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Ciencia al desnudo con el invitado Carl Sagan

¿Qué es la teoría de cuerdas?

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Nuestro universo está regido por cuatro fuerzas fundamentales que le dan a la materia el aspecto que todos conocemos y amamos: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Pero cada una de ellas actúa en un campo distinto 



La fuerza nuclear fuerte aparece entre los protones y neutrones en el núcleo de los átomos y los mantiene unidos. Basta con esta breve definición para ver su importancia: si no existieran átomos estables, no estaría aquí resaltando su importancia. 

La fuerza nuclear débil es la responsable de que algunos elementos se desintegren con el tiempo emitiendo radiación, ya que permite que los electrones y los protones se combinen para formar neutrones. Si esta fuerza no existiera, la ventaja es que podríamos manejar tranquilamente pedazos plutonio y uranio sin terminar letalmente irradiados… Pero, por otro lado, la existencia de estrellas no sería posible.

Estas dos fuerzas actúan tan sólo a escalas muy pequeñas, en el interior de los átomos, donde son tan fuertes comparadas con la fuerza electromagnética y la gravedad que se sobreponen a ellas. 

La fuerza electromagnética tiene lugar entre partículas con carga eléctrica y se manifiesta a gran escala en forma de campos magnéticos. O sea, que su efecto es palpable tanto en las interacciones entre átomos como entre objetos macroscópicos como, por ejemplo, cuando acercamos un clavo de hierro a un imán y se queda pegado. 

Por último, la fuerza gravitatoria es una fuerza atractiva que tan sólo empieza a ser apreciable cuando grandes cantidades de átomos se acumulan en el mismo lugar. La gravedad es la que da moldea el universo a gran escala, agrupando la materia en esferas y organizando las estrellas y planetas para formar sistemas solares y galaxias. 

Un dato curioso de regalo: de todas las fuerzas, la gravedad es la más débil. Podéis levantar en el aire un clavo con un imán de la nevera para comprobarlo: pese a que toda la masa de la Tierra está tirando del clavo hacia abajo, no conseguirá despegarlo de ese pequeño campo magnético. 

La cuestión es que para cuantificar y explicar cómo actúa cada una de estas fuerzas, se desarrollaron diferentes ramas de la física basadas en distintas suposiciones sobre la naturaleza su naturaleza. Lo que comúnmente llamamos teorías, vaya. 

Pero, ¿qué implicaciones tiene exactamente esto de desarrollar una teoría en física? 

Buscar una teoría que explique un fenómeno concreto no se limita sólo de encontrar unas cuantas fórmulas matemáticas sacadas de la manga que nos ayuden a hacer predicciones sobre el comportamiento de lo que sea que estamos estudiando. Detrás de toda teoría hay un planteamiento más profundo sobre la naturaleza del fenómeno en sí que, de ser correcto, puede cambiar nuestra visión de la realidad

Pongamos el caso de la gravedad, por ejemplo. 

Isaac Newton postuló que la gravedad es una fuerza invisible que aparece entre dos (o más) cuerpos y que la magnitud de esta fuerza depende de la distancia que están separados y la masa de cada uno de ellos. Basado en esta idea de que la gravedad es una fuerza invisible, ideó un modelo matemático que resultó ser más efectivo que ningún otro planteado con anterioridad a la hora de describir el movimiento de los objetos que caen, incluidos los movimientos de los planetas. 

Pero, con el tiempo, a medida que los instrumentos astronómicos mejoraron, se volvió aparente que en algunos casos extremos, como la órbita del planeta Mercurio, las predicciones hechas por las leyes de Newton no se ajustaban a las observaciones. Y, por supuesto, llevarle la contraria a lo que está ocurriendo delante de tus narices es una soberana pérdida de tiempo

Como el modelo estaba basado en la noción de que la gravedad es una fuerza, esto sólo podía significar que esa concepción no era correcta. La gravedad no podía ser una fuerza, tenía que ser otra cosa

A principios del siglo XX apareció Einstein con su teoría de la relatividad. En esta teoría, no planteó la gravedad como una fuerza invisible, sino como una distorsión del propio espacio provocada por los cuerpos que éste contiene. Cuanto más masivo es un objeto, mayor la distorsión que provoca y a nosotros nos parece que nos atrae con más fuerza. Sí, hombre, habéis visto el ejemplo mil veces. 

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Y no sólo eso, la teoría de Einstein también sugería que el espacio y el tiempo no son dos facetas distintas de la realidad, sino que forman una misma entidad: el tejido espacio-tiempo. Por tanto, los cuerpos masivos no sólo distorsionan el espacio a su paso, sino también el transcurso del tiempo en el volumen que su campo gravitatorio abarca. 

