El universo elegante (27 page)

En 1968, un joven físico teórico llamado Gabriele Veneciano se esforzaba por encontrar un sentido lógico para varias propiedades de la fuerza nuclear fuerte observadas experimentalmente. Veneziano, que entonces era un investigador del CERN, el laboratorio europeo de aceleración de partículas de Ginebra, Suiza, había trabajado durante varios años en distintos aspectos de este problema, hasta que un día tuvo una revelación impactante. Para su sorpresa, se dio cuenta de que una esotérica fórmula inventada dos siglos antes con fines meramente matemáticos por el renombrado matemático suizo Leonhard Euler —la llamada función beta de Euler— parecía ajustarse de un golpe a la descripción de numerosas propiedades de partículas que interaccionan fuertemente entre sí. La observación de Veneciano proporcionó una poderosa envoltura matemática para muchas características de la fuerza nuclear fuerte y puso en marcha un intenso frenesí de investigaciones encaminadas hacia la utilización de la función beta de Euler, y diversas generalizaciones de ésta, para describir la enorme cantidad de datos que se estaban recogiendo en varios colisionadores de partículas atómicas repartidos por todo el mundo. Sin embargo, la observación de Veneziano era en un sentido incompleta. Como una fórmula memorizada usada por un estudiante sin entender su significado o su justificación, la función beta de Euler parecía funcionar, pero nadie sabía por qué. Era una fórmula en busca de su explicación. Esto cambió en 1970 cuando los trabajos de Yoichiro Nambu, de la Universidad de Chicago, Holger Nielsen, del
Niels Bohr Institute
, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford, revelaron los principios físicos, hasta entonces desconocidos, que se ocultaban detrás de la fórmula de Euler. Estos físicos demostraron que, si se construía un modelo de partículas elementales considerándolas como pequeñas cuerdas vibradoras unidimensionales, sus interacciones nucleares se podían describir con toda exactitud mediante la función de Euler. Según su razonamiento, si los trozos de cuerda eran suficientemente pequeños, podrían seguir pareciendo partículas puntuales y, por consiguiente, podrían ser coherentes con las observaciones experimentales.

Aunque esto proporcionaba una teoría intuitivamente sencilla y satisfactoria, no tardó mucho tiempo en llegar la demostración de que la descripción de la fuerza nuclear fuerte mediante cuerdas fallaba. A principios de la década de 1970, unos experimentos con altas energías capaces de comprobar el mundo subatómico más a fondo demostraron que el modelo de cuerdas realizaba cierto número de predicciones en contradicción directa con las observaciones. Al mismo tiempo, se estaba desarrollando la teoría cuántica de campos aplicada a las partículas puntuales, en el marco de la cromodinámica cuántica, y su abrumador éxito en la descripción de la fuerza nuclear fuerte hizo que se llegara al abandono de la teoría de cuerdas.

