El universo elegante, de Brian Greene: una visión de la Teoría de las Supercuerdas

El universo elegante, de Brian Greene: una visión de la Teoría de las Supercuerdas

  En este ensayo pisamos terreno resbaladizo, y venimos de otro que parece firme pero no lo es, al menos desde una perspectiva más amplia, desde un modo ambicioso de entender la realidad y la ciencia.

Brian Greene (Nueva York, 1963), doctor por la Universidad de Oxford, y profesor de Física y Matemáticas en la Universidad de Columbia, es uno de los divulgadores más conocidos de la actualidad, en lo que se refiere a la física teórica. Especializado en la Teoría de las Supercuerdas, su literatura ensayística resulta verdaderamente atractiva, amena e inquisitiva, y una auténtica puerta hacia la física teórica más puntera, tanto para especialistas como para neófitos en este campo, una doble cualidad que se da en muy pocos autores. Su último libro publicado en España es “La realidad oculta” (disponible en FantasyTienda), que salió a la venta en la editorial Crítica el pasado octubre, y que pronto comentaremos en Fantasymundo.

El libro que hoy nos ocupa es anterior, publicado por la misma editorial en 2001, y originalmente en inglés en 1999: “El universo elegante” (Crítica, disponible en FantasyTienda), que contiene los avances en la Teoría de las Supercuerdas y la Teoría M, la piedra filosofal de la física teórica actual, y por tanto, de la auténtica descripción del Cosmos, al menos hasta el año 1999. Como es costumbre, para fundamentar la necesitad de una Teoría del Todo, Greene realiza el típico repaso a la física tradicional y a su conflicto con los últimos descubrimientos científicos a escala nanométrica, que vamos a omitir en esta reseña, dado que ya lo hemos tratado suficientemente en dos artículos sobre dos libros: “Antes del Big Bang”, de Martin Bojowald, y “El universo en una cáscara de nuez”, de Stephen Hawking. Podéis leer estas dos reseñas en los enlaces de los títulos.

El conflicto entre la Teoría de la Relatividad General de Einstein y laMecánica Cuántica, ambas probadas sin género de duda pero incompatibles entre sí, es el mayor desafío al que se enfrentan los físicos de hoy día. La búsqueda de la llamada Teoría M supone el Santo Grial de nuestros días, y nos permitiría describir de forma completa el Universo en el que vivimos, al menos a grandes rasgos.

Tras la infructuosa búsqueda de Einstein, los científicos creen haber encontrado la pieza clave que nos permitirá en un futuro formular de forma completa la Teoría del Todo: La Teoría de las Supercuerdas. Es evidente, vista la contradicción que mencionábamos antes y que se describe ampliamente en las reseñas de los libros de Bojowald y Hawking, que necesitamos una reinterpretación de las leyes que dominan nuestro Universo, y este cambio ha de ser radical. Einstein y Heisenbergabrieron nuestras mentes a conceptos antes inimaginados, y posteriormente comprobados como ciertos, pero se contradicen al describir el primero las estructuras y fuerzas que funcionan a largas distancias, y el segundo las estructuras y fuerzas que rigen en el Universo a escalas microscópicas. Ambas teorías no pueden ser ciertas a la vez tal y como están formuladas, hace falta “algo” que las una.

Ese “algo”, de acotarse, nos abrirá la mente a un mundo mucho más preciso, extraño y maravilloso de lo que habíamos imaginado, y cambiará totalmente nuestro modo de percibir la realidad, como hace ya la Mecánica Cuántica. La Teoría de las Supercuerdas, aunque tiene décadas de vida, aún está en un constante proceso de investigación y reformulación, y aunque mucho se ha avanzado, el camino que tenemos ante nosotros es aún difícil y escarpado. Esta teoría unifica las leyes de lo enorme y lo pequeño, y permite describir qué puede ocurrir, tanto cuando nos aventuramos al vasto Universo de las estrellas, los planetas, las galaxias o los cúmulos, o cuando descendemos al microscópico mundo de lo más pequeño, de los electrones, losquarks y otras partículas subatómicas, de aquello que ni siquiera puede ser visto con nuestros ojos humanos sin ayuda de instrumentos increíblemente precisos.

