Sobre las cuerdas

Sobre las cuerdas
La teoría de la relatividad general y la mecánica cuántica son teorías físicas que han alcanzado un gran éxito en la predicción de los fenómenos a los que se aplican. Sin embargo, se muestran incompatibles entre sí. La teoría de cuerdas es uno de los intentos de desarrollar una formulación general que aúne a ambos paradigmas.
   Los primeros pasos que con el tiempo llevarían a lo que hoy conocemos como teoría de cuerdas hay que buscarlo en un artículo de 1968 que Gabriele Veneziano publicó en la revista italiana Il Nuovo Cimento [1], en el que presentaba un modelo llamado de resonancia dual, una formulación referida a la fuerza nuclear fuerte, aunque la historia temprana de la introducción del término “cuerda” es una narración que queda lejos de estar aclarada. Las primeras ideas acerca de la existencia de un objeto extenso unidimensional o cuerda habría que atribuirlo a tres investigadores, Yoichiro Nambu de la Universidad de Chicago, Holger Bech Nielsen del Instituto Niels Bohr de Copenhague y Leonard Susskind de la Universidad de Stanford, quienes de forma independiente a lo largo de los dos años siguientes al artículo de Veneziano, comprendieron que lo que en realidad describía aquel modelo dual eran las propiedades de una cuerda unidimensional en estado de vibración, de tal modo que la fuerza nuclear fuerte podía representarse mediante el estado de vibración de uno de estos filamentos. Nambu se refirió a estos filamentos en una conferencia sobre simetrías y modelos de quarks celebrada en 1969 en la Wayne State University de Detroit, en la que parece ser la primera alusión a la idea de cuerda. Así, las primeras formulaciones de la teoría de cuerdas estaban referidas únicamente a la fuerza nuclear fuerte.
   Por una propiedad denominada de libertad asintótica, algunas partículas como los quarks se caracterizan por tener una fuerza de interacción que aumenta con la distancia, debilitándose esta fuerza asintóticamente cuando la distancia entre ellos tiende a cero. Este comportamiento de la interacción fuerte es contrario y antiintuitivo para nuestro conocimiento ordinario, donde campos como el eléctrico, el magnético o el gravitatorio decrecen con la distancia.
   Habitualmente se simplifica presentando al protón como una partícula constituida por tres quarks (dos quarks up y un quark down). La realidad sin embargo es algo distinta. El protón, efectivamente, se trata de una partícula constituida por tres quarks, pero éstos a su vez se encuentran rodeados por una nube de partículas mucho más pequeñas, los gluones, los cuales forman una especie de caparazón alrededor de los tres quarks. Este conjunto de partículas (los tres quarks en el centro y la nube de gluones alrededor) es lo que desde fuera se observa como si fuera una única partícula, el protón. Y del mismo modo ocurre con el neutrón. Esta configuración da cuenta, por ejemplo, de por qué si sumamos las masas de los tres quarks, el resultado es mucho menor que la masa total que poseen tanto el protón como el neutrón.
   Los quarks en el interior del protón o el neutrón se encuentran muy próximos unos a otros. Si se intentan separar dos quarks entre si, el caparazón de gluones, que en principio es aproximadamente de forma esférica, al tiempo que se va llevando a cabo la separación de los quarks se va adaptando a la separación, de forma que lo que en principio era una nube esférica de gluones, va a ir transformándose en una especie de tubo, que va a mantener ligados en su interior a ambos quarks. Si seguimos aumentando la separación, el tubo se va a ir haciendo más y más estrecho, asemejándose cada vez más a una especie de fina cuerda formada por gluones, con una tensión que va en aumento con el incremento de la distancia entre los quarks, dificultando cada vez más la separación.
   Este primer modelo fue un gran logro que daba cuenta de la fuerza nuclear fuerte, explicaba por qué no se observan quarks aislados en la naturaleza (propiedad denominada confinamiento) y postulaba la existencia de unos objetos que podían asimilarse a una especie de cuerda unidimensional.
   Las soluciones de las primeras versiones de la teoría demostraron ser inestables, y además no incluían a todas las partículas fundamentales. Las partículas fundamentales se dividen en dos tipos, bosones y fermiones, y esta primera versión de la teoría solo incluía a los bosones [2]. Así, dejaba fuera partículas fermiónicas como el electrón y el quark. Para solventar este grave inconveniente, que emergía de una versión tan reducida de la teoría, se desarrolló una nueva versión ampliada. Para que pudiese describir también a los femiones hubo que introducir una hipótesis nueva, la supersimetría (SUSY), de ahí que a esta nueva teoría ampliada a veces también se le denominase como teoría de las supercuerdas o teoría de cuerdas supersimétricas. Estos desarrollos tuvieron lugar durante los años que transcurrieron entre 1984 y 1994, periodo que suele denominarse como Primera Revolución de las Supercuerdas.
   El nuevo modelo parecía bastante completo, en cuanto ya era capaz de describir todas las partículas e interacciones fundamentales. Este aparente éxito llevó a muchos físicos teóricos a involucrarse en el desarrollo de la teoría. Pero de este éxito inicial surgieron nuevos problemas. En pocos años se había perdido la unicidad de la teoría, habiéndose construido cinco teorías de supercuerdas separadas. Estas cinco teorías se denominaban genéricamente I, IIA, IIB, heteróticas HO y heteróticas HE. Pero habiendo diferencias entre ellas, todas las teorías compartían sin embargo la noción de un espacio-tiempo de diez dimensiones, las cuatro dimensiones correspondientes al espacio-tiempo de Minkowski ordinario (tres dimensiones espaciales más el tiempo) y otras seis dimensiones extra compactadas en un tamaño muy pequeño.
   Esta multiplicidad de teorías era algo muy embarazoso para la comunidad científica, y mantenía preocupados y ocupados a numerosos físicos teóricos, los cuales se encontraban muy incómodos con este manifiesto desorden. Se hacía muy necesario devolver coherencia a la formulación. Y la solución a este perturbador estado de la cuestión vino de la mano del físico y matemático Edward Witten, el cual ya había destacado en sus trabajos de desarrollo de métodos matemáticos para su aplicación a los problemas de la física. En vez de buscar, como ya hacían muchos, cuál de las cinco teorías propuestas debía ser la verdadera, Witten sorprendió a la comunidad de físicos teóricos cuando en un congreso sobre cuerdas (STRINGS 95), celebrado en la primavera de 1995 en la Universidad del Sur de California, sugirió que las cinco teorías no eran en realidad diferentes unas de otras, sino que al contrario, todas ellas no eran más que el límite matemático de una misma teoría. Witten denominó Teoría M a su revolucionaria propuesta. En lugar de diez, la nueva teoría M postulaba once dimensiones, y entre otras descripciones incluía conceptos nuevos como los de brana multidimensional y supergravedad (SUGRA), una combinación ésta de gravedad y supersimetría. Este descubrimiento inició el periodo que a partir de 1995 se denominó como Segunda Revolución de las Supercuerdas
   La teoría M sigue manteniendo la misma aspiración que tenía la teoría de cuerdas original, constituirse como una teoría unificada de todas las interacciones de la naturaleza, aunque después de muchos años y esfuerzos en su desarrollo, aún carece de una formulación completa. Además, negros nubarrones se ciernen sobre la teoría. La supersimetría, una propuesta inherente a la teoría de cuerdas, predice la existencia de una serie de partículas denominadas partículas simétricas. Pero todas las esperanzas puestas en encontrar en el LHC algunas de estas partículas han resultado infructuosas, en lo que se suele denominar ruptura de la simetría. Empieza por tanto a dudarse del acierto de la supersimetría, y como la teoría de cuerdas incluye la supersimetría, los fracasos en verificar las predicciones de esta última están redundando gravemente en la confianza sobre la verosimilitud de las propias cuerdas.

