El universo elegante (28 page)

Aparte de unas pocas especulaciones que aparecen en los capítulos 12 y 15, a efectos de la discusión que aquí vamos a realizar, planteamos las cuerdas de la manera propuesta en la primera respuesta, es decir, consideraremos que las cuerdas son los componentes más fundamentales de la materia.

Además de su incapacidad para incorporar la fuerza de la gravedad, el modelo estándar tiene otro defecto: en él no hay explicación para los detalles de su construcción. ¿Por qué eligió la naturaleza la lista concreta de partículas y fuerzas que hemos esbozado en anteriores capítulos y hemos recogido en las Tablas 1.1 y 1.2? ¿Por qué los 19 parámetros con los que se describen cuantitativamente esos componentes tienen los valores que tienen? Es imposible evitar la idea de que sus números y sus propiedades parecen arbitrarios. ¿Existe un conocimiento más profundo oculto tras esos componentes aparentemente aleatorios, y se «eligieron» como resultado del azar esas propiedades físicas del universo?

El modelo estándar por sí mismo probablemente no puede ofrecer una explicación ya que acepta la lista de las partículas y sus propiedades como
datos
medidos experimentalmente. Del mismo modo que la información bursátil no puede utilizarse para determinar el estado de la cartera de valores de un inversor sin conocer los datos de la inversión inicial que éste ha realizado, el modelo estándar tampoco se puede utilizar para realizar predicciones sin conocer los datos de las propiedades de las partículas fundamentales.
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Después de que los físicos experimentales especializados en partículas llevan a cabo la fastidiosa tarea de medir estos datos, los teóricos pueden utilizar el modelo estándar para realizar predicciones comprobables, como, por ejemplo, qué sucederá cuando unas partículas determinadas se fusionen en un acelerador de partículas. Pero el modelo estándar no puede explicar las propiedades de las partículas fundamentales que figuran en las Tablas 1.1 y 1.2, lo mismo que el índice Down-Jones de hoy no puede explicar unas inversiones iniciales en bolsa realizadas hace diez años.

De hecho, si los experimentos hubieran revelado que el mundo microscópico contiene unas partículas algo diferentes, posiblemente en interacción mediante unas fuerzas de algún modo distintas, estos cambios se habrían incorporado fácilmente al modelo estándar, dotando a la teoría de unos parámetros diferentes. La estructura del modelo estándar es, en este sentido, demasiado flexible para poder explicar las propiedades de las partículas experimentales, ya que podría haber encajado toda una gama de posibilidades.

La teoría de cuerdas es radicalmente diferente. Se trata de un edificio teórico único e inflexible. Requiere que no se introduzca como dato más que un solo número, como se explica más adelante, y este número establece la escala de referencia para las mediciones. Todas las propiedades del mundo microscópico se encuentran dentro del dominio de su poder descriptivo. Para comprender esto, pensemos en unas cuerdas que nos resultan más familiares, como son las cuerdas de un violín. Cada una de estas cuerdas puede ejecutar una enorme variedad (de hecho, un número infinito) de patrones de vibración diferentes conocidos como
resonancias
, tales como las que se representan en la Figura 6.1. Se trata de los modelos de ondas cuyos picos y senos están espaciados uniformemente y encajan perfectamente entre los dos extremos fijos de la cuerda.

Figura 6.1
Las cuerdas de un violín pueden vibrar en patrones de resonancia en los cuales un número entero de picos y senos cabe exactamente entre los dos extremos.

Nuestros oídos perciben éstos diferentes modelos resonantes de vibración como notas musicales diferenciadas. Las cuerdas de la teoría de cuerdas tienen unas propiedades similares. Hay patrones vibratorios de resonancia la cuerda puede sustentar en virtud de sus picos y senos uniformemente espaciados y que encajan perfectamente a lo largo de su extensión espacial. En la Figura 6.2 se ofrecen algunos ejemplos. He aquí el hecho crucial: del mismo modo que las diferentes pautas vibratorias de la cuerda de un violín dan lugar a diferentes notas musicales,
los diferentes patrones vibratorios de una cuerda fundamental dan lugar a diferentes masas y carga de fuerza
. Como se trata de un aspecto crucial, vamos a enunciarlo otra vez. Según la teoría de cuerdas, las propiedades de una «partícula» elemental —su masa y sus distintas cargas de fuerza— están determinadas por el modelo resonante exacto de vibración que ejecuta su cuerda interna.

