La teoría de las Supercuerdas

Bueno, este post lo debía a un lector desde hace bastante tiempo.

Voy a tratar de explicar de forma sencilla en qué consiste la Teoría de las Supercuerdas.

Podríamos decir que es una alternativa a la teoría de la física clásica.

La teoría de la física clásica, que es la más aceptada actualmente en el entorno científico, y que desarrolla toda nuestra técnica, tiene una serie de problemas, que podemos resumir en:

1) No está completa. Es decir no explica todos los fenómenos observables. Y además no unifica las 4 fuerzas conocidas de la Naturaleza, esto es, y en orden inverso de magnitud (aunque parezca lo contrario): la gravedad, la interacción nuclear débil, la electromagnética, y la interacción nuclear fuerte.

2) En realidad, no se trata de una teoría, si no de 2, que no casan completamente: la mecánica cuántica, que rige el mundo de lo subatómico, y la teoría de la relatividad general, que domina el mundo macroscópico. Y no sólo se trata de un problema de número de teorías, sino que hay serias discrepancias entre ellas. Por ejemplo, para el mundo cuántico el espacio-tiempo es discreto, pero para la relatividad general, el espacio-tiempo es continuo. Un modelo representa la estabilidad, mientras que el otro representa un mundo abarrotado de perturbaciones.

Una galaxia. Terreno de la Relatividad General. Fuente: NASA

Un átomo. Terreno de la Mecánica Cuántica. Fuente: Wikipedia Commons

3) Predice la existencia de subpartículas que aún no se han encontrado, como la famosa partícula de Higgs (llamada “partícula de Dios” por la prensa). Aunque por su puesto, ha predicho la existencia de otras, que sí se han “encontrado”.

La teoría de cuerdas es un modelo fundamental de la física que trata de resolver los 2 primeros problemas, que son los verdaderamente preocupantes, puesto que las leyes físicas deberían de ser las mismas en todo el universo.
Se trata de una teoría matemática, desde sus inicios, de gran belleza y elegancia, que cubre algunos de los huecos que deja la teoría clásica. Constituye una “teoría del todo”, ya que unifica las fuerzas de la naturaleza conocida, cosa a la que dedicó Einstein sus últimos años de vida, sin éxito. Hasta ahora se han conseguido unificar la fuerza débil, la fuerte y la electromagnética, pero la gravedad, la fuerza que nos es más común, se queda siempre al margen.

El modelo estándar clasifica las partículas fundamentales (y por tanto no divisibles) en bosones y fermiones, según tengan espín entero o no. No es la primera vez que la física clásica cree descubrir las partículas fundamentales. Primero fueron los átomos, luego las partículas atómicas, y por fin los bosones y fermiones. Pero para la teoría de cuerdas, hay componentes más pequeños, mucho más pequeños, y realmente los fundamentales: las cuerdas.

En esta teoría, las cuerdas constituyen los componentes del universo: materia y energía, con sus interacciones. Lo novedoso es que, en vez de pensar en elementos puntuales o esféricos como la física de partículas estándar, considera que los componentes últimos del universo son cuerdas, de distintas formas y que pueden vibrar en distintos tonos.
No sólo pueden moverse, como ocurre en la física clásica, si no que pueden cambiar su forma de vibrar, lo que le da una mayor versatilidad.

Sin embargo presenta otros problemas, que no son triviales:

1) De momento no es falsable. Esto es: no podemos imaginar una prueba cuyo resultado pueda determinar la falsedad de la hipótesis. Esto tiene su explicación, que se basa en 2 principios:
a. Es una teoría cuyos fundamentos son matemáticos, no físicos, y con muchos “grados de libertad” con los que podría asimilar casi cualquier resultado.
b. Define los componentes del universo tan pequeños, que no es posible, de ninguna de las maneras, corroborar su posible existencia.
Pero aún así, sigue siendo un gran impedimento para que la mayoría de los científicos la considere seriamente. Otra crítica muy relacionada con ésta que se le achaca es que no predice nada que pueda comprobarse. Aunque yo no estoy de acuerdo.

