La Teoría de las Cuerdas

La Física, tal y como la conocemos en la actualidad, está gobernada por dos teorías:

• Teoría de la Relatividad: Habla de las cosas grandes (estrellas, galaxias...).
• Mecánica Cuántica: Habla de las cosas más pequeñas (mundo subatómico).

Al intentar unirlas, pese a ser teorías de un mismo universo, no encajan. ¡Son incompatibles! Vamos a ver por qué.

Imagina que el universo es una película. La película empieza con el Big Bang, esa gran explosión que expandió el universo. Su fuerza fue tan grande que el universo se expandió y expandió. De hecho, aún sigue en expansión. Pero cada vez lo hace con mayor lentitud porque la fuerza de gravedad de los cuerpos que lo forman frenan esa expensión. Llegará un momento en que el universo dejará de expandirse y empezará a contraerse. Al principio lo hará lentamente e irá acelerando hasta terminar colapsándose en un punto. Al final de esta segunda película se le conoce como el Big Crunch. Todo se hace más pequeño, más caliente, más denso... Pero hay un momento en que esa película se atasca: cuando se juntan las dos teorías: La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica. Se atasca en instantes tales como el Big Bang, el Big Crunch, los agujeros negros y, en general, siempre que lo enorme se hace minúsculo (instante en que el mundo de la Teoría de la Relatividad entra en el mundo de la Mecánica Cuántica). Aquí nuestras teorías físicas se vienen abajo y obtenemos resultados sin sentido.

La evolución del universo, según la teoría del Big Bang (NASA).
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Analicemos por separado las dos teorías y veamos lo diferentes que son más allá del ámbito matemático:

La Teoría de la Relatividad predice un tejido espacio-temporal liso, suave, tranquilo... Mientras la Mecánica Cuántica predice un tejido espacio-temporal accidentado, caótico, impredecible, que se puede doblar, hasta el punto que en ese tejido no sabes sí estas en un sitio, en otro, en los dos a la vez, o si estas en ese sitio antes de haber llegado.

La Teoría de la Relatividad habla de la gravedad en el universo. Según Albert Einstein, la gravedad se produce por la curvatura que produce una masa como el Sol en el tejido espacio-temporal. Algo así:

La Teoría de las Cuerdas (cont.)

Mientras, la Mecánica Cuántica habla de las otras tres fuerzas de la naturaleza: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Parece imposible pero sí, la teoría de cuerdas intenta unir esas dos teorías tan diferentes de forma que esa nueva teoría que obtengamos no se venga abajo nunca y sirva para todo (dos palabras muy difíciles y con muchos recovecos).

Ya conocéis el dicho "La ciencia se rige por casualidades". Para no ser menos, la teoría de las cuerdas surgió por casualidad. La desenmascaró un italiano llamado Gabriele Veneziano que, intentando encontrar unas ecuaciones para describir la fuerza nuclear fuerte, se confundió de libro. Se puso a ojear una obra de curiosidades matemáticas para intentar desinhibirse de todo el lío que tenía en la cabeza. Pero entonces se dio cuenta de que una de las ecuaciones que aparecía en esta obra, repito, como una simple curiosidad matemática (Ecuación de Euler) describía perfectamente la fuerza nuclear fuerte y ciertas interacciones. Entonces se le encendió una bombillita en su cabeza. Ese fue el inicio de esta teoría.

Uno de los primeros pasos en la teoría fue darse cuenta de que las fuerzas de la naturaleza se pueden explicar mediante las partículas. Entre la materia existen unas partículas llamadas 'partículas mensajeras' encargadas de transmitir la información correspondiente de esa fuerza. Por ejemplo: entre dos imanes, la partícula mensajera es el fotón, que transmite la información de la atracción. Ya se han encontrado las partículas mensajeras de las cuatro fuerzas fundamentales. Por eso, la teoría de las cuerdas se basa en las partículas.

Al estudiar las ecuaciones de esas partículas, los científicos se dieron cuenta que las partículas más elementales no eran puntuales. Me explico: Antes de la aparición de la teoría de cuerdas, el átomo que se conocía estaba dividido en partículas más elementales, como los protones, que a su vez, contenían en el interior unas partículas aún más pequeñas, llamadas Quarks. No se sabía nada más. Pero entonces llegó la teoría de cuerdas con su concepto revolucionario que le da nombre: las cuerdas. Esas cuerdas son hilos de energía vibrantes extremadamente pequeños. Son tan pequeños que si un protón tuviese el tamaño de todo el sistema solar, una cuerda tendría el tamaño de un árbol, (este ejemplo lo digo en honor al magistral Método Macarrón). Estos hilos de energía vibran y, según como lo hagan, condicionarán las características de lo que formen. Por ejemplo, si una cuerda vibra de un modo configurará un fotón, y si esa cuerda vibra de otro modo configurará un electrón.

