejemplo una mayor o menor masa o carga eléctrica. Por ejemplo, un determinado modo de vibración produciría electrones y algún un tipo de quark en concreto.

Como estas cuerdas tienen que formar las partículas elementales, que ya de por sí son diminutas, su tamaño tiene que ser incluso menor. Según sus defensores, el tamaño de las cuerdas rozaría la longitud de Planck o 0.00000000000000000000000000000000001 metros (para los que estáis un poco más familiarizados con la notación matemática, 10^-35 metros). Dicho de otra manera, si hincháramos un átomo hasta que tuviera el tamaño del sistema solar, entonces las cuerdas que contienen las partículas elementales que lo forman tendrían el tamaño de un árbol.

Por mucho que me pese, una imagen en Photoshop con resolución suficiente como para distinguir esta diferencia de escalas probablemente tardaría años en subirse al blog, así que tendréis que tirar de imaginación.

Vale, pero, ¿De qué nos sirve que todo estuviera hecho de cuerdas? ¿Qué explicaría todo esto?

Todo lo que contiene el universo estaría compuesto por la misma entidad, las mismas cuerdas vibrando con frecuencias distintas, desde la materia hasta la radiación o incluso los supuestos gravitones que serían responsables de la gravedad. Por tanto, si consiguiéramos modelar cómo se comportan estos componentes tan simples, podríamos describir con una precisión brutal cualquier, desde las más pequeñas partículas hasta cúmulos de galaxias y agujeros negros, de manera independiente a su escala.

Pero hay un pequeño problema: el planteamiento matemático tras esta teoría no funciona matemáticamente a menos que el universo tenga 10 dimensiones espaciales en vez de las 3 que conocemos.

Hmmm... No veo señal de esas 7 dimensiones por aquí, ¿eh?

El resto de la comunidad científica tampoco la ha encontrado nunca. Pero, según los defensores de esta teoría, esto se debe a que estas dimensiones extra estarían confinadas en una escala de tamaño tan diminuta, similar al de las propias cuerdas, que nos resultan imperceptibles en nuestro día a día.

No sé yo, ¿eh? Me suena un poco a inventada esto...

Es un concepto difícil de visualizar pero, en esta conferencia, Brian Greene, uno de los principales defensores de la teoría de cuerdas, propone la siguiente analogía para entenderlo: visto desde lejos, un cable no parece más que una línea unidimensional, pero a medida que te acercas ves que no sólo tiene una longitud, sino también un grosor. Si tuviéramos el tamaño de hormigas, podríamos movernos a lo largo del cable pero también a su alrededor, pese a que en la distancia siga pareciendo tan sólo una línea de una sola dimensión.

Sí, algo ha ayudado.

Además, parece que el concepto de la existencia de dimensiones espaciales extra podría no resultar tan descabellado e incluso explicaría cómo diablos se producen los campos magnéticos, un fenómeno tan común como misterioso.

Ya a principios del siglo XX, Theodor Kaluza tomó las ecuaciones de Einstein e incluyó una dimensión de espacio extra para ver cómo afectaba al modelo matemático. Su teoría era que el magnetismo se transmite a través de perturbaciones en una cuarta dimensión espacial adicional. Al fin y al cabo, si Einstein había descubierto que la gravedad proviene de las perturbaciones en el espacio-tiempo, ¿Por qué no iba a poder explicarse de esta misma manera el magnetismo?

Tras desarrollar el modelo con una dimensión extra, aparecieron las mismas ecuaciones necesarias para definir el electromagnetismo que las obtenidas anteriormente a base de observaciones. Esto sugería que, en realidad, un campo magnético podría ser causado por las perturbaciones provocadas por el imán en una cuarta dimensión espacial que no percibimos.

Por otro lado, los defensores de la teoría de cuerdas dicen que estas diminutas dimensiones extra están dobladas sobre sí mismas y que las cuerdas están "pegadas" a ellas, de manera que la geometría de estas dimensiones determinaría los modos de vibración de cada cuerda y, por tanto, el tipo de partícula que esta formaría.

Esta limitación impuesta por las dimensiones extra podría explicar por qué existen unas constantes universales con unos valores fijos y, además, cómo pueden haber dado lugar a un universo estable como el nuestro (todo esto siempre según ellos).

El planteamiento es interesante pero, ¿Se ha demostrado que sea verdad esto de la teoría de cuerdas?

Aquí viene la faceta polémica: esta teoría es indemostrable o, al menos, lo es de momento.

