¿De qué nos suena la teoría de cuerdas?… ¿Y en qué consiste?

Published on November 4th, 2014
Ilustración by Deliainthesky

Ilustración by Deliainthesky

La Física siempre ha sido un tema misterioso para la mayoría de la sociedad; ahora bien, hace unos años la cadena de televisión americana CBS decidió poner en su parrilla televisiva The Big Bang Theory (a partir de ahora TBBT), una serie que tenía, y tiene, por protagonistas dos jóvenes doctores en Física. Mira por donde, la comedia fue un éxito a nivel mundial. Las aventuras y excentricidades de Sheldon, Leonard y compañía han conseguido despertar el interés de mucha gente para ciertos conceptos que sacan la cabeza en los episodios de esta sitcom americana. En esta publicación, precisamente, queremos explicar a qué se dedica Sheldon, el físico teórico y personaje más carismático de la serie: La teoría de cuerdas. El término aparece de modo recurrente a lo largo de los capítulos pero en ningún momento se llega a explicar; así pues, desde La ciencia en tu mundo intentaremos ser capaces de extraer la idea general de dicha teoría, aprovechando que está de moda.

Para poder entender los conceptos clave de la teoría de cuerdas, necesitamos unos conocimientos básicos que son muy útiles, no solamente en la física, sino en toda la ciencia. Es una breve introducción a los constituyentes básicos de la materia o dicho de un modo más impresionante, es una introducción a la física de partículas o física de altas energías. ¡Vamos!

Figura 1. Personajes de TBBT. De izquierda a derecha: Howard Wolowitz, Dr. Rajesh Koothrappali, Dr. Leonard Hofstadter i Dr. Sheldon Cooper

Figura 1. Personajes de TBBT. De izquierda a derecha: Howard Wolowitz, Dr. Rajesh Koothrappali, Dr. Leonard Hofstadter i Dr. Sheldon Cooper

 

Un planeta, un barco, un cocodrilo, una persona, una taza, una bacteria… cualquier cosa que tenga masa  está formada por átomos, que son las unidades más pequeñas que determinan de qué elemento químico estamos hablando, como pueden ser el carbono, el hidrógeno, el oxígeno o el cobre. Una analogía, con el fin de entender todo esto podría ser considerar los personajes presentes en la Figura 1 del siguiente modo: si nos fijamos bien, podemos ver que los muñecos están formados a partir de piezas cilíndricas de diferentes colores. Cada pieza viene a ser un átomo y colores distintos significan átomos de elementos químicos distintos; esto, en la realidad, se produce a una escala muy pequeña. Por ejemplo, de media, un ser humano está formado por (aproximadamente) diez mil cuatrillones de átomos; es decir que en promedio tenemos diez mil cuatrillones de piezas cilíndricas de la Figura 1 que forman nuestro cuerpo.

Ahora bien, cada átomo, sea del elemento que sea, dentro contiene partículas subatómicas, es decir, partículas internas más pequeñas que el átomo, puesto que, de hecho, lo conforman. Las partículas de las cuales estamos hablando son el protón, el electrón y el neutrón. La cantidad de estas partículas, en concreto la cantidad de protones, determina de qué elemento estamos hablando y si seguimos con la analogía de TBBT, determina de qué color es el átomo; pero esto no hace falta saberlo para entender la teoría de cuerdas, lo que es esencial es ver que hay distintos tipos de partículas subatómicas.

La teoría que describe las partículas subatómicas se acostumbra a citar como modelo estándar de la física de partículas. Los tres grandes grupos de partículas subatómicas elementales (es decir, que no están formadas por nada más que por ellas mismas) son:

Leptones (de color verde en la Figura 2): Partículas elementales que tienen carga eléctrica entera y spin 1/2. La carga eléctrica, la masa y el spin son características importantes de las partículas subatómicas, posiblemente los lectores tendréis una idea básica de los conceptos de masa y carga eléctrica, pero no de spin; brevemente, el término spin hace referencia al momento angular intrínseco de una partícula, que tiene que ver con el movimiento de la partícula y su rotación (lo que he explicado en estas últimas palabras tan solo es una aproximación para intentar tener una idea, el concepto es más complejo). El leptón más conocido es el electrón.

Quarks (de color lila en la Figura 2): Partículas elementales con spin 1/2 y carga eléctrica fraccionaria. Hay 6 tipos de quarks. Si, por ejemplo, se juntan dos quarks up y un quark down obtenemos un protón; si se juntan un quark up y dos down, un neutrón. Por tanto, el neutrón y el protón son partículas subatómicas compuestas.