La importancia de estas cuerdas es vital. Vamos a ver por qué. En el universo hay 20 constantes fundamentales: velocidad de la luz, constante de Planck, masa electrón, masa protón, masa electrón, masa muhón, carga electrón, carga protón etc. Si alguna de esas constantes fuese diferente, es decir, si en la “máquina cósmica” se variase mínimamente alguna de esas constantes, todo se derrumbaría, y son las dimensiones extra que requiere la teoría (de las que ahora hablaremos) dominadas por las cuerdas, quienes afinan la sinfonía de esa “máquina cósmica”.

Como acabamos de decir; la teoría de cuerdas requiere dimensiones adicionales. Once concretamente: diez más el tiempo. Para solucionar este problema se propuso que esas dimensiones, con un tamaño menor de un protón y mayor que una cuerda, estarían enrolladas de forma que, si pudiésemos reducirnos hasta ese tamaño, las recorreríamos al igual que recorremos las tres espaciales que conocemos ahora.

Volvamos un momento a la película cósmica antes de continuar. Mientras en esa película nos vamos acercando al punto inicial del Big Bang, las tres fuerzas de la Mecánica Cuántica (nuclear débil, nuclear fuerte y electromagnética) se unen en una superfuerza llamada la NuclearElectroDébil.

Pero, ¿dónde quedaba la gravedad? Acababa de surgir el primer problema de la teoría. A partir de ahí, mientras se revisaban las ecuaciones para intentar encontrar una solución a la cuestión de la gravedad, aparecieron más problemas: la teoría predecía que era necesaria una partícula sin masa. Como ya sabes, por por la definición de masa y energía (y por tanto de carga) no puede haber nada sin masa. También predecía que había otro tipo de partículas que se movían a velocidades superiores a la de la luz, es decir, que superasen la velocidad límite teórica. (La velocidad de la luz: 299.792,458 kilómetros por segundo; 1.079.252.848,8 kilómetros por hora.). Además, en la teoría aparecían incoherencias matemáticas (algo así como que X = 2 = X = 1/2, pero con fórmulas y conceptos bastante más complicados).

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La Teoría de las Cuerdas (cont.)

Pero entonces se descubrió el gravitón: la partícula encargada de la gravedad. Esta partícula es muy importante porque unía la gravedad (Teoría de la Relatividad) con las partículas (Mecánica Cuántica). Así, esta nueva partícula se convirtió en la llave de esta teoría. Además, el gravitón resultó ser esa partícula tan especial sin masa que predecía la teoría. A partir de este descubrimiento se resolvieron el resto de anomalías. Por ejemplo, la partícula que se movía más rápido que la velocidad de la luz resultó ser un error matemático. Resuelto este error, se pudo atacar al resto de incoherencias matemáticas. Se trabajó en ellas hasta que se consiguió dejar dos fórmulas en la pizarra. El resultado de la primera de ellas dio 496. Si la fórmula del otro lado de la pizarra tenía el mismo valor numérico, todas las incoherencias estarían resueltas. Los científicos se pusieron a calcular como locos y... (¡Qué tensión!, jajaja) ¡496!. ¡Por fin la teoría de cuerdas demostraba ser matemáticamente y físicamente posible!.

Pero poco después, de mano de Einstein, aparecieron más problemas: Einstein predijo que el tejido espacio-temporal no es estático, es decir, se puede mover, moldear, etc., pero con ciertas limitaciones. Según la teoría de las cuerdas, el espacio tiempo puede llegar a rasgarse hasta crear agujeros de gusano. Un agujero de gusano es un “atajo temporal”:

El agujero de gusano es un atajo temporal.

Una de las limitaciones de la teoría de la relatividad de Einstein es que el tejido espacio-temporal no se puede rasgar. Como puedes ver en la imagen anterior, este hecho es totalmente necesario para crear los agujeros de gusano que predice la teoría de cuerdas. La teoría de la relatividad de Einstein está demostrada empíricamente, por lo que podría parecer que la teoría de cuerdas está equivocada. Pero finalmente, tras varias revisiones y modificaciones, los físicos de la teoría de cuerdas se dieron cuenta de que las cuerdas se podían estirar. Así, si se rasgase el espacio tiempo, esa cuerda podría “engullir” la rasgadura y cicatrizarla como si fuese una burbuja de jabón. Otra vez más, la teoría de cuerdas supera todos los problemas.