La cuestión es que las observaciones demostraron que el modelo de Einstein predecía con exactitud todo lo que no conseguía el de Newton. Einstein había acertado, por lo que esta idea de que espacio y tiempo forman parte de lo mismo y que el ritmo al que transcurre el tiempo no tiene por qué ser constante tenía que ser correcta (y aún consideramos que los es). 

Esta nueva noción cambió de manera drástica nuestra visión de la realidad. Acostumbrados a estar sometidos al mismo campo gravitatorio terrestre y llevar vidas a bajas velocidades desde que nuestra especie apareció sobre el planeta, nunca podríamos haber imaginado que algo que dábamos tan por sentado como el ritmo al que transcurre el tiempo pudiera ser alterado

¿Y todo esto que tiene que ver con la teoría de cuerdas? 

Cada una de las cuatro fuerzas fundamentales puede ser explicada con su propia teoría pero, desde mediados del siglo pasado, se ha intentado unir estos cuatro tipos de interacciones tan distintos en una sola teoría bajo la premisa de que debe existir algún fenómeno en común detrás de todas ellas que provoca los distintos tipos de interacciones

Hasta ahora, se han conseguido unir el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la débil bajo una misma teoría, llamada el modelo estándar de física de partículas. Esto es equivalente a decir que hemos encontrado la causa que se manifiesta en estas tres fuerzas distintas. 

Pero volvamos de nuevo al contexto histórico. 

Nuestra concepción de los bloques básicos que nos componen a nosotros mismos y al resto de la materia que nos rodea también ha cambiado mucho a lo largo de la historia. 

En la antigua Grecia ya apareció la idea de que la materia está hecha de diminutos pedazos indivisibles, pero esta teoría no pudo avanzar hasta que se empezaron a aislar e identificar los elementos químicos puros que dan lugar a las sustancias más complejas que nos rodean. 

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Ciencia al desnudo con el invitado Carl Sagan 

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En el siglo XIX, John Dalton sugirió que las cosas están compuestas por pequeños trozos de elementos más simples que se combinan siempre de la misma manera para formar sustancias concretas. Dos átomos de hidrógeno se combinarían siempre con uno de oxígeno para formar agua, por ejemplo. 

Más tarde, en 1897, J.J. Thompson descubrió que podía alterar la trayectoria de los rayos catódicos utilizando campos magnéticos, por lo que dedujo que en realidad estos rayos tenían algún tipo de carga eléctrica negativa. Llegó a la conclusión de que estas cosas con carga negativa, a los que llamó electrones, estaban saliendo de la propia materia, así que imaginó que las unidades más pequeñas que la componen tenían una morfología similar a una galleta con virutas de chocolate: una masa con carga positiva incrustada con cargas negativas. El conjunto se mantenía en equilibrio porque los dos tipos de carga se compensarían, confiriéndole neutralidad eléctrica. 

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En 1911, Rutherford se dio cuenta de que esta distribución de la masa de un átomo no podía ser correcta y que la carga positiva debía estar concentrada en el centro mientras la carga negativa daba vueltas alrededor de manera similar a la que los planetas lo hacen alrededor del sol. En 1920 descubrió que los responsables de la carga positiva eran los los protones y en 1932, su ayudante,  James Chadwick, detectó por primera vez los neutrones, que ayudaban a mantener el núcleo atómico en equilibrio. 

El modelo del átomo, entonces, evolucionó de un trozo de pasta con tropezones a la idea que aún hoy en día consideramos correcta. 

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Pese a que no se puede observar un átomo con tanto nivel de detalle como para poder distinguir sus componentes básicos, esta teoría nos ayuda a predecir con gran precisión tanto los productos que tendrán ciertas reacciones químicas como el comportamiento químico en general de cualquier sustancia, por lo que el consenso es que se ha encontrado un modelo que es una buena aproximación a la realidad. 

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Ciencia al desnudo con el invitado Carl SaganEsto es lo más detallado que podemos ver en cuanto a átomos. En este caso, los átomos en una superficie de oro. 

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Pero, con el avance de la ciencia, se descubrió que el modelo aún estaba incompleto. Ojo, eso no significa que esté mal, sólo que faltaban cosas que añadir. 

En 1961 se consiguió agrupar la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo bajo un mismo modelo, bautizado como teoría electrodébil. Esta teoría afirmaba que las dos fuerzas aparecían debido a la interacción de partículas aún más pequeñas que los protones y neutrones que componen los átomos. Estas nuevas partículas fueron bautizadas como partículas elementales, porque se consideran los bloques básicos que construyen la realidad. 

Este resultado sugería que, a lo mejor, el resto de fuerzas podrían ser también ser explicadas por la existencia de otras partículas elementales y que, si lográbamos detectar qué partículas causaban cada una de ellas, podríamos encontrar el origen de cualquier fenómeno tanto a pequeña como a gran escala usando sólo un modelo. 