2) En realidad no hay 1 si no 5 teorías distintas de cuerdas. Pero, al contrario que sucede en el caso de la mecánica cuántica (o campo cuántico) y teoría general de la relatividad, no supone un problema intrínseco. No se contradicen. De hecho se consideran versiones distintas de una misma descripción de la realidad. Es más, la teoría M las unifica.

3) Necesita de más dimensiones para su explicación. En concreto necesita:
a. Las 3 dimensiones espaciales que todos conocemos
b. La dimensión temporal
c. 6 dimensiones adicionales que estarían compactadas, extremadamente pequeñas como para que las podamos percibir.
d. 1 dimensión espacial más, en la teoría M, que podría estar desplegada y que contendría a todas.

Universos Paralelos - Pan de Molde. Fuente: Documental Universo Elegante

4) Es muy compleja de entender

En realidad, como vemos, sólo hay 2 problemas importantes con la teoría M:

– Que no es falsable y no predice nada, pero esto no es del todo cierto, y en gran medida viene inducido por la complejidad intrínseca que posee. Por ejemplo predice la existencia de dimensiones adicionales que no conocemos, y que algunas pruebas ya empiezan a comprobar. También predice la existencia de las “partículas S” unas partículas muy pesadas que vienen de integrar el concepto de supersimetría (de ahí viene el término teoría de supercuerdas, que con el tiempo se ha hecho sinónimo de teoría de cuerdas). También predice la existencia de una partícula sin masa, el gravitón, responsable de la interacción de la gravedad.

Cuerdas unidas a la membrana Universo. Fuente: Documental Universo Elegante

Gravitones escapando de la membrana universo. Fuente: Documental Universo Elegante

– Que requiere de 11 dimensiones en total. Pero sólo 1 puede presentar un problema, ya que el resto son las normales más 6 que estarían tan compactadas que no se pueden apreciar, salvo a distancias extremadamente diminutas. Puede presentar un problema al entendimiento humano, pero creo que la relatividad del tiempo rompe más los esquemas a los que estamos acostumbrados, que la existencia de dimensiones adicionales.

La teoría M, de Edward Witten, unifica las 5 anteriores teorías de cuerdas en una sola, describiéndolas como 5 perspectivas distintas de una misma realidad. Pero para realizar esta generalización necesitó de la onceava dimensión (hasta entonces sólo eran 10).
La verdad es que esa dimensión adicional da mucho juego. Nuestro universo podría ser como una rodaja de un pan de molde con muchas rodajas. Podríamos tener multitud de universos paralelos, a tan solo medio milímetro nuestro, algunos con leyes físicas parecidas a las nuestras, otros con leyes muy distintas. Pero en cualquier caso intangibles para nosotros, salvo por los gravitones.

La teoría de cuerdas da una explicación física al hecho de que la gravedad sea la menor de las fuerzas conocidas, del orden de 10 elevado a 36 veces menor que la electromagnética, que se dice pronto. Según la teoría de cuerdas, mientras que las demás interacciones estarían representadas por cuerdas unidas por los extremos a la brana de nuestro universo, los gravitones serían cuerdas cerradas, que podrían escapar de este universo, al no estar físicamente unido a él, y por esa razón, sería mucho más débil. De esta forma los gravitones podrían representar la única forma de comunicarnos con el resto de universos paralelos.
También se atreve a definir el Big Bang como un choque entre membranas de universo, pero al igual que la física clásica, deja muchas cosas sin definir.

Hoy por hoy la teoría de las supercuerdas tiene muchas variables sin definir, y le quedan cosas que perfilar, pero es la teoría que mejor explica la unificación de las fuerzas. Yo, personalmente, me encuentro entre sus defensores. Y en caso de ser real, no sólo podríamos controlar la gravedad, y por tanto la inercia, minimizando la energía necesaria para los viajes interestelares, si no que abriría la puerta a usar las dimensiones adicionales para acortar sensiblemente los desplazamientos necesarios.

La teoría de cuerdas sería la primera “teoría del todo” realmente consistente, que podría explicar todos y cada uno de los fenómenos que se producen en la naturaleza, abriendo a su vez una puerta a un universo desconocido, donde lo que hoy consideramos imposible, puede ser considerado habitual.