Pese a que la teoría se empezó a desarrollar en los 80 y a que contiene un extenso marco matemático, los físicos que trabajan en ella no han logrado hacer una sola predicción práctica que la respalde.

Debido al pequeño tamaño de las cuerdas y a su falta de propiedades que las hagan medibles (como carga eléctrica o masa), su detección resulta imposible porque no existe ningún fenómeno físico perceptible que, en principio, fuera diferente a lo que observamos si de verdad las partículas subatómicas estuvieran constituidas por cuerdas increíblemente pequeñas.

Los partidarios de la teoría de cuerdas dicen que con el avance de la tecnología se podrá demostrar la existencia de las cuerdas, pero sus detractores argumentan, por ejemplo, que se necesitaría un colisionador de partículas cien billones de veces más potente que el LHC, el mayor construido hasta la fecha, para poder romper la materia a un nivel tan fundamental.

Pero aún disponiendo de este colisionador, estas cuerdas tan diminutas, 20 órdenes de magnitud más pequeñas que los propios átomos, no son algo que puedas señalar con el dedo y decir " ah, mira, una cuerda, teoría comprobada ". Si pudiéramos construir esta máquina, la evidencia de la existencia de cuerdas seguiría siendo muy indirecta.

Los defensores de la teoría de cuerdas se defienden también diciendo que la detección de otras dimensiones espaciales respaldaría la teoría de cuerdas, pero sus opositores puntualizan que eso no bastaría para demostrar que esta teoría es más correcta que otras que puedan haber llegado a la misma conclusión.

En general, los posibles experimentos que han sugerido los partidarios de la teoría de cuerdas hasta el momento para demostrar la validez de sus ideas parecen no ser considerados como válidos por el resto de la comunidad científica porque, básicamente, consisten en buscar pequeñísimos fallos en las predicciones hechas por la relatividad y atribuirlos a la teoría de cuerdas, cuando de la misma manera podrían ser evidencias a favor de otras teorías.

En definitiva, es precisamente esta desconexión entre la teoría y la realidad la que no gusta nada a la mayoría de la comunidad científica. Esta teoría es acusada de no ser científica por no estar respaldada por observaciones, de no llevar a ningún lado porque está estancada y, en general, otros investigadores se quejan de que este tipo de ejercicio filosófico que no parece llevar a ningún lado reciba presupuesto que podría ser utilizado para cosas más productivas.

Pero si la teoría de cuerdas tiene tantos detractores y es tan incapaz de arrojar resultados prácticos, ¿Por qué los medios hablan tanto de ella?

Porque es bonita y se puede simplificar lo suficiente como para hacer documentales que tengan una buena acogida entre el público profano. Además, esta teoría tiene todos los elementos "emocionantes" necesarios para mantener a un espectador enganchado: sugiere una imagen bonita del universo, tiene un nombre pegadizo y sus protagonistas son un grupo de físicos que van "contra lo establecido".

La teoría implicaría que todo el universo es un mar de diminutas cuerdas vibrando, interaccionando entre sí y cambiando de modos de vibración. En cualquier documental que hablen del tema escucharéis que el universo sería como gran una sinfonía. Es una estética muy agradable de imaginar, pero no por ello merece más credibilidad que otras teorías que dan mejores resultados y obtienen menos atención mediática.

En definitiva, como reflejó el físico Randall Munroe, autor de la genial página XKCD en una de sus viñetas trató la teoría de cuerdas:

La teoría de cuerdas es una de las hipótesis más mentadas, complicadas y estudiadas de la física. En este capítulo de The Big Bang Theory Sheldon discute con un nuevo y joven alumno sobre ella, lo que nos ayudará a analizarla a fondo y descubrir por qué es tan importante para la ciencia.

Esencialmente la teoría de cuerdas explica que todo el universo, desde la partícula más ínfima al último confín del espacio, está conformado por pequeñas hebras de energía que se conocen como "cuerdas". De este modo, cada partícula subatómica nace de los modos de vibración de la "cuerda". Y lo realmente interesante es que esta teoría unifica las dos grandes teorías físicas del siglo XX, la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica.

Sin embargo no todo es perfecto en esta teoría. Según esta concepción teórica vivimos en un mundo de 10 dimensiones (nueve espaciales y una temporal), a pesar de que no vemos más que cuatro. Y por otra parte, esta teoría produce una superabundancia (millones de millones de millones) de universos compatibles con el nuestro, lo que parece algo completamente imposible.

Esta es la web oficial del proyecto "La ciencia en The Big Bang Theory"