El universo elegante (35 page)

En segundo lugar, esta pequeñísima, pero innegable, discrepancia en sus intensidades
desaparece
si se incorpora la supersimetría. La razón es que las nuevas partículas llamadas superparejas que exige la supersimetría contribuyen a crear fluctuaciones cuánticas adicionales, y estas fluctuaciones son precisamente lo que hace falta para dar un codazo suave a las intensidades de las fuerzas, de tal manera que converjan unas con otras.

Para muchos físicos, es extremadamente difícil creer que la naturaleza elija las fuerzas de tal modo que tengan unas intensidades que
casi
, pero no del todo, se unifican microscópicamente —es decir, microscópicamente llegan a ser iguales—. Es como poner juntas las piezas de un puzle en el que la última pieza es ligeramente imperfecta, por lo que no encajará limpiamente en la posición que le corresponde. La supersimetría diestramente refina su forma de tal modo que todas las piezas ajustan con firmeza en su lugar.

Otro aspecto de esta última constatación es que proporciona una posible respuesta a la pregunta: ¿por qué no hemos descubierto ninguna de estas partículas llamadas superparejas? Los cálculos que llevan a la convergencia de las intensidades de las fuerzas, así como otras consideraciones estudiadas por algunos físicos, indican que las superparejas deben ser bastante más pesadas que las partículas conocidas. Aunque no se puede hacer predicciones definitivas, algunos estudios indican que las superparejas podrían tener mil veces más masa que un protón, o quizá sean aún más pesadas. El hecho de que nuestros más modernos aceleradores de partículas aún no puedan conseguir tales energías aporta una explicación de la causa por la cual estas partículas no se han descubierto por ahora. En el capítulo 9, volveremos a una discusión sobre las expectativas para determinar experimentalmente en un futuro cercano si la supersimetría es verdaderamente una propiedad de nuestro mundo.

Por supuesto, las razones que hemos dado para creer en la supersimetría —o, al menos, no descartar su existencia— están lejos de ser irrefutables. Hemos explicado cómo la supersimetría eleva nuestras teorías a su forma más simétrica, pero alguien podría decir que el universo no tiene ningún interés por alcanzar la forma más simétrica que sea matemáticamente posible. Hemos destacado como una importante cuestión técnica que la supersimetría nos libra de la delicada tarea de ajustar los parámetros numéricos en el modelo estándar para evitar sutiles problemas cuánticos, pero se podría alegar que la verdadera teoría que describa algún día la naturaleza podría muy probablemente atravesar el estrecho límite existente entre la autoconsistencia y la autodestrucción. Hemos comentado de qué modo la supersimetría modifica las intensidades intrínsecas de las tres fuerzas no gravitatorias a distancias muy pequeñas justo de la manera adecuada para que se fusionen en una gran fuerza unificada —pero, una vez más, se podría alegar que nada en el diseño de la naturaleza exige que estas intensidades de las fuerzas deban coincidir de manera exacta a escalas microscópicas—. Finalmente, también se podría argumentar que una explicación más sencilla de por qué nunca se han encontrado las partículas llamadas superparejas es que nuestro universo no es supersimétrico y, por consiguiente, las superparejas no existen.

Nadie puede refutar ninguna de estas respuestas. Sin embargo, la posición defensora de la supersimetría se refuerza enormemente cuando consideramos el papel que desempeña esta simetría en la teoría de cuerdas.

La teoría de cuerdas original que surgió a partir de los trabajos de Veneziano a finales de la década de 1960 incluía todas las simetrías que hemos comentado al principio de este capítulo, pero no incluía la supersimetría (que no se había descubierto todavía). Esta primera teoría basada en el concepto de cuerda se llamaba concretamente la
teoría de cuerdas bosónicas
. La palabra
bosónica
indica que todos los patrones vibratorios de la cuerda bosónica tienen valores de espín que son números enteros —no existen patrones fermiónicos, es decir, no hay patrones cuyos valores de espín difieran de un número entero en media unidad—. Esto originó dos problemas.

Primero, si la teoría de cuerdas tenía que describir todo tipo de fuerzas y todo tipo de materia, de algún modo tendría que incluir patrones vibratorios fermiónicos, ya que las partículas de materia conocidas tienen todas espín–½. El segundo problema, mucho más preocupante, era la constatación de que había un patrón de vibración en la teoría de cuerdas bosónicas cuya masa (más precisamente, el cuadrado de su masa) era
negativa
: el llamado
taquión
. Incluso antes de aparecer la teoría de cuerdas, algunos físicos habían estudiado la posibilidad de que nuestro universo pudiera contener taquiones, además de las partículas más conocidas que tienen todas ellas masas positivas, pero mediante sus esfuerzos demostraron que es difícil, si no imposible, para una teoría así ser lógicamente sensata. De un modo similar, en el contexto de la teoría de cuerdas bosónicas, los físicos intentaron todo tipo de piruetas para comprender el sentido de la extraña predicción relativa al patrón vibratorio del taquión, pero fue en vano. Todo esto fue dejando cada vez más claro que, aunque se trataba de una teoría interesante, a la cuerda bosónica le faltaba algo esencial.