Los conceptos básicos de esta teoría son muy sutiles, y de difícil proyección mental. Acostumbrados como estamos a las tres dimensiones físicas de las leyes tradicionales, es realmente complicado imaginar más, muchas más. Sin embargo, lo que parece un alarde teórico de imaginación desbocada por parte de los científicos, es totalmente plausible. Por suerte, las analogías que Greene utiliza en “El universo elegante” son de lo más útil, y nos permiten aprehender conceptos de enorme complejidad.

El modelo de Universo comúnmente aceptado hoy día, proveniente del Big Bang, tiene grandes lagunas. Según él, el Universo tal y como lo conocemos estuvo una vez concentrado en un punto microscópico de densidad infinita, estalló debido a su inestabilidad, y toda la materia que lo contenía fue expandiéndose hasta formar el Cosmos que vemos hoy día gracias a varias fuerzas, entre ellas la de laGravedad. Sin embargo, la Teoría de la Relatividad General de Einstein falla en las singularidades, tanto en el Big Bang como en los agujeros negros, al dar como resultado, en la aplicación de sus fórmulas, infinitos para estos casos. No es capaz de describir estos fenómenos, para los que se hace necesario echar mano de la Mecánica Cuántica. Sin embargo, cuando se combinan las fórmulas de la teoría de Einstein y la Mecánica Cuántica los resultados carecen de sentido, hay algo que no funciona, necesitamos una comprensión más profunda del Universo.

La Teoría de las Supercuerdas no sólo resuelve este dilema, sino que nos revela que ambas teorías se necesitan la una a la otra para completarse y tener auténtico sentido. La forma geométrica ligeramente curvada del espacio einsteniano no es compatible con el cambiante y frenético espacio que se revela en la Mecánica Cuántica, donde suceden cosas que, en el mundo que podemos percibir a simple vista, podrían parecer imposibles. Sin embargo, suceden. La Teoría de las Supercuerdas no se mueve en un espacio tradicional de tres dimensiones, sino que incluye muchas más junto a estas, otras que, arrolladas de forma apretada dentro de la estructura plegada del Universo, permiten explicar estos fenómenos.



Todo lo que podemos ver en la tierra y en el cielo, según la física clásica, está hecho de combinaciones de electrones, quarks arriba y quarks abajo, partículas subatómicas descubiertas hace ya décadas. De momento, no hay constancia experimental de que éstas sean divisibles en otras, pero todo indica que en el Universo hay partículas adicionales, como los neutrinos (del electrón), postulados por Wolfgang Pauli a inicios de la década de 1930, que son de actualidad estos días por los experimentos del LHC, el Gran Colisionador de Hadrones; el pasado septiembre se anunciaron unos resultados espectaculares, en los que los neutrinos habían rebasado la velocidad de la luz, considerado como el máximo en nuestro universo. Dichos resultados están en tela de juicio, y varios científicos involucrados en los experimentos se han retractado y han planteado objeciones. Miles de millones de neutrinos expelidos por el Sol atraviesan vuestro cuerpo a cada segundo, sin que se produzca ni el más mínimo efecto en su velocidad o trayectoria. Ni por supuesto, en nuestro cuerpo.

Pero los neutrinos no son las únicas partículas fundamentales descubiertas: cuatro quarks más (encanto, extraño, fondo y cima), el tau (un pariente del electrón, mucho más pesado que él), el neutrino del muón y el neutrino del tau,... y sus antipartículas, de masa idéntica pero opuesta, como el positrón (del electrón), etc. Hoy día, los físicos han comprobado la estructura de la materia hasta una escala increíble: alrededor de una trillonésima de metro. Y todo lo encontrado, tanto de modo natural como a través de experimentos, puede describirse como una combinación de estas partículas esenciales y sus antipartículas.

No sólo eso, sino que los físicos también han descubierto el conjunto de fuerzas que dominan el Universo, a distintas escalas: la fuerza de la Gravedad, lafuerza Electromagnética, la fuerza Nuclear Débil y la fuerza Nuclear Fuerte.

