Lo que la teoría de cuerdas intenta lograr

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

Para muchos, el objetivo de la teoría de cuerdas es ser una “teoría de todo”, es decir, ser la única teoría física que, en el nivel más fundamental, describe toda la realidad física. Si tiene éxito, la teoría de cuerdas podría explicar muchas de las preguntas fundamentales sobre nuestro universo.

Explicando la materia y la masa

Uno de los principales objetivos de la investigación actual de la teoría de cuerdas es construir una solución de la teoría de cuerdas que contenga las partículas que realmente existen en nuestro universo.

La teoría de cuerdas comenzó como una teoría para explicar las partículas, como los hadrones, como los diferentes modos de vibración superior de una cuerda. En la mayoría de las formulaciones actuales de la teoría de cuerdas, la materia observada en nuestro universo proviene de las vibraciones de menor energía de las cuerdas y branas. (Las vibraciones de mayor energía representan partículas más energéticas que no existen actualmente en nuestro universo.)

La masa de estas partículas fundamentales proviene de las formas en que estas cuerdas y ramas están envueltas en las dimensiones extras que se compactifican dentro de la teoría, en formas que son bastante desordenadas y detalladas.

Por ejemplo, considere un caso simplificado en el que las dimensiones extras están enrolladas en forma de dona (llamado toro por los matemáticos y los físicos), como en esta figura.

Las cuerdas se envuelven alrededor de dimensiones extras para crear partículas con diferentes masas.

Una cuerda tiene dos formas de envolverse una vez alrededor de esta forma:

  • Un pequeño bucle alrededor del tubo, a través de la mitad de la rosquilla
  • Un lazo largo que envuelve toda la longitud de la rosquilla (como una cuerda que envuelve a un yoyó).

El bucle corto sería una partícula más ligera, mientras que el bucle largo es una partícula más pesada. A medida que se envuelven las cuerdas alrededor de las dimensiones compactas en forma de toro, se obtienen nuevas partículas con diferentes masas.

Una de las principales razones por las que la teoría de cuerdas se ha hecho popular es que esta idea -que la longitud se traduce en masa- es tan directa y elegante. Las dimensiones compactas de la teoría de cuerdas son mucho más elaboradas que un simple toro, pero en principio funcionan de la misma manera.

Es incluso posible (aunque más difícil de visualizar) que una cuerda se envuelva en ambas direcciones simultáneamente – lo que, de nuevo, daría otra partícula con otra masa. Las marcas también pueden envolver dimensiones extras, creando aún más posibilidades.

Definir el espacio y el tiempo

En muchas versiones de la teoría de cuerdas, las dimensiones adicionales del espacio se compactan en un tamaño muy pequeño, por lo que son inobservables para nuestra tecnología actual. Tratar de mirar el espacio más pequeño que este tamaño compactado proporcionaría resultados que no concuerdan con nuestra comprensión del espacio-tiempo. Uno de los mayores obstáculos de la teoría de cuerdas es intentar averiguar cómo puede surgir el espacio-tiempo de la teoría.

Como regla general, sin embargo, la teoría de cuerdas se basa en la noción de espacio-tiempo de Einstein (tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal). La teoría de cuerdas predice unas cuantas dimensiones más del espacio pero no cambia mucho las reglas fundamentales del juego, al menos a bajas energías.

En la actualidad, no está claro si la teoría de cuerdas puede dar sentido a la naturaleza fundamental del espacio y el tiempo más de lo que lo hizo Einstein. En la teoría de cuerdas, es casi como si las dimensiones de espacio y tiempo del universo fueran el telón de fondo de las interacciones de las cuerdas, sin un significado real por sí mismas.

Se han desarrollado algunas propuestas sobre la manera de abordar esta cuestión, centrándose principalmente en el espacio-tiempo como fenómeno emergente, es decir, el espacio-tiempo surge de la suma total de todas las interacciones de cuerdas de una manera que aún no se ha resuelto completamente dentro de la teoría.

Sin embargo, estos enfoques no se ajustan a la definición de algunos físicos, lo que lleva a la crítica de la teoría.

El mayor competidor de la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles, utiliza la cuantificación del espacio y el tiempo como punto de partida de su propia teoría. Algunos creen que, en última instancia, éste será otro enfoque de la misma teoría básica.

Cuantificación de la gravedad

El mayor logro de la teoría de cuerdas, si tiene éxito, será demostrar que es una teoría cuántica de la gravedad. La teoría actual de la gravedad, la relatividad general, no permite los resultados de la física cuántica. Debido a que la física cuántica limita el comportamiento de los objetos pequeños, crea inconsistencias mayores cuando se trata de examinar el universo a escalas extremadamente pequeñas.

Fuerzas unificadoras

Actualmente, la física conoce cuatro fuerzas fundamentales (más precisamente llamadas “interacciones” entre físicos): la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. La teoría de las cuerdas crea un marco en el que las cuatro interacciones fueron una vez parte de la misma fuerza unificada del universo.

Bajo esta teoría, a medida que el universo primitivo se enfriaba después del Big Bang, esta fuerza unificada comenzó a separarse en las diferentes fuerzas que experimentamos hoy en día. Los experimentos a altas energías pueden algún día permitirnos detectar la unificación de estas fuerzas, aunque tales experimentos están fuera de nuestro reino actual de la tecnología.

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