La mayoría de los físicos de partículas pensó que la teoría de cuerdas había quedado relegada al cubo de basura de la ciencia, pero unos pocos investigadores se mantuvieron fieles a ella. Schwarz, por ejemplo, pensó que «la estructura matemática de la teoría de cuerdas era tan bella y tenía tantas propiedades milagrosas que tenía que apuntar hacia algo profundo».
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Uno de los problemas que los físicos detectaron en la teoría de cuerdas era que parecía tener una auténtica profusión de riquezas desconcertantes. Esta teoría contenía configuraciones de cuerdas vibrantes que presentaban propiedades afines a las de los gluones, lo cual daba sentido a la afirmación previa de que se trataba de una teoría de la fuerza nuclear fuerte. Pero, además de esto, contenía partículas
adicionales
que actuaban como mensajeras y no parecían tener ninguna importancia en las observaciones experimentales de la fuerza nuclear fuerte. En 1974, Schwarz y Joel Scherk, de la
Ecole Normale Supérieure
, dieron un intrépido salto adelante que transformó este vicio aparente en una virtud. Después de estudiar el rompecabezas de patrones de vibración de cuerdas cuasi mensajeras, constataron que sus propiedades encajaban perfectamente con las de la hipotética partícula mensajera de la fuerza gravitatoria: el gravitón. Aunque estos «paquetes mínimos» de la fuerza gravitatoria nunca han sido vistos, hasta ahora, los teóricos pueden predecir, con toda confianza, ciertas características básicas que deben poseer, y Scherk y Schwarz descubrieron que estas propiedades se hacían realidad de una manera exacta en ciertas configuraciones vibratorias. Basándose en esto, Scherk y Schwarz sugirieron que la teoría de cuerdas había fallado en aquel intento inicial porque los físicos habían reducido indebidamente su alcance. La teoría de cuerdas
no es
solamente una teoría de la fuerza nuclear fuerte, dijeron Scherk y Schwarz; es una teoría cuántica que también
incluye a la gravedad
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La comunidad de los físicos no recibió esta sugerencia con un gran entusiasmo. De hecho, Schwarz dice «nuestra obra fue ignorada a nivel universal».
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El camino del progreso ya estaba para entonces cubierto de numerosos intentos fallidos de unificar la gravedad y la mecánica cuántica. La teoría de cuerdas había demostrado estar equivocada en sus esfuerzos iniciales por describir la fuerza nuclear fuerte, y a muchos les parecía que no tenía sentido intentar utilizar esta teoría para perseguir un objetivo aún más amplio. Estudios posteriores llevados a cabo durante las décadas de 1970 y 1980 demostraron, de un modo todavía más desolador, que la teoría de cuerdas y la mecánica cuántica padecían sus propios conflictos sutiles. Resultó que, una vez más, la fuerza gravitatoria se resistía a incorporarse a la descripción microscópica del universo.

Así estuvieron las cosas hasta 1984. En una crucial publicación que culminaba más de doce años de intensa investigación largamente ignorada y a menudo rotundamente rechazada por la mayoría de los físicos, Green y Schwarz demostraron que el sutil conflicto cuántico que padecía la teoría de cuerdas se podía resolver. Además, también demostraron que la teoría resultante tenía suficiente envergadura para abarcar las cuatro fuerzas y todo tipo de materia. Cuando la noticia de este hallazgo se difundió entre los físicos a nivel mundial, cientos de físicos de partículas abandonaron sus proyectos de investigación para poner en marcha con todos sus recursos un asalto a lo que parecía ser el último campo de batalla teórico en la antigua búsqueda de un modo de comprender los mecanismos más profundos del universo.

Comencé la escuela graduada en la Universidad de Oxford en octubre de 1984. Aunque me hacía ilusión estar aprendiendo teoría cuántica de campos; teoría de mediciones (gauge) y relatividad general, existía entre los estudiantes graduados más antiguos una sensación ampliamente difundida de que la física de partículas tenía poco o absolutamente ningún futuro. Estaba vigente el modelo estándar y su notable éxito en la predicción de resultados experimentales indicaba que su verificación definitiva era sólo cuestión de tiempo y de algunos detalles. Ir más allá de sus límites para incluir la gravedad y, posiblemente,
explicar
los datos experimentales en los que se basaba —los 19 números correspondientes a las masas de las partículas elementales, sus cargas de fuerza, y las intensidades relativas de las fuerzas, todos ellos números que se conocen a partir de los experimentos, pero que no se comprenden teóricamente— una tarea tan desalentadora que todos, salvo los físicos más intrépidos, se echaban atrás ante semejante desafío. Sin embargo, seis meses más tarde se produjo un vuelco total en el ambiente. El éxito de Green y Schwarz fue un chorro que llegó finalmente incluso hasta los estudiantes graduados de primer curso, y la apatía anterior fue barrida por una sensación electrizante de estar viviendo desde dentro un momento decisivo en la historia de la física. Como consecuencia, varios de nosotros empezamos a trabajar todas las horas del día y de la noche en un intento de llegar a dominar las amplias áreas de física teórica y matemáticas abstractas que eran requisito indispensable para comprender la teoría de cuerdas.