Pero al descubrir esto, los físicos se dieron cuenta de que las cuerdas se podían estirar muchísimo. Empezaron a indagar en ello y descubrieron que todo nuestro universo y sus dimensiones paralelas están cubiertas por una única cuerda. Alucinantemente. Voy a tratar de explicarlo: Imaginaos una barra de pan de molde sólo con la corteza. Le hemos quitado la miga y la hemos dejado hueca. Esa corteza hace las funciones de membrana y en su interior hay una especie de láminas verticales, algo así como cortinas. Esas cortinas son universos paralelos (este concepto esmuy complicado e imposible de definir, pero más o menos son universos que tienen Historias, es decir, que han seguido una trayectoria en el espacio tiempo, completamente diferentes a las de nuestro universo). Cada uno de los universos paralelos (de las cortinas) de la membrana, tienen una dimensión diferente. Esos universos no los podemos tocar ni sentir, aunque están pegados a nosotros, a distancias menores de un átomo. La razón es que nuestros átomos, configurados en tres dimensiones, no pueden entrar en una zona donde los átomos están en 2 o en 4 dimensiones. Es parecido a lo que nos pasa a nosotros con las paredes, que están ahí pero no podemos atravesarlas.

La Teoría de las Cuerdas (cont.)

Otra de las consecuencias del estudio de las ecuaciones de la nueva teoría de cuerdas (también conocida como teoría M o de supercuerdas) que incluía estas membranas que acabamos de ver, es que la gravedad no es tan fuerte como parece. Los físicos vieron que la fuerza de la gravedad es unas 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 veces más débil que la fuerza electromagnética, y muchísimo más débil aún que las otras dos fuerzas de la naturaleza, es decir, la fuerza débil (o atómica) y la fuerza fuerte (o cuántica). Si quisiésemos escribir aquí lo débil que es al compararla con ellas, no tendríamos sitio para poner tantos ceros.

Los físicos se preguntaron el porque de tal debilidad. Tras mucho investigar, se plantearon la posibilidad de que la gravedad debía ser igual de fuerte que las demás fuerzas, pero por algún motivo no podemos sentir toda su fuerza.

La solución final estaba, como no, en las cuerdas. Vamos a tratar de verlo con un ejemplo. Imaginemos una mesa de billar. Las bolas sólo se pueden desplazar en dos dimensiones y no pueden salirse de ellas, porque los bordes de goma de la mesa se lo impiden. Cuando una bola golpea a otra, oímos un sonido seco, algo así como un "toc". Y nosotros no estamos dentro de las dos dimensiones de la mesa, ¿verdad? Así pues, algo que sí consigue escapar de la mesa: las ondas sonoras.

Vamos a transformar ahora la mesa de billar en una de las membranas en la que vivimos. Las bolas son los universos y la gravedad son las ondas sonoras. Resulta que, según la teoría, las cuerdas ordinarias están unidas por los extremos a la membrana formando un archo (como las asas de una bolsa). Pero los gravitones, que son las partículas responsables de la gravedad, están cerradas. Estas partículas son un círculo, por lo que no tienen nada que les frene ni les atraiga. Así, todas las membranas del multi-universo compartimos una misma gravedad que viene del “centro” del universo, una zona teorizada en la cual hay una atracción gravitatoria enorme.

Las cuerdas están unidas a la membrana por sus extremos, como el 
asa de una bolsa.

Esto responde a la pregunta que nos hemos hecho más arriba de qué pasa con la fuerza de la gravedad cuando las tres fuerzas de la Mecánica Cuántica se han unido. La respuesta es que no pasa nada. Sigue libre, a su aire. Es lógico si pensamos que no tiene nada a donde sujetarse y, por tanto, no tiene limitaciones.

Finalmente, se predijo que el Big Bang podría ser un choque entre esas dos membranas, ya que, si al final de una membrana hay un universo de 9 dimensiones y choca con otra membrana que en su extremo tiene un universo de 3 dimensiones, esa energía extra que tiene la primera membrana se traduce en materia en la segunda membrana. De ahí surgiría el Big Bang. (Ya lo dijo Newton: Ley de acción y reacción.)

El choque de dos membranas como estas pudo ser el 
origen del Big Bang.

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