Bosones (de color rojo y amarillo en la Figura 2): La mayoría de vosotros os habréis fijado, sin duda, en el Bosón de Higgs pero, a pesar de que tiene mucho renombre, en esta publicación dedicaremos la atención a los otros bosones, que son los responsables de las interacciones; se les suele llamar bosones portadores de interacciones.

Figura 2. Partículas elementales del modelo estándar agrupadas en tres tipos: quarks, leptones y bosones según sus características (masa, carga eléctrica y spin).

Figura 2. Partículas elementales del modelo estándar agrupadas en tres tipos: quarks, leptones y bosones según sus características (masa, carga eléctrica y spin).

¿Por qué nos centramos en estos bosones y no en el de Higgs? ¿Qué son las interacciones? ¿Por qué no nos centramos en las otras clases de partículas subatómicas? Porque estos bosones son los responsables de las cuatro fuerzas (interacciones) fundamentales existentes en la naturaleza y descritas por la física. La fuerza es importante porque es la base del movimiento de un cuerpo ya que para que un objeto esté en movimiento antes se le ha de haber aplicado algún tipo de fuerza. Ahora explicamos cada fuerza.

Primeramente (tan sólo es una ordenación arbitraria, el orden no tiene relevancia), la fuerza electromagnética; su partícula fundamental es el fotón. Esta fuerza engloba la electricidad y el magnetismo junto con la luz o, dicho de una manera más científica, el espectro electromagnético que incluye rayos gamma, rayos X, ultravioletas, visibles (color), infrarrojos, microondas, radiofrecuencias …

Seguidamente, la interacción fuerte; su partícula fundamental es el gluón. El núcleo de los átomos está formado por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga) y es bien sabido que cargas del mismo signo se repelen; y aquí viene la pregunta: ¿cómo es que en el núcleo de los átomos están los protones todos juntos? Pues porque la fuerza nuclear fuerte los mantiene unidos.

Tercero, la interacción débil o también conocida como fuerza nuclear débil; los responsables de esta fuerza son los bosones W y Z. Este tipo de fuerza afecta a los fermiones (quarks y leptones) y es la responsable de la desintegración atómica que es sinónimo de radiactividad.

Finalmente, la interacción gravitatoria es la responsable de la gravedad, la fuerza que nos mantiene pegados a la Tierra y que, cuando saltamos, hace que volvamos a la superficie terrestre y no salgamos volando. La partícula responsable de la gravedad es el gravitón, aunque no hay pruebas experimentales de esta partícula.

Cada tipo de fuerza tiene su modelo (conjunto de teorías y relaciones físicas) que explica y describe el funcionamiento y la evolución de cada una de las fuerzas descritas en los párrafos anteriores. Los modelos se han creado de forma independiente uno del otro y hay algunas similitudes en la forma de las fórmulas; ahora bien, no hay ningún modelo o teoría que logre explicar las 4 fuerzas a la vez y, además, tiene que ser una teoría que acepte la relatividad general (porque está estrechamente relacionada con la gravedad, una de las 4 fuerzas) y la teoría cuántica (porque estamos trabajando con partículas elementales, es decir, partículas más pequeñas que el átomo y esto significa que nos encontramos en el mundo cuántico). Por lo tanto, un modelo o una teoría que consiguiera englobar las 4 fuerzas fundamentales, la teoría relativista y la teoría cuántica sería una teoría del todo, una teoría que explicaría cualquier suceso físico.

La teoría de cuerdas, o teoría de las súper cuerdas o teoría M (hay matices entre los nombres, y no es demasiado relevante a nuestro nivel) es la teoría con más peso dentro del mundo de la física para conseguir la meta de explicar el universo mediante un solo modelo. Una vez llegados a este punto, pasamos a ver qué es lo que dice la Teoría de Cuerdas, por fin.

Como hemos dicho antes, el modelo estándar dice que las partículas elementales son la unidad básica de la materia y que hay de diferentes tipos. Pues bien, la teoría de cuerdas postula que (y de ahí el nombre) el universo está formado por cuerdas muy, muy pequeñas. Estas cuerdas tienen la longitud de Planck, que es la longitud mínima que puede existir según dice el modelo estándar de la física; esta longitud vale 1,61624×10 ^ (- 35) metros o dicho de otra manera: 0,0000000000000000000000000000000000161624 metros, es decir, una longitud muy pero que muy pequeña. ¡Un átomo es gigantesco a su lado y recuerda que la cantidad que teníamos en el cuerpo no es ni mucho menos insignificante!

