SA los científicos que buscan los secretos del universo les gustaría hacer un modelo que muestre cómo encajan todas las fuerzas y partículas de la naturaleza. Sería bueno hacerlo con Legos. Pero quizás una mejor opción sería conectar todo con cuerdas.
No son cuerdas literales, por supuesto, sino pequeños bucles o fragmentos de energía vibrante. Y el “encajamiento” debe ser matemático, no mediante piezas de plástico con la forma adecuada. Desde hace décadas, muchos físicos han perseguido la esperanza de que las ecuaciones que involucran una “cuerda” especialmente pequeña puedan proporcionar la teoría que resuelva los misterios subatómicos fundamentales de la naturaleza.
La teoría de cuerdas, como se la llama, ha adquirido una especie de aclamación cultural confusa, apareciendo en programas de televisión populares como El Teoría del Big Bang y NCIS. Entre los físicos, la reacción a la teoría ha sido mixta. Después de varios descubrimientos prometedores en las décadas de 1980 y 1990, las cuerdas cayeron en cierta medida en desgracia por no cumplir sus promesas. Entre ellos estaba proporcionar la forma adecuada de incluir la gravedad en la teoría cuántica de partículas subatómicas. Otro fue revelar las matemáticas que mostrarían que las múltiples fuerzas fundamentales de la naturaleza son simplemente descendientes diferentes de una fuerza unificada. Todavía promesas incumplidas.
Sin embargo, durante el tiempo transcurrido desde que la teoría de cuerdas se retiró del centro de atención, un grupo considerable de devotos de las cuerdas se han esforzado por atar todos los cabos sueltos. El éxito sigue siendo difícil de alcanzar, pero se han logrado avances reales. Las preguntas que acosan a los físicos no sólo sobre los fragmentos más pequeños de materia sino también sobre las propiedades del universo entero aún pueden ceder ante los esfuerzos de los teóricos de cuerdas.
“Muchos de los problemas no resueltos de la física de partículas y la cosmología están profundamente entrelazados”, escriben los físicos Fernando Marchesano, Gary Shiu y Timo Weigand en el 2024 Revisión anual de la ciencia nuclear y de partículas. La teoría de cuerdas puede proporcionar el camino para resolver esos problemas.
Ecuaciones de la realidad
Un enfoque importante en esta búsqueda es descubrir si la teoría de cuerdas puede explicar lo que se conoce como el modelo estándar de la física de partículas. Desarrollado en la última parte del siglo XX, el Modelo Estándar proporciona una especie de lista que enumera todas las partículas básicas de la naturaleza. Algunos proporcionan los componentes básicos de la materia; otros transmiten fuerzas entre las partículas de materia, gobernando su comportamiento.
El modelo estándar de física de partículas describe las fuerzas conocidas de la naturaleza y las partículas subatómicas. Incluyen quarks, leptones y bosones. Los protones y neutrones están compuestos de quarks arriba y abajo. Los leptones incluyen electrones y neutrinos. Los fotones transmiten la fuerza electromagnética; los gluones mantienen unidas las partículas en el núcleo atómico; y las partículas W y Z transmiten la fuerza nuclear débil, importante para algunas formas de radiactividad. El bosón de Higgs participa en conferir masa a algunas partículas.
Es bastante sencillo dibujar un gráfico que muestre esas partículas. Se necesitan 12 puntos para las partículas de materia: seis quarks y seis leptones. Se necesitan cuatro puntos para las partículas de fuerza (conocidas colectivamente como bosones) más un punto para el bosón de Higgs, una partícula necesaria para explicar por qué algunas partículas tienen masa. Pero las matemáticas que subyacen al gráfico son insondablemente complejas, una combinación de ecuaciones que hacen que los jeroglíficos parezcan autoexplicativos.
Esas ecuaciones funcionan magníficamente para explicar los resultados de prácticamente todo el comportamiento de la física de partículas. Pero el Modelo Estándar no puede ser toda la historia del universo. “A pesar del increíble éxito del Modelo Estándar al describir la física de partículas observada hasta las escalas de energía actualmente accesibles, existen argumentos convincentes de por qué está incompleto”, escriben Marchesano y sus colaboradores.
Por un lado, sus ecuaciones no abarcan la gravedad, que no tiene lugar en el gráfico del Modelo Estándar. Y las matemáticas del modelo estándar dejan muchas preguntas sin respuesta, como por qué algunas de las partículas tienen las masas precisas que tienen. El modelo matemático estándar tampoco incluye la misteriosa materia oscura que se esconde dentro y entre las galaxias, ni explica por qué el espacio vacío está impregnado de una forma de energía que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.
Algunos físicos que investigan estos problemas creen que la teoría de cuerdas puede ayudar, ya que una versión de cuerdas del Modelo Estándar contendrá matemáticas adicionales que podrían explicar sus deficiencias. En otras palabras, si la teoría de cuerdas es correcta, el modelo estándar sería sólo un segmento de la descripción matemática completa de la realidad de la teoría de cuerdas. El problema es que la teoría de cuerdas describe muchas versiones diferentes de la realidad. Esto se debe a que las cuerdas existen en un reino con múltiples dimensiones de espacio más allá de las tres ordinarias. Algo así como la Zona Crepuscular con esteroides.