La Gravedad es conocida por todos nosotros, es la responsable de que mantengamos los pies fijos en el suelo, de que la Tierra gire alrededor del Sol, entre otras cosas. La fuerza Electromagnética se manifiesta claramente en la luz artificial, los aparatos electrónicos, y podemos apreciarla también en fenómenos naturales con aparato eléctrico, como las tormentas. En lo microscópico, la fuerza electromagnética determina la influencia que puede ejercer una partícula determinada, y cómo responden otras a esa fuerza.

Estas dos fuerzas podemos percibirlas con total claridad, y forman parte importante de nuestra evolución cultural y tecnológica. Sin embargo, las fuerzas Nuclear Débil y Nuclear Fuerte casi siempre se aprecian solamente a escala subatómica, y pierden intensidad cuando esta escala aumenta, por lo que estamos menos acostumbrados a ellas. La fuerza Nuclear Fuerte mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y los neutrones, y también permite que éstos estén apiñados dentro del núcleo del átomo. La fuerza Nuclear Débil es, sobre todo, la responsable de la desintegración radiactiva de sustancias como el uranio.

Los físicos han descubierto dos características comunes en estas cuatro fuerzas.

En primer lugar, a nivel microscópico, todas ellas tienen asociada una partícula, que puede considerarse como el mínimo paquete que puede formar esa fuerza. En el caso de la Electromagnética es el fotón, en la Nuclear Débil y la Nuclear Fuerte son los bosones gauge (“de calibración”) y los gluones (de glue, “pegamento”). Los físicos creen que, en el caso de la Gravedad existe una partícula hipotética llamada gravitrón, cuya existencia, aunque plausible, aún no ha sido demostrada.

En segundo lugar, del mismo modo que la masa determina el grado de afectación de la Gravedad a una partícula, y la carga eléctrica determina cómo afecta a esa partícula la fuerza Electromagnética, también las partículas están provistas de cierta carga fuerte y cierta carga débil, que determinan cómo responden las partículas a la fuerza Nuclear Fuerte y a la Nuclear Débil.

Todas estas propiedades han sido observadas y medidas, pero NADIE puede decir aún por qué nuestro universo está compuesto precisamente por esas partículas, con esas masas y esas cargas. ¿Por qué razón hay cuatro fuerzas y no más ni menos, por qué tienen propiedades y ámbitos distintos de aplicación, por qué la intensidad es tan distinta?

El Universo es tal y como es por que las fuerzas y las partículas tienen estas propiedades, un pequeño cambio en estas condiciones, y todo cambiaría. Es más, es posible que los seres humanos no existiéramos. Por ejemplo, si la intensidad de la fuerza de la Gravedad aumentase, las reacciones nucleares en las estrellas serían más rápidas, con lo que se consumirían mucho más rápidamente y la formación de seres vivos sería mucho más improbable. Si la intensidad de la Gravedad disminuyera bastante, la materia no se uniría de forma tan sencilla, en bloques, con lo cual no se habrían formado las estrellas ni las galaxias. Los supuestos son incontables. ¿Por qué el Universo tiene estas propiedades, tan precisas y... adecuadas para la vida?



La Teoría de las Supercuerdas propone un marco físico en el que responder a esta pregunta es factible. La física clásica, como hemos comentado en estos últimos párrafos, nos describe cuáles son las partículas básicas de las que está formada la materia y cuáles son las fuerzas que las gobiernan, pero la Teoría de las Supercuerdas propone otra cosa.

Según ella, si pudiéramos examinar con aún mayor precisión esas partículas descritas, descubriríamos que su estructura no es similar a un punto, como creíamos, sino que cada una está formada por un ínfimo bucle unidimensional (más tarde veremos que esto es matizable), un filamento que vibra, oscila y bailotea, una “cuerda”. Esta simple sustitución estructural, de un punto a una cuerda, resuelve por sí sola el conflicto planteado entre la Teoría de la Relatividad General y la Mecánica Cuántica, aunque permite recorrer mucho más camino en la descripción del Universo.