En 1971, Pierre Ramond, de la Universidad de Florida, aceptó el desafío de modificar la teoría de cuerdas bosónicas para incluir patrones vibratorios fermiónicos. Mediante su trabajo y otros resultados subsiguientes de Schwarz y André Neveu, comenzó a surgir una nueva versión de la teoría de cuerdas. Ante la sorpresa de todos, resultó que los patrones de vibración bosónicos y fermiónicos de esta nueva teoría parecían venir en pares. Por cada patrón bosónico había un patrón fermiónico y viceversa. En 1977, con las ideas de Ferdinando Gliozzi de la Universidad de Turín, Scherk, y David Olive del
Imperial College
surgió una explicación adecuada de este emparejamiento. La nueva teoría de cuerdas incluía la supersimetría, y el emparejamiento que se observaba de patrones vibratorios bosónicos y fermiónicos reflejaba este carácter altamente simétrico. La teoría de cuerdas supersimétrica —es decir, la teoría de supercuerdas— había nacido. Además, la obra de Gliozzi, Scherk y Olive tuvo otro resultado crucial: demostraban que la problemática vibración del taquión en la teoría de las cuerdas bosónicas no afecta a la supercuerda. Lentamente, las piezas del rompecabezas de las cuerdas iban encajando cada una en su sitio.

Sin embargo, el importante impacto inicial de la obra de Ramond, y también de Neveu y Schwarz, no se produjo realmente en la teoría de cuerdas. En 1973, los físicos Julius Wess y Bruno Zumino constataron que la supersimetría —la nueva simetría que surgía de la reformulación de la teoría de cuerdas— era también aplicable a teorías basadas en partículas puntuales. Rápidamente empezaron a dar pasos agigantados hacia la incorporación de la supersimetría en el marco de la teoría cuántica de campos con partículas puntuales. A partir de entonces, en aquellos tiempos, la teoría cuántica de campos fue el afán más importante de la elite de la comunidad física de partículas —la teoría de cuerdas se volvía cada vez más un tema al margen—. Las ideas de Wess y Zumino pusieron en marcha una enorme cantidad de investigaciones posteriores sobre lo que se ha llegado a llamar
teoría de campos cuánticos supersimétrica
. El modelo estándar supersimétrico, que ya comentamos en la sección anterior, es uno de los logros teóricos principales de estas investigaciones; ahora vemos que, a través de vueltas y giros históricos, incluso esta teoría de las partículas puntuales tiene una gran deuda contraída con la teoría de cuerdas.

Con el resurgimiento de la teoría de las supercuerdas a mediados de la década de 1980, la supersimetría ha vuelto a emerger en el contexto en que fue descubierta originalmente. En este marco, la defensa de la supersimetría va mucho más allá de lo presentado en la sección anterior. La teoría de cuerdas es la única vía que conocemos para realizar la fusión de la relatividad general y la mecánica cuántica. Pero solamente la versión supersimétrica de la teoría de cuerdas evita el pernicioso problema del taquión y, además, posee patrones vibratorios fermiónicos que pueden explicar las partículas de materia que forman nuestro entorno. Por lo tanto, la supersimetría va a la par con la propuesta que plantea la teoría de cuerdas en relación con una teoría cuántica de la gravedad, así como con su gran aspiración de unificar todas las fuerzas y toda la materia. Si la teoría de cuerdas es correcta, los físicos esperan que también lo sea la supersimetría.

Sin embargo, hasta mediados de la década de 1990, una cuestión especialmente preocupante afectaba a la teoría supersimétrica de cuerdas.

Si alguien le dice que ha resuelto el misterio del destino de Amelia Earhart (famosa aviadora cuyo aeroplano desapareció misteriosamente en 1937, cuando sobrevolaba el océano Pacífico), puede que usted se sienta escéptico al principio, pero si le presentan una explicación bien documentada y minuciosamente meditada, probablemente les escuche y, quién sabe, hasta podrían incluso convencerle. Pero ¿qué pasaría si a continuación le dicen que en realidad tienen también una segunda explicación? Usted les escucha pacientemente y se sorprende al descubrir que la explicación alternativa está igual de bien documentada y meditada que la primera. Luego, después de terminar la segunda explicación, le presentan una tercera, una cuarta e incluso una quinta explicación —cada una de ellas diferente de las otras, pero igual de convincente—. Sin duda, al final de esta experiencia, usted no se sentirá más cerca de conocer el auténtico destino de Amelia Earhart que al principio. En el terreno de las explicaciones fundamentales, dar de más significa definitivamente dar menos.