Los teóricos de cuerdas admiten que la vida diaria transcurre perfectamente en un mundo tridimensional. Por lo tanto, las dimensiones adicionales del mundo de las cuerdas deben ser demasiado pequeñas para notarlas: tienen que encogerse o “compactarse” hasta alcanzar un tamaño submicroscópico. Es como la forma en que una hormiga que vive sobre una gran hoja de papel percibiría una superficie bidimensional sin siquiera darse cuenta de que el papel tiene una tercera dimensión, muy pequeña.
Las dimensiones adicionales de la teoría de cuerdas no sólo deben reducirse, sino que también pueden reducirse en innumerables configuraciones o geometrías diferentes del vacío del espacio. Una de esas posibles geometrías podría ser la forma correcta de las dimensiones reducidas para explicar las propiedades del modelo estándar.
“El modelo estándar… las características, las preguntas y los acertijos se pueden reformular en términos de geometría de dimensiones adicionales”, escriben Marchesano y sus colaboradores.
Dado que las matemáticas de la teoría de cuerdas se pueden expresar de varias formas diferentes, los teóricos tienen que explorar múltiples vías posibles para encontrar la formulación más fructífera. Hasta ahora, se han encontrado enfoques de cuerdas que describen muchas características del modelo estándar. Pero se necesitan diferentes geometrías de compactación del vacío para explicar cada característica. El desafío, señalan Marchesano y sus colegas, es encontrar una geometría para el vacío que combine todas esas características a la vez, y al mismo tiempo incorpore características que describan el universo conocido.
Una compactación exitosa de las dimensiones adicionales, por ejemplo, produciría un vacío en el espacio que contendría la cantidad correcta de “energía oscura”, la fuente de la expansión acelerada del universo. Y los candidatos para la materia oscura cósmica también deberían aparecer en las matemáticas de cuerdas. De hecho, todo un conjunto adicional de partículas de fuerza y materia surge de ecuaciones de cuerdas que involucran una propiedad matemática llamada supersimetría. “Casi todos los modelos de teoría de cuerdas que se parecen al modelo estándar muestran supersimetría en la escala de compactación”, escriben Marchesano y sus coautores.
Las versiones de la teoría de cuerdas que contienen partículas supersimétricas reciben el nombre de “teoría de supercuerdas”. Durante mucho tiempo se sospechó que tales “superpartículas” constituían la materia oscura del universo. Pero los intentos de detectarlos en el espacio o crearlos en aceleradores de partículas hasta ahora no han tenido éxito.
En cuanto a la gravedad, las partículas que transmiten la fuerza gravitacional aparecen naturalmente en las matemáticas de la teoría de cuerdas: para empezar, uno de los grandes atractivos de la teoría. Pero el hecho de que muchas formulaciones de la teoría de cuerdas incluyan la gravedad no indica qué formulación proporciona la descripción correcta del mundo real.
Las pruebas son posibles
Si la teoría de cuerdas es correcta, partículas fundamentales de la naturaleza no serían los objetos puntuales de dimensión cero de la teoría estándar. En cambio, diferentes partículas resultarían de diferentes modos de vibración de una cuerda unidimensional, ya sea un bucle o un fragmento con extremos unidos a objetos espaciales multidimensionales llamados branas. Estas cadenas serían aproximadamente más pequeñas que un átomo en la medida en que un átomo es más pequeño que el sistema solar. Muy pequeños, sin forma factible de detectarlos directamente. La cantidad de energía necesaria para sondear escalas tan pequeñas está mucho más allá del alcance de cualquier tecnología práctica.
Pero si la teoría de cuerdas puede explicar el Modelo Estándar, también contendría otras características de la realidad que serían accesibles a los experimentos, como tipos de partículas no incluidas en el gráfico del Modelo Estándar. “Las construcciones de cuerdas que realizan el modelo estándar siempre contienen sectores adicionales… a una escala de energía que podría probarse en un futuro próximo”, escriben Marchesano y sus colegas.
En última instancia, la teoría de cuerdas sigue siendo una candidata esperanzada para unir todas las piezas del rompecabezas cósmico. Si funciona, los científicos finalmente podrían desentrañar los misterios sobre cómo la relación de la física cuántica con la gravedad y las propiedades de las partículas y fuerzas de la naturaleza están profundamente vinculadas. “La teoría de cuerdas”, escriben Marchesano y sus colegas, “tiene todos los ingredientes para ayudarnos a comprender esta profunda conexión”.
10.1146/conocible-112124-2
Tom Siegfried es periodista científico en Avon, Ohio. su libro El número de los cielossobre la historia del multiverso, fue publicado en 2019 por Harvard University Press. Este artículo apareció originalmente en Revista Conocibleun esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews. Lea el original aquí.