Steven S. Gubser - El pequeño libro de la teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas es un misterio. Se supone que es la teoría del todo, pero no ha sido verificada experimentalmente y, por tanto, es esotérica. Trata todo el rato con dimensiones extra, fluctuaciones cuánticas y agujeros negros. ¿Cómo puede eso ser el mundo? ¿Por qué las cosas no son más simples?

La teoría de cuerdas es un misterio. Sus practicantes (yo soy uno de ellos) admiten que no entienden la teoría. Pero un cálculo tras otro dan lugar a unos resultados inesperadamente conectados y hermosos. Uno desarrolla un sentido de lo inevitable al estudiar la teoría de cuerdas. ¿Cómo puede esto no ser el mundo? ¿Cómo es posible que unas verdades tan profundas no estén conectadas con la realidad?

La teoría de cuerdas es un misterio. Arrastra a muchos estudiantes de talento lejos de otras materias fascinantes, como la superconductividad, que ya tiene aplicaciones industriales. Atrae la atención de los medios como pocos otros campos científicos. Y tiene detractores vociferantes que deploran la propagación de su influencia y rechazan sus logros por inconexos con la ciencia empírica.

En resumidas cuentas, la propuesta de la teoría de cuerdas es que los objetos fundamentales que constituyen toda la materia no son partículas, sino cuerdas. Las cuerdas son como minúsculas bandas de goma, pero muy finas y muy fuertes. Se supone que un electrón es realmente una cuerda, que vibra y rota a una escala de tamaño demasiado pequeño para que podamos sondearla incluso con los aceleradores de partículas más avanzados hasta la fecha. En algunas versiones de la teoría de cuerdas, un electrón es un lazo de cuerda cerrado. En otras, es un segmento de cuerda, con dos extremos.

Hagamos una visita rápida al desarrollo histórico de la teoría de cuerdas.

La teoría de cuerdas se describe a veces como una teoría que se inventó hacia atrás. Hacia atrás significa que la gente tenía bien desarrollados algunos trozos de ella sin entender el significado profundo de sus resultados. En primer lugar, en 1968 llegó una hermosa fórmula que describía cómo las cuerdas rebotan una de otra. La fórmula se propuso antes de que nadie se diera cuenta de que las cuerdas tenían algo que ver con eso. Las matemáticas son curiosas en ese sentido; a veces, las fórmulas se pueden manipular, comprobar y extender sin antes entenderlas a fondo. El entendimiento profundo, sin embargo, acabó llegando en este caso, incluyendo el descubrimiento de que la teoría de cuerdas incluía la gravedad, tal y como la describe la teoría de la relatividad general.

En los años setenta y primeros ochenta, la teoría de cuerdas se tambaleaba al filo del olvido. No parecía funcionar para su propósito original, que era la descripción de las fuerzas nucleares. Aunque incorporaba la mecánica cuántica, parecía probable que tuviera una sutil incoherencia llamada una anomalía. Un ejemplo de anomalía es que, si hubiera unas partículas similares a neutrinos, pero eléctricamente cargadas, ciertos tipos de campos gravitatorios podrían crear espontáneamente carga eléctrica. Eso es malo porque la mecánica cuántica necesita que el universo mantenga un equilibrio estricto entre cargas negativas, como los electrones, y cargas positivas, como los protones. Así que fue un gran alivio que, en 1984, se mostrara que la teoría de cuerdas estaba libre de anomalías. Entonces fue percibida como un candidato viable para describir el universo.

Este resultado aparentemente técnico inició la «primera revolución de las supercuerdas»: un periodo de actividad frenética y avances drásticos que, pese a todo, se quedó muy corto respecto a su objetivo reconocido, que era producir una teoría del todo. Yo era un niño cuando aquello ocurrió, y vivía cerca del Centro Aspen de Física, un semillero de actividad. Recuerdo a la gente murmurando sobre si la teoría de supercuerdas se podría poner a prueba en el Supercolisionador Superconductor, y me pregunté qué era todo aquello tan súper. Bueno, las supercuerdas son cuerdas con la propiedad especial de la supersimetría. ¿Y qué podría ser la supersimetría? Intentaré explicártelo con claridad más adelante en el libro, pero, de momento, nos conformaremos con dos afirmaciones muy parciales. Primera: la supersimetría relaciona partículas con distintos espines. El espín de una partícula es como el giro de una peonza, solo que una partícula nunca puede dejar de girar. Segunda: las teorías de cuerdas supersimétricas son las teorías de cuerdas que comprendemos mejor. Mientras que las teorías de cuerdas no supersimétricas requieren 26 dimensiones, las supersimétricas solo requieren 10. Desde luego, hay que admitir que incluso diez dimensiones son demasiadas, porque solo percibimos tres del espacio y una del tiempo. Parte de la tarea de convertir la teoría de cuerdas en una teoría del mundo real consiste en deshacerse de alguna manera de esas dimensiones extra, o en encontrar algún papel útil para ellas.

Durante el resto de los años ochenta, los teóricos de cuerdas se lanzaron con furia a descubrir la teoría del todo. Pero no entendían lo bastante bien la teoría de cuerdas. Resulta que las cuerdas no son la historia completa. La teoría requiere también la existencia de branas: objetos que se extienden en varias dimensiones. La brana más simple es una membrana. Como la piel de un tambor, una membrana se extiende en dos dimensiones espaciales. Es una superficie que puede vibrar. También hay 3-branas, que pueden llenar las tres dimensiones del espacio que experimentamos, y vibrar en las dimensiones adicionales que requiere la teoría de cuerdas. También puede haber 4-branas, 5-branas y así hasta 9-branas. Esto ya empieza a sonar como un bocado indigesto, pero hay razones sólidas para creer que la teoría de cuerdas no puede tener sentido sin incluir todas esas branas. Algunas de estas razones tienen que ver con las «dualidades de cuerdas». Una dualidad es una relación entre dos objetos aparentemente distintos, o entre dos puntos de vista aparentemente distintos. Un ejemplo simplista es un tablero de damas. Un punto de vista es que es un tablero rojo con cuadrados negros. Otro es que es un tablero negro con cuadrados rojos. Ambos puntos de vista (una vez precisados de manera adecuada) ofrecen una descripción adecuada del aspecto de un tablero de damas. Son diferentes, pero relacionados mediante el intercambio de rojo y negro.