Esta teoría postula que las propiedades observadas en las partículas fundamentales son un reflejo de los distintos modos en que las cuerdas pueden vibrar. Con las cuerdas de un violín esto resulta claro: tienen frecuencias de resonancia favoritas a la hora de vibrar –nuestros oídos las perciben como notas musicales y armónicos de frecuencia alta-. Del mismo modo sucede con los bucles de la Teoría de las Supercuerdas, sólo que en vez de producir notas musicales, las vibraciones de la cuerda en la teoría producen cargas de fuerza y de masa, responsables de cómo interactúan con las fuerzas fundamentales. Toda la materia y las fuerzas están unificadas según estas vibraciones, y responden a ellas.

La Teoría de las Supercuerdas no es aún –ni lo será en bastante tiempo- experimentalmente comprobable ni está formulada de forma completa, ya que es tan profunda, complicada y sutil que aún no existen instrumentos capaces de trabajar con la sensibilidad adecuada, ni que puedan realizar los cálculos necesarios para demostrar su autenticidad sin ningún género de dudas. Sin embargo, sus logros parciales han sido asombrosos, y su falta de demostración empírica sólo parece achacable, no a su imposibilidad, sino a lo ya comentado. Sin embargo, permite que nos podamos explicar cómo se comporta el Universo a distintas escalas, algo que ninguna ley o teoría puede demostrar.

Si esta teoría es correcta en su formulación básica actual, el Universo es un laberinto multidimensional sumamente complejo y entrelazado, donde las cuerdas se retuercen y vibran y marcan las leyes de lo que se contiene en él. Su belleza y la capacidad de aunar las principales teorías en una sola es ya de por sí suficiente razón para que muchos científicos la consideren como el Santo Grial de la física, pero también ha permitido resolver el problema de la entropía de Bekenstein-Hawking en los agujeros negros, lo que ha convencido a muchos más para seguir esta apasionante senda.

Las matemáticas de la Teoría de las Supercuerdas son tan complicadas, que nadie conoce las ecuaciones precisas que la gobiernan, sólo se han resuelto de manera parcial... hace poco se creía que podrían pasar décadas o siglos hasta que la teoría se formule de forma completa por esta razón, pero actualmente se ha avanzado tanto que se cree que transcurrirá mucho menos tiempo.

Hay distintos tipos de esta teoría, según las dimensiones que se postulen y las condiciones que se den, concretamente cinco:

-La Teoría de Cuerdas Tipo I (10 dimensiones), con Supersimetría entre fuerza y materia, con cuerdas abiertas y cerradas, libre de taquiones y con grupo de simetría SO(32).

-La Teoría de Cuerdas Tipo II (10 dimensiones), con dos supersimetrías, subdivisible en dos, la IIA (Supersimetría entre fuerza y materia, sólo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, fermiones sin masa que giran a ambas direcciones) y la IIB (Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones. fermiones sin masa que giran en una sola dirección).

-La Teoría de Supercuerdas Heteróticas, basada en un híbrido de una supercuerda de tipo I y una cuerda bosónica, y subdivisible a su vez en dos, la HO(Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo, grupo de simetría es SO(32)) y HE (Supersimetría entre fuerza y materia, solo con cuerdas cerradas, libre de taquiones, heterótica, difieren entre cuerdas de movimiento derecho e izquierdo, grupo de simetría E8×E8).

Admito que esta jerga no resulta especialmente atrayente ni comprensible, pero puedo aseguraros que Greene convierte lo complicado en aprehensible, y si leéis el libro no os quedaréis con la misma cara de pasmo que tenéis ahora, tras leer estas últimas líneas.

Hoy día se cree que La Teoría de Supercuerdas, en realidad, es una pieza esencial de una síntesis mayor, el verdadero objetivo, la Teoría M. Esta relación entre ambas puede verse claramente en este dibujo:



El hueco que puede verse en esta ilustración aún ha de rellenarse, pero se cree que disponemos de las piezas y de los conceptos de la periferia. Muchos científicos tienen pocas dudas sobre esto, pero el público general hace una mueca de extrañeza al oír hablar de la Teoría de las Supercuerdas. Sin duda, la mayor complejidad que surge a la hora de comprenderla proviene de las dimensiones adicionales que requiere para su formulación. Depende del tipo de la teoría,pueden ser necesarias de 10 a 11 dimensiones, incluso 26.