 

Referencias
[1] El artículo se titulaba “Construction of a crossing-symmetric Regge-behaved amplitude for linearly rising Regge trajectories“.
[2] Los bosones son aquellas partículas que tienen espín entero (0, 1, 2,…), como el fotón, el gluón, los bosones W y Z, el bosón de Higgs y el gravitón. Los fermiones son aquellas partículas que tienen espín fraccionario (1/2, 3/2, 5/2,…), como el protón, el electrón, el neutrón, el muón y los quarks.

 

2 comentarios en “Sobre las cuerdas

  1. yo quisiera saber si hay algún campo , una partícula , un reconocimiento por un descubrimiento concreto , un premio nobel , no se , algo a que aferrarse para hablar de las famosas cuerdas con cierta propiedad .

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  2. Pues me temo que Premios Nobel, ninguno. aunque sí que es cierto que se han premiado a científicos por algunos estudios relacionados con la teoría de cuerdas. Ten en cuenta que el Nobel solo se entrega a descubrimientos que hayan sido sometidos con éxito a la prueba experimental, y la existencia de las propias cuerdas está muy lejos de pasar ese fieltro.
    De hecho, la ruptura de la simetría que se indica en el artículo, está desalentando a muchos físicos teóricos que trabajan en las cuerdas, y está dando nuevos ánimos a los defensores de la gran teoría rival para unificar relatividad general y mecánica cuántica, la llamada Gravedad Cuántica de Bucles.

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