Y, de momento, esta es la teoría que mejor explica la realidad. 

En nuestra visión actual del mundo, las tres fuerzas que determinan el comportamiento de las cosas a pequeña escala se pueden explicar mediante el llamado modelo estándar de física de partículas, que atribuye la aparición de estas fuerzas a la interacción entre diferentes tipos de partículas elementales (quarks, bosones y leptones)

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Distintas cantidades de partículas elementales se unen para formar las partículas más grandes que antes se consideraban las unidades básicas de la materia. De la misma manera, su unión también provoca la aparición de partículas que cargan con las fuerzas, como los fotones que transportan el electromagnetismo. 

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Ciencia al desnudo con el invitado Carl SaganCiencia al desnudo con el invitado Carl SaganPero hay un problema: para que esta teoría lo explicara todo, debería existir también una partícula elemental que “transportara” la gravedad de un lado a otro. Esta hipotética partícula, el gravitón, no ha sido detectada hasta el momento. O sea, que la mejor herramienta que tenemos para describir las interacciones gravitatorias entre cualquier grupo de objetos sigue siendo la Relatividad General

Y ahora ya podemos hablar sobre la teoría de cuerdas

Como parece que el enfoque de las partículas elementales no sirve para unificar todas las fuerzas, han aparecido muchas teorías que intentan explicar qué fenómeno común las causa. Y una de ellas es la teoría de cuerdas

Esta teoría plantea que las partículas elementales tampoco serían los bloques básicos en los que se fundamenta el universo, sino que éstascontendrían elementos aún más pequeños, una especie de filamentos de energía en constante vibración llamados, lo habéis adivinado, “cuerdas”

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Ciencia al desnudo con el invitado Carl SaganNadie sabe cómo serían, pero suelen pintarlas así en los documentales. Aunque dudo que tuvieran color o incluso que brillaran porque… Bueno, es que son más pequeñas que los propios fotones. 

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La vibración de estas cuerdas estaría limitada a unas frecuencias muy concretas, de manera que distintos modos de vibración otorgarían propiedades diferentes a las partículas elementales de las que forman parte, como por ejemplo una mayor o menor masa o carga eléctrica. Por ejemplo, un determinado modo de vibración produciría electrones y algún un tipo de quark en concreto. 

Como estas cuerdas tienen que formar las partículas elementales, que ya de por sí son diminutas, su tamaño tiene que ser incluso menor. Según sus defensores, el tamaño de las cuerdas rozaría la longitud de Planck o 0.00000000000000000000000000000000001 metros (para los que estáis un poco más familiarizados con la notación matemática, 10^-35 metros). Dicho de otra manera, si hincháramos un átomo hasta que tuviera el tamaño del sistema solar, entonces las cuerdas que contienen las partículas elementales que lo forman tendrían el tamaño de un árbol

Por mucho que me pese, una imagen en Photoshop con resolución suficiente como para distinguir esta diferencia de escalas probablemente tardaría años en subirse al blog, así que tendréis que tirar de imaginación. 

¿De qué nos sirve que todo estuviera hecho de cuerdas? ¿Qué explicaría todo esto? 

Todo lo que contiene el universo estaría compuesto por la misma entidad, las mismas cuerdas vibrando con frecuencias distintas, desde la materia hasta la radiación o incluso los supuestos gravitones que serían responsables de la gravedad. Por tanto, si consiguiéramos modelar cómo se comportan estos componentes tan simples, podríamos describir con una precisión brutal cualquier, desde las más pequeñas partículas hasta cúmulos de galaxias y agujeros negros, de manera independiente a su escala. 

Pero hay un pequeño problema: el planteamiento matemático tras esta teoría no funciona matemáticamente a menos que el universo tenga 10 dimensiones espaciales en vez de las 3 que conocemos

Hmmm… No veo señal de esas 7 dimensiones por aquí 

El resto de la comunidad científica tampoco la ha encontrado nunca. Pero, según los defensores de esta teoría, esto se debe a que estas dimensiones extra estarían confinadas en una escala de tamaño tan diminuta, similar al de las propias cuerdas, que nos resultan imperceptibles en nuestro día a día. 

Es un concepto difícil de visualizar pero, en esta conferencia, Brian Greene, uno de los principales defensores de la teoría de cuerdas, propone la siguiente analogía para entenderlo: visto desde lejos, un cable no parece más que una línea unidimensional, pero a medida que te acercas ves que no sólo tiene una longitud, sino también un grosor. Si tuviéramos el tamaño de hormigas, podríamos movernos a lo largo del cable pero también a su alrededor, pese a que en la distancia siga pareciendo tan sólo una línea de una sola dimensión. 

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