Algunas de las últimas pruebas que apoyan la teoría de cuerdas:

Posible prueba de la existencia de más dimensiones:
http://www.astroseti.org/vernew.php?codigo=1898

Gran éxito de la teoría de cuerdas en el estudio de las transiciones de fase cuánticas en líquidos de Fermi, para quien lo entienda:
http://francisthemulenews.wordpress.com/2009/06/26/gran-exito-de-la-teoria-de-cuerdas-en-el-estudio-de-las-transiciones-de-fase-cuanticas-en-liquidos-de-fermi/

Partículas masivas inesperadas cuestionan el modelo estándar de la física de partículas:
http://www.tendencias21.net/Particulas-masivas-inesperadas-cuestionan-el-modelo-estandar-de-la-fisica-de-particulas_a2712.html

No dejen de ver estos documentales:

Y estos 5 videos constituyen el primer capítulo de una serie de 3 documentales del Universo Elegante. Os animo a verlos todos.

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Vuelvo a la carga: la teoría de las supercuerdas.

Empiezo con los contra-argumentos a los contra-argumentos.

No he hecho cálculos con respecto a la energía necesaria – velocidad – tiempo observador – tiempo viajero, primero porque en la mayoría de casos deben ser tela de complicados, y segundo porque en realidad no lo considero necesario, y a continuación esgrimiré algunos de los argumentos que apoyan esta postura.

Todas las teorías expuestas hasta ahora se basan en lo científicamente establecido. Sin embargo, la ciencia, como la historia demuestra, es un paradigma en constante cambio.

Solo podemos asegurar una cosa: hoy en día la Física está incompleta. Hay 2 teorías incompatibles que tratan de explicar los fenómenos físicos a: la mecánica cuántica a nivel subatómico, y la teoría general de la relatividad a nivel macroscópico.

Para compatibilizar estos modelos y además unificar las Fuerzas conocidas, se han desarrollado una serie de teorías. La que a mí más me convence, y tiene muchos seguidores dentro de la física teórica, es la teoría de la supercuerdas, o mejor dicho las teorías de las supercuerdas, porque hay 5, aunque la teoría M las unifica en una (ésta es la que más me mola).

Estas teorías necesitan de la existencia de un número mucho mayor de dimensiones (10, 11 ó 26) a las habituales 3 espaciales + la temporal. Estas dimensiones adicionales abrirían la puerta a viajes que, incluso para el observador podrían realizarse en menos tiempo que el establecido por la distancia luz. Vamos que a nuestro joven extraterrestre le daría tiempo de volver a casa para la cena con sus moralmente rígidos padres.

¡¡¡Comorr!!! ¿Estoy diciendo que se puede viajar a mayor velocidad que la luz, incluso para el observador?. Bueno en realidad se trata de coger un «atajo» de tal forma que la distancia 3D a recorrer sería muy inferior a la inicialmente establecida.

¿¿¿¡¡¡Pero esto es así y lo puedo hacer yo con una pila-petaca y un imán patatero!!!??? No, por supuesto que no. Estamos hablando de una posibilidad teórica. Aunque se llegara a demostrar la teoría de las supercuerdas (cosa de la que estamos muy lejos, dada su naturaleza esquiva e infinitesimal), otra cosa sería que se pudieran aprovechar para crear puertas-paso entre 2 coordenadas del espacio-tiempo. En el mejor de los casos requeriría altísimas concentraciones de energía. Pero estamos hablando de civilizaciones que pueden llevarnos cientos de miles de años de ventaja en desarrollo científico-tecnológico. Es más que plausible.

Entonces, ¿todos mis argumentos se basan en esa teoría y en la posibilidad de abrir atajos (al estilo «desdoblamiento del espacio» del universo de Dune)?

No. Es sólo una posibilidad más. Lo que sí es importante es considerar que nuestro conocimiento físico de la realidad está incompleto, y que las leyes que hoy damos por cerradas y absolutamente inviolables, mañana tendrán un añadido y una nueva perspectiva que aumente todas las posibilidades. En resumen: seguimos estando en pañales, y pretendemos (deseamos) que todos los demás también.

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