El período comprendido entre 1984 y 1986 se conoce como la «primera revolución de las supercuerdas». Durante estos tres años, físicos de todo el mundo escribieron más de mil publicaciones de investigación sobre la teoría de cuerdas. Estos trabajos demostraban de forma concluyente que numerosas características del modelo estándar —características que se habían descubierto durante décadas de esmerada investigación—
emergían naturalmente
y de una manera sencilla a partir de la grandiosa estructura de la teoría de cuerdas. Como dijo Michael Green: «En el momento en que uno se encuentra ante la teoría de cuerdas y constata que casi tocas los avances importantes de la física realizados durante los últimos cien años surgen —y surgen con tanta elegancia— de un punto de partida tan simple, se da uno cuenta de que esta teoría tan increíblemente imponente es algo que no tiene parangón».
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Además, para muchas de estas características, como ya comentaremos más adelante, la teoría de cuerdas ofrece una explicación mucho más completa y satisfactoria que la que se puede hallar en el modelo estándar. Estos avances convencieron a muchos físicos de que la teoría de cuerdas estaba de lleno en camino de cumplir su promesa de ser la teoría unificada definitiva.

Sin embargo, una y otra vez, los expertos en teoría de cuerdas se encontraron con un escollo realmente importante. En la investigación física teórica, uno se encuentra a menudo confrontado con ecuaciones que son demasiado difíciles de entender o de analizar. Normalmente, los físicos no se rinden ante esta dificultad, sino que intentan resolver estas ecuaciones aproximadamente. La situación que se da en la teoría de cuerdas es aún más complicada. Tan sólo determinar cuáles son las
ecuaciones mismas
ha resultado ser tan difícil que, hasta ahora, se han deducido únicamente versiones aproximadas de las mismas. Por este motivo, la teoría de cuerdas ha quedado limitada al cálculo de soluciones aproximadas para ecuaciones aproximadas. Después de los pocos años de avance acelerado durante la primera revolución de las supercuerdas, los físicos descubrieron que las aproximaciones que se estaban utilizando no eran adecuadas para responder a determinadas cuestiones fundamentales, lo cual entorpecía la consecución de posteriores avances. Sin propuestas concretas para ir más allá de los métodos aproximados, muchos físicos que trabajaban en la teoría de cuerdas acabaron frustrados y volvieron a sus líneas de investigación anterior. Para los que siguieron trabajando en la teoría de cuerdas, los últimos años de la década de 1980 y los primeros de la de 1990 fueron tiempos difíciles. Como un valioso tesoro encerrado en una caja fuerte y visible sólo a través de una diminuta, pero tentadora, mirilla, la belleza y las promesas de la teoría de cuerdas la hacían sumamente atractiva, pero nadie tenía la llave para liberar su poder. Largos intervalos de sequía quedaban periódicamente interrumpidos por importantes descubrimientos, pero todos los que trabajaban en este campo veían claro que se necesitaban nuevos métodos para poder ir más allá de las aproximaciones que se habían realizado hasta entonces.

Fue entonces cuando, durante el congreso sobre cuerdas «Strings 1995», en una emocionante conferencia pronunciada en la Universidad del Sur de California —una conferencia que asombró a una embelesada audiencia formada por los físicos más relevantes del mundo—, Edward Witten anunció un plan para dar el siguiente paso, poniendo así en marcha la «segunda revolución de las supercuerdas». Los expertos en teoría de cuerdas están trabajando arduamente para poner a punto una serie de métodos nuevos que prometen superar los obstáculos teóricos con los que se habían encontrado anteriormente. Las dificultades que entraña este camino pondrán a prueba seriamente el potencial técnico de los expertos en teoría de las supercuerdas que trabajan actualmente en el mundo, pero puede que finalmente se esté haciendo visible la luz al final del túnel, aunque todavía quede muy distante.

En este capítulo y en varios de los capítulos siguientes, explicaremos los conocimientos sobre teoría de cuerdas que surgieron durante la primera revolución de las supercuerdas, así como los trabajos posteriores realizados con anterioridad a la segunda revolución de las supercuerdas. De vez en cuando, mencionaremos nuevos descubrimientos surgidos durante esta segunda revolución; la explicación de estos avances más recientes llegará en los capítulos 12 y 13.