Todas ellas son espaciales, menos una, la temporal, pero sólo tres de ellas pueden verse a simple vista, las demás están arrolladas. ¿Por qué no son todas extendidas, como esas tres, o todas arrolladas, o en un estado intermedio? Se cree, y digo esto porque aún no podemos demostrar nada en este ámbito, que antes del Big Bang todas las dimensiones estaban arrolladas, y que sólo tras este fenómeno explosivo tres de ellas se extendieron y el resto permaneció arrollado.

En el libro de Greene se da una explicación coherente de esta hipótesis, pero que aún está en etapa de formulación. Las explicaciones sobre el aspecto que pueden tener las dimensiones arrolladas, con las formas de Calabi-Yau y las distintas supercuerdas, resultan apasionantes y de difícil aprehensión, pero Greene sabe llegar al lector de forma quirúrgica, clara, amena y llena de simbolismo y analogías.

No hay analogía lo suficientemente precisa para darnos una idea clara de este tema, de cómo una dimensión puede ser –o parecer- arrollada, pero en el libro se utiliza una especialmente visible. Tenemos una manguera de riego, extendida y tensionada de una cima a otra, y nosotros la vemos desde lejos. Apreciamos desde lejos esta manguera, sin saber lo que es, como si fuese un objeto unidimensional. Sólo cuando la vemos ampliada, con unos prismáticos, apreciamos que tiene dos dimensiones, otra, con forma de círculo, que está arrollada en torno a la manguera. Podemos apreciar su anchura. Una hormiga, que está sobre ella, y que ahora vemos gracias a los prismáticos, tiene dos dimensiones sobre las que caminar: la dimensión izquierda-derecha, caminando sobre la longitud de la manguera, y la dimensión circular de la manguera, recorriéndola en el sentido de las agujas del reloj su inverso.

Podemos dar la posición de esta hormiga con precisión, si tenemos dónde está en relación a la longitud de la manguera y dónde está en torno a esa sección circular. Pero apreciamos que esta dimensión circular es más difícil de ver, es corta y arrollada. Para verla, hay que examinar la manguera con más precisión que con la anterior. Las dimensiones espaciales pueden ser muy visibles y extendidas (como en este caso la longitud) o poco visibles y arrolladas (como la sección circular). Lógicamente en este ejemplo es sencillo ver eso, sin embargo, si la manguera fuese mucho más delgada, como por ejemplo, un cabello humano, sería mucho más difícil ver esa dimensión arrollada.

Esta analogía, por simple, resulta muy poderosa, y permite abrir la mente a las dimensiones arrolladas. Por supuesto, tras la primera puerta la complejidad de los conceptos aumenta, pero una vez se traspasa ese primer umbral, lo demás no resulta tan complicado, aunque Greene desde luego nos da una visión completa de la Teoría de las Supercuerdas hasta el año 1999, incluyendo supercuerdas con grosor y distintas formas y asociaciones.

En “El universo elegante” pisamos terreno resbaladizo, y venimos de otro que parece firme pero no lo es, al menos desde una perspectiva más amplia, desde un modo ambicioso de entender la realidad y la ciencia. Este camino no está exento de dificultad, pero sin duda, si algún libro puede explicarlo a cualquier persona curiosa, es este. Sus conceptos pueden parecer en ocasiones extraños, el mismo Greene es el primero en admitirlo, pero con paciencia, paso a paso, nos desgrana las claves de un hipotético universo tan elegante en su formulación como complejo en sus detalles.

Nos vemos, más adelante, con el artículo sobre “La realidad oculta”, el último libro hasta el momento de Greene, donde ahondaremos mucho más en una visión más completa y profunda del Cosmos. Os dejo con un vídeo sobre la serie que se produjo sobre "El universo elegante", con la participación del propio autor (podéis encontrar las siguientes partes en Youtube).

Fuente: http://www.fantasymundo.com/articulos/3997/universo_elegante_brian_greene_vision_teoria_supercuerdas

http://realidaddimensional2014.blogspot.com.es

Informacion facilitada por: Michael Casas, gracias amigo.