 

Figura 3. Ejemplos de cuerdas cerradas. En la parte superior de la imagen se ve el armónico fundamental y hacia la derecha el segundo (frecuencia doble que el primero), tercero y cuarto armónicos, cada vez con mayor frecuencia. En la parte de abajo de la imagen hay cuerdas más elaboradas, que también aumentan de frecuencia a medida que vamos mirando hacia la derecha.

Figura 3. Ejemplos de cuerdas cerradas. En la parte superior de la imagen se ve el armónico fundamental y hacia la derecha el segundo (frecuencia doble que el primero), tercero y cuarto armónicos, cada vez con mayor frecuencia. En la parte de abajo de la imagen hay cuerdas más elaboradas, que también aumentan de frecuencia a medida que vamos mirando hacia la derecha.

Y aquí viene el punto importante de la teoría: estas cuerdas que conforman el universo pueden vibrar de diferente manera (además, pueden ser cuerdas cerradas o abiertas). Dependiendo de cómo vibren, nosotros veremos una partícula elemental concreta. Es decir, si una cuerda vibra en una frecuencia específica tendremos una partícula elemental, por ejemplo, un electrón; en cambio, si otra cuerda vibra a más (o menos) frecuencia y/o tiene una estructura diferente veremos otra partícula subatómica elemental diferente. Este hecho es análogo a lo que ocurre con las cuerdas de un instrumento: diferentes frecuencias implican diferentes sonidos.

 

Por ejemplo, el LA que se usa para afinar instrumentos de cuerda se encuentra a 440 Hz de frecuencia y el LA en una octava más alta (que será más agudo) está situado a 880 Hz, el doble. Es decir que una cuerda en el primer caso vibra 440 veces en un segundo y en el segundo caso lo hace 880 veces en el mismo período de tiempo. Y nosotros somos capaces de distinguir cuál de los dos sonidos es más agudo, mediante nuestro aparato auditivo. Lo que pasa con la teoría de cuerdas y las partículas vendría a ser un fenómeno similar.

Por lo tanto, resulta ser que las partículas elementales que el modelo estándar de la física reconoce como diferentes son realmente lo mismo: cuerdas, pero con una frecuencia y organización diferentes. Esto permite juntar las 4 fuerzas fundamentales con el permiso de la relatividad y la cuántica.

Si a alguien le ha parecido trivial esta explicación o, en caso contrario, si a alguien le ha parecido una barbaridad y piensa que los físicos están como una regadera que se espere que la teoría de cuerdas aún nos reserva una última sorpresa: para que estas cuerdas puedan existir y para que el modelo tenga sentido y consistencia matemática debe haber 10 o 11 dimensiones, dependiendo de la variante de la teoría de cuerdas que estemos usando!

Es decir, nosotros estamos acostumbrados a convivir con las tres dimensiones espaciales (anchura, longitud y profundidad) o, dicho con una sola palabra: el espacio. También tenemos una noción del tiempo, que sería la cuarta dimensión. ¿Y las otras seis o siete dimensiones? Son dimensiones que no podemos percibir, lo siento por si os habíais hecho ilusiones. En teoría, estas dimensiones están plegadas y no las podemos notar.

La razón por la que teóricamente existen dimensiones extra radica en el hecho de que sino la teoría de cuerdas no se sustentaría y no sería factible: nosotros percibimos el movimiento (vibración) de la cuerda de una de estas dimensiones misteriosas y esta percepción se convierte en el spin o la carga eléctrica, términos o características que hacen evidentes las diferencias entre partículas fundamentales.

De todos modos, a la teoría de cuerdas (si termina teniendo éxito) aún le quedan muchos años de perfeccionamiento y cálculos. Esperamos estar allí para ver cómo termina esta famosa y extravagante teoría.

 

Roger Tarres Estudiante de Física en la UAB

Roger Tarres Estudiante de Física en la UAB

Redacción: Roger Tarres

Estudiante de Física en la UAB

Edición: Mari Carmen Cebrián y Roberto Torres

Documentación consultada:

# La partícula divina. Leon lederman y Dick Teresi. Editorial Crítica. Gener de 2013.

# Introduction to superstring theory. John H. Schwarz. Cornell University Library. Agost 2000.

# Revista Muy Interesante. ¿Qué es la teoría de cuerdas? https://www.youtube.com/watch?v=rpp7LtO5ll8

# Teoría de cuerdas en dos minutos. https://www.youtube.com/watch?v=_wj9qTNV_6w