¿Qué es la Teoría de las cuerdas?

La Teoría de las Cuerdas

Vivimos en un universo asombrosamente complejo. Los seres humanos somos curiosos por naturaleza, y una y otra vez nos hemos preguntado--- ¿porqué estamos aquí? ¿De dónde venimos, y de donde proviene el mundo? ¿De qué está hecho el mundo? Somos privilegiados por vivir en una época en la cual nos hemos acercado bastante a algunas de las respuestas. La teoría de cuerdas es nuestro intento más reciente por responder la última de estas preguntas.

Así que, ¿de qué está hecho el mundo? La materia ordinaria está compuesta de átomos, los cuales a su vez están formados de sólo tres componentes básicos: electrones girando alrededor de un núcleo compuesto de neutrones y protones. El electrón es en verdad una partícula fundamental (pertenece a una familia de partículas llamadas leptones); pero los neutrones y protones están hechos de partículas más pequeñas, llamadas quarks. Los quarks, hasta donde sabemos, son realmente elementales.

La suma de nuestros conocimientos actuales sobre la composición subatómica del universo se conoce como el modelo estándar de la física de partículas. Este describe tanto a los "ladrillos" fundamentales de los cuales está constituido el mundo, como las fuerzas a través de las cuales dichos ladrillos interactúan. Existen doce "ladrillos" básicos. Seis de ellos son quarks--- y tienen nombres curiosos: arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima. (Un protón, por ejemplo, está formado por dos quarks arriba y uno abajo.) Los otros seis son leptones--- estos incluyen al electrón y a sus dos hermanos más pesados, el muón y el tauón, así como a tres neutrinos.

Existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, y las interacciones débil y fuerte. Cada una de estas es producida por partículas fundamentales que actúan como portadoras de la fuerza. El ejemplo más familiar es el fotón, una partícula de luz, que es la mediadora de las fuerzas electromagnéticas. (Esto quiere decir que, por ejemplo, cuando un imán atrae a un clavo, es porque ambos objetos están intercambiando fotones.) El gravitón es la partícula asociada con la gravedad. La interacción fuerte es producida por ocho partículas conocidas como gluones. (Yo prefiero llamarlos "pegamoides"!) La interacción débil, por último, es transmitida por tres partículas, los bosones W+, W- , y Z.

El modelo estándar describe el comportamiento de todas estas partículas y fuerzas con una precisión impecable; pero con una excepción notoria: la gravedad. Por razones técnicas, la fuerza de gravedad, la más familiar en nuestra vida diaria, ha resultado muy difícil de describir a nivel microscópico. Por muchos años este ha sido uno de los problemas más importantes en la física teórica--- formular una teoría cuántica de la gravedad.

En las últimas décadas, la teoría de cuerdas ha aparecido como uno de los candidatos más prometedores para ser una teoría microscópica de la gravedad. Y es infinitamente más ambiciosa: pretende ser una descripción completa, unificada, y consistente de la estructura fundamental de nuestro universo. (Por esta razón ocasionalmente se le otorga el arrogante título de "teoría de todo".)

La idea esencial detrás de la teoría de cuerdas es la siguiente: todas las diversas partículas "fundamentales" del modelo estándar son en realidad solo manifestaciones diferentes de un objeto básico: una cuerda. ¿Cómo puede ser esto? Bien, pues normalmente nos imaginaríamos que un electrón, por ejemplo, es un "puntito", sin estructura interna alguna. Un punto no puede hacer nada más que moverse. Pero, si la teoría de cuerdas es correcta, utilizando un "microscopio" muy potente nos daríamos cuenta que el electrón no es en realidad un punto, sino un pequeño "lazo", una cuerdita. Una cuerda puede hacer algo además de moverse--- puede oscilar de diferentes maneras. Si oscila de cierta manera, entonces, desde lejos, incapaces de discernir que se trata realmente de una cuerda, vemos un electrón. Pero si oscila de otra manera, entonces vemos un fotón, o un quark, o cualquier otra de las partículas del modelo estándar. De manera que, si la teoría de cuerdas es correcta, ¡el mundo entero está hecho solo de cuerdas!

Quizás lo más sorprendente acerca de la teoría de cuerdas es que una idea tan sencilla funciona--- es posible obtener (una extensión de) el modelo estándar (el cual ha sido verificado experimentalmente con una precisión extraordinaria) a partir de una teoría de cuerdas. Pero es importante aclarar que, hasta el momento, no existe evidencia experimental alguna de que la teoría de cuerdas en sí sea la descripción correcta del mundo que nos rodea. Esto se debe principalmente al hecho de que la teoría de cuerdas está aún en etapa de desarrollo. Conocemos algunas de sus partes; pero todavía no su estructura completa, y por lo tanto no podemos aún hacer predicciones concretas. En años recientes han habido muchos avances extraordinariamente importantes y alentadores, los cuales han mejorado radicalmente nuestra comprensión de la teoría.

Hacia una Teoría del Todo
Uno de los grandes retos de la física actual es llegar a una "teoría del todo" capaz de explicar de una manera unificada las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnetismo y gravedad). La teoría de cuerdas es uno de los campos de trabajo más avanzados en este camino. Esta teoría, cuyos elementos constitutivos son pequeños filamentos unidimensionales denominados cuerdas, sugiere la existencia de seis o siete dimensiones espaciales invisibles además del tiempo y de las tres dimensiones espaciales que conocemos.

Del mismo modo que la forma de un instrumento musical determina su sonido, la forma de estas dimensiones determina las propiedades y el comportamiento del Universo de de cuatro dimensiones que conocemos. En la teoría de cuerdas la forma de las dimensiones tiene una importancia crucial, ya que el patrón de masas de partículas y fuerzas que observamos está determinado por la forma en que vibran las cuerdas.
Para determinar si la teoría de cuerdas es acertada se han diseñado una serie de ingeniosos experimentos. Un equipo de cosmólogos de la Universidad de Illinois ha diseñado un experimento para estudiar cómo absorben la luz del Big Bang los átomos de hidrógeno neutro. Para ello se requiere la construcción de un enorme entramado de radiotelescopios en la Tierra, en la Luna o en el espacio.

Pero quien actualmente acapara toda la atención es el gran colisionador de hadrones, el mayor acelerador de partículas del mundo, propiedad del CERN y que entrará en funcionamiento este año cerca de Ginebra (Suiza). Se han alzado algunas voces que advierten del grave peligro que supondría crear un agujero negro estable en el acelerador, pero los estudios realizados por el CERN no encuentran bases fundadas para estas amenazas. Es posible que las nuevas partículas nos permitan vislumbrar la existencia y la forma de otras dimensiones.

En un acelerador de partículas, se bombardean núcleos atómicos a casi la velocidad de la luz, creando partículas de alta energía muy inestables que se desintegran en una lluvia de partículas de menor energía que pueden captar los detectores. Los patrones de desintegración permitirán estudiar las partículas exóticas y, posiblemente, la forma de las dimensiones planteadas por la teoría de cuerdas. En este sentido, el gran colisionador de hadrones será una herramienta esencial para descubrir la receta del Universo.