Figura 6.2
En la teoría de cuerdas, los bucles pueden vibrar mediante patrones de resonancia —similares a los de las cuerdas del violín— en los que un número entero de picos y senos encaja a lo largo de su extensión espacial.

Lo más fácil es comprender esta asociación en el caso de la masa de una partícula. La energía de un patrón vibratorio concreto de una cuerda depende de su amplitud —el máximo desplazamiento entre picos y senos— y de su longitud de onda —la separación entre un pico y el siguiente—. Cuanto mayor sea la amplitud y más corta sea la longitud de onda, mayor es la energía. Esto refleja lo que podríamos suponer intuitivamente —los modelos vibratorios más frenéticos poseen más energía, mientras que los menos frenéticos poseen menos energía—. Ofrecemos un par de ejemplos en la Figura 6.3. Esto también nos resulta familiar, ya que, cuando las cuerdas de un violín se pulsan más vigorosamente, vibran de un modo más intenso, mientras que, si se pulsan con más cautela, vibran más despacio. Ahora bien, a partir de la relatividad especial sabemos que la energía y la masa son dos caras de la misma moneda: más energía significa más masa y viceversa. En este sentido, según la teoría de cuerdas, la masa de una partícula elemental está determinada por la
energía
del modelo vibratorio de su cuerda interna. Las partículas que son más pesadas tienen cuerdas internas que vibran más energéticamente, mientras que aquellas partículas que son más ligeras tienen cuerdas internas que vibran menos energéticamente.

Figura 6.3
Los patrones vibratorios más frenéticos tienen más energía que los menos frenéticos.

Dado que la masa de una partícula determina sus propiedades gravitatorias, vemos que existe una relación directa entre el modelo de vibración de la cuerda y la respuesta de la partícula ante la fuerza de la gravedad. Aunque el razonamiento correspondiente es algo más abstracto, los físicos han descubierto que existe un alineamiento similar entre otros aspectos del patrón vibratorio de una cuerda y sus propiedades con respecto a otras fuerzas. Por ejemplo, la carga eléctrica, la carga débil y la carga fuerte que transporta una cuerda concreta están determinadas por el modo exacto de vibración de dicha cuerda. Además, es aplicable exactamente la misma idea a las propias partículas mensajeras. Partículas tales como los fotones, los bosones gauge débiles y los gluones son otros modelos resonantes de vibración de cuerdas. Y, algo que es especialmente importante, entre los modelos vibratorios de las cuerdas, hay uno que encaja perfectamente con las propiedades del gravitón, lo cual permite asegurar que la gravedad es una parte integral de la teoría de cuerdas.
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Por lo tanto, vemos que, según la teoría de cuerdas, las propiedades observadas con respecto a cada partícula elemental surgen del hecho de que su cuerda interior está sometida a un patrón vibratorio de resonancia concreto. Este punto de vista difiere claramente del expuesto por los físicos antes del descubrimiento de la teoría de cuerdas; según el punto de vista anterior, las diferencias entre las partículas fundamentales se explicaban diciendo que, en efecto, cada tipo de partícula estaba «configurada por un tejido diferente». Aunque cada partícula se consideraba elemental, se pensaba que era diferente el tipo de «material» de cada una. El «material» del electrón, por ejemplo, poseía carga eléctrica negativa, mientras que el «material» del neutrino no tenía carga eléctrica. La teoría de cuerdas altera esta imagen radicalmente cuando afirma que el «material» de toda la materia y de todas las fuerzas es el
mismo
. Cada partícula elemental está formada por una sola cuerda —es decir, cada partícula individual es una cuerda individual— y todas las cuerdas son absolutamente idénticas. Las diferencias entre las distintas partículas surgen debido a que sus cuerdas respectivas están sometidas a patrones vibratorios de resonancia diferentes. Lo que se presenta como partículas elementales diferentes son en realidad las distintas «notas» que produce una cuerda fundamental. El universo —que está compuesto por un número enorme de esas cuerdas vibrantes— es algo semejante a una sinfonía cósmica.