En 1985, la teoría de cuerdas —a pesar de la justificada expectación que estaba generando— empezaba a sonar como nuestro excesivamente prolífico experto en los asuntos de Amelia Earhart. La razón de esto es que en 1985 algunos físicos constataron que la supersimetría, que entonces era un elemento central en la estructura de la teoría de cuerdas, realmente podía incorporarse a dicha teoría, no de una sola manera, sino de
cinco
maneras diferentes. Cada método produce un emparejamiento de patrones vibratorios bosónicos y fermiónicos, pero los detalles de este emparejamiento, así como gran número de propiedades de las teorías resultantes, difieren sustancialmente. Aunque sus nombres no son todos ellos tan importantes, vale la pena recordar que esas cinco teorías supersimétricas se llaman la
Teoría Tipo I
, la
Teoría Tipo IIA
, la
Teoría Tipo IIB
, la
Teoría Tipo Heterótico O(32)
(que se pronuncia «o-treinta y dos»), y la
Teoría Tipo Heterótico E
₈
× E
₈
(que se pronuncia «e sub ocho por e sub ocho»). Todas las características de la teoría de cuerdas que hemos discutido hasta este momento son válidas para cada una de estas teorías; sólo difieren en los detalles más pequeños.

El hecho de tener cinco versiones diferentes de lo que supuestamente es la teoría del todo (T.O.E.:
theory of everything
) —posiblemente la teoría unificada definitiva— causó bastante confusión entre los expertos en teoría de cuerdas. Del mismo modo que sólo existe una explicación verdadera para lo que le haya sucedido a Amelia Earhart (la encontremos o no), esperamos que exista una única versión verdadera para la explicación más profunda y fundamental del funcionamiento del mundo. Vivimos en un solo universo, por lo tanto esperamos una sola explicación.

Una sugerencia para resolver este problema podría ser que, aunque existan cinco teorías diferentes de las supercuerdas, cuatro podrían quizá ser descartadas por la vía experimental, con lo que quedaría un único marco relevante para la explicación. Sin embargo, incluso si fuera el caso, nos quedaría aún esa molesta pregunta sobre cuál es la razón por la que existen las otras teorías. Como dijo Witten, con bastante ironía: «Si sólo una de las teorías describe nuestro universo, ¿quién vive en los otros cuatro?»
^[55]
El sueño del físico es que la búsqueda de las respuestas definitivas conduzca a una conclusión única y absolutamente inevitable. Lo ideal es que la teoría final —ya se trate de la teoría de cuerdas o de alguna otra— sea de un modo determinado, sencillamente porque no haya otra posibilidad. Muchos piensan que, si descubriéramos que existe una única teoría lógicamente sólida que incluye los ingredientes básicos de la relatividad y de la mecánica cuántica, habríamos logrado la explicación más profunda de por qué el universo tiene las propiedades que tiene. Resumiendo, sería el paraíso de la teoría unificada.
^[56]

Como veremos en el capítulo 12, las investigaciones más recientes han dado un paso gigantesco para acercar la teoría de las supercuerdas a esta utopía unificada demostrando que las cinco teorías diferentes son en realidad cinco modos diferentes de describir
una y sólo una teoría global
. La teoría de las supercuerdas es la única que
tiene
un buen árbol genealógico.

Parece que las cosas van encajando, pero, como veremos en el próximo capítulo, la unificación a través de la teoría de cuerdas requiere un punto de partida más significativo desde los conocimientos convencionales.

E
instein resolvió dos de los conflictos científicos importantes de los últimos cien años mediante la relatividad especial y la relatividad general. Aunque los problemas iniciales que motivaron su obra no presagiaban los resultados, cada una de estas resoluciones transformaron completamente nuestro modo de conocer el espacio y el tiempo. La teoría de cuerdas resuelve el tercer conflicto científico importante del siglo pasado y, de una manera que incluso Einstein habría considerado extraordinaria, requiere que sometamos nuestros conceptos de espacio y tiempo, de nuevo, a otra revisión radical. La teoría de cuerdas sacude de pies a cabeza los fundamentos de la física moderna, hasta tal punto que incluso el número de dimensiones aceptado hasta ahora para nuestro universo —algo tan básico que se podría pensar que estaba más allá de todo cuestionamiento— se viene abajo de un modo radical y, al mismo tiempo, convincente.