Como ya hemos mencionado al principio de este capítulo y tal como se representa en la Figura 1.1, la teoría de cuerdas afirma que, si las supuestas partículas puntuales del modelo estándar se pudieran examinar con una precisión que está significativamente más allá de nuestra capacidad actual, se vería que cada una de ellas está formada por un único y diminuto bucle de cuerda que realiza oscilaciones.

Por razones que quedarán claras más adelante, la longitud de uno de estos bucles de cuerda normales es aproximadamente igual a la longitud de Planck, es decir, alrededor de cien trillones de veces (10
²⁰
) menor que el núcleo de un átomo. No es de extrañar que los experimentos actuales sean incapaces de resolver la naturaleza filamentosa microscópica de la materia: las cuerdas son diminutas incluso en relación con las escalas que se establecen para las partículas subatómicas. Necesitaríamos un acelerador que pudiera unir de golpe fragmentos de materia utilizando energías que serían algunos miles de billones de veces más potentes que las disponibles en cualquier acelerador construido hasta ahora, para poder poner de manifiesto directamente que una cuerda no es una partícula puntual.

Describiremos brevemente las asombrosas implicaciones que se producen como consecuencia de sustituir partículas puntuales por cuerdas, pero planteemos primero una cuestión más básica: ¿de qué están hechas las cuerdas?

Hay dos respuestas posibles a esta pregunta. En primer lugar, las cuerdas son verdaderamente fundamentales; son «átomos», es decir
componentes indivisibles
, en el sentido más auténtico de la palabra griega, tal como la utilizaran los antiguos griegos. Como componentes absolutamente mínimos de cualquier cosa, representan el final de la línea —la última de las muñecas rusas llamadas
matrioskas
— en las numerosas capas de subestructuras dentro del mundo microscópico. Desde este punto de vista, aunque las cuerdas tienen una extensión espacial, la cuestión de su composición no tiene ningún sentido. Si las cuerdas estuvieran hechas de algo menor que ellas mismas, no serían componentes fundamentales. En ese caso, aquello que formara las cuerdas las desplazaría inmediatamente y estaría en su derecho de ser considerado como un componente aún más básico del universo. Utilizando nuestra analogía lingüística, los párrafos están hechos de frases, las frases están hechas de palabras y las palabras están formadas por letras. ¿Qué cosa forma una letra? Desde un punto de vista lingüístico, éste es el final de la línea. Las letras son letras —son los bloques fundamentales que constituyen el lenguaje escrito; no hay ninguna subestructura más allá de ellas—. No tiene sentido cuestionarse su composición. De un modo similar, una cuerda es sencillamente una cuerda, puesto que no hay nada más fundamental, no se puede decir que esté compuesta por ninguna otra sustancia. Ésta es la primera respuesta. La segunda se basa en el simple hecho de que todavía no sabemos si la teoría de cuerdas es correcta, ni si es la teoría definitiva sobre la naturaleza. Si la teoría de cuerdas está realmente fuera de la realidad, entonces podemos olvidar las cuerdas y la cuestión irrelevante acerca de su composición. Aunque esto es una posibilidad, la investigación que se está llevando a cabo desde mediados de la década de 1980 indica de manera abrumadora que es altamente improbable. Sin embargo, la historia nos ha enseñado, desde luego, que cada vez que profundizamos en el conocimiento del universo, encontramos componentes microscópicos aún más pequeños que constituyen un nivel todavía más profundo de la materia. Además, en caso de que la teoría de cuerdas no sea la teoría definitiva, otra posibilidad es que las cuerdas sean una capa más de la cebolla cósmica, una capa que se hace visible a la escala de la longitud de Planck, aunque no sea la última capa. En este caso, las cuerdas podrían estar formadas por estructuras aún más pequeñas. Los expertos en teoría de cuerdas han planteado y continúan investigando esta posibilidad. Hasta la fecha, en algunos estudios teóricos existen indicios intrigantes de que las cuerdas podrían tener otra subestructura, pero por ahora no hay ninguna prueba definitiva de esto. Sólo el tiempo y una intensa investigación dirán la última palabra con respecto a esta cuestión.