Este panorama general muestra cómo la teoría de cuerdas ofrece un marco unificador realmente maravilloso. Cada partícula de la materia y cada transmisor de fuerza consiste en una cuerda cuyo patrón de vibración es su «huella dactilar». Dado que todo suceso, proceso o acontecimiento físico del universo se puede describir, a su nivel más elemental, en términos de fuerzas que actúan entre esos constituyentes materiales elementales, la teoría de cuerdas ofrece la promesa de una descripción única, global y unificada del universo físico: una teoría de todas las cosas.
(T.O.E.: theory of everything).

Aunque la teoría de cuerdas desplaza el concepto anterior de partículas elementales no estructuradas, el viejo lenguaje se resiste a morir, especialmente cuando proporciona una exacta descripción de la realidad hasta la más diminuta de las escalas de distancias. Siguiendo la práctica común en este medio, seguiremos utilizando la expresión «partículas elementales», aunque siempre con el significado de «lo que parecen ser partículas elementales, pero son en realidad trozos diminutos de cuerdas que están vibrando». En la sección anterior proponíamos la idea de que las masas y las cargas de fuerza de estas partículas elementales son el resultado del modo en el que sus respectivas cuerdas están vibrando. Esto nos lleva a la siguiente conclusión: si podemos desarrollar con precisión los posibles patrones vibratorios de resonancia de las cuerdas fundamentales —las «notas», por decirlo así, que pueden tocar— seremos capaces de explicar las propiedades que se han observado en las partículas elementales. En consecuencia, por primera vez, la teoría de cuerdas establece un marco para la
explicación
de las propiedades de las partículas que se detectan en la naturaleza.

Entonces, en este punto, tendríamos que «agarrar» una cuerda y «pulsarla» de todas las maneras posibles para determinar todos los patrones resonantes de vibración posibles. Si la teoría de cuerdas es correcta, tendríamos que descubrir que los patrones posibles producen exactamente las propiedades observadas para la materia y las partículas de fuerza de las Tablas 1.1 y 1.2. Desde luego, una cuerda es demasiado pequeña para que podamos realizar este experimento tan literalmente como lo describimos. En cambio, utilizando descripciones matemáticas podemos pulsar una cuerda
teóricamente
. A mediados de la década de 1980, muchos partidarios de la teoría de cuerdas creían que el análisis matemático necesario para hacer esto estaba a punto de ser capaz de explicar cada una de las propiedades del universo en su nivel más microscópico. Algunos físicos entusiastas declararon que por fin se había descubierto la T.O.E. En una visión retrospectiva, después de una década está demostrado que la euforia generada por esta creencia era prematura. La teoría de cuerdas tiene cualidades para llegar a ser una T.O.E., pero siguen existiendo ciertos obstáculos que nos impiden deducir el espectro de vibraciones de las cuerdas con la precisión necesaria para estar en condiciones de hacer una comparación con los resultados experimentales. Por consiguiente, en el momento actual no sabemos si las características fundamentales de nuestro universo, resumidas en las Tablas 1.1 y 1.2, se pueden explicar mediante la teoría de cuerdas. Como veremos en el capítulo 9, bajo ciertas hipótesis que detallaremos claramente, la teoría de cuerdas puede dar lugar a un universo con propiedades que están cualitativamente de acuerdo con los datos conocidos sobre partículas y fuerzas, pero extraer predicciones numéricas detalladas a partir de la teoría está actualmente más allá de nuestras posibilidades. Así, aunque el marco de la teoría de cuerdas, a diferencia del modelo estándar de las partículas puntuales, es
capaz
de explicar por qué las partículas y las fuerzas tienen las propiedades que tienen, hasta ahora no hemos podido deducir esta explicación. Sin embargo, lo que llama la atención es que la teoría de cuerdas es tan rica y tiene tanto alcance que, incluso aunque todavía no podamos determinar la mayoría de las propiedades con detalle, nosotros
somos
capaces de hacernos una idea sobre la enorme cantidad de fenómenos físicos nuevos que se deducen de esta teoría, como veremos en los próximos capítulos.