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La teoría de cuerdas: ¿una manera de comprender la realidad?

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por Julio García. La “realidad” que percibimos a través de los sentidos está plagada de información, la cual codificamos y decodificamos a través de nuestros cerebros. Gracias a esta información es posible crearnos una representación del mundo y de los objetos. ¿Pero qué tiene que ver la información con el mundo de la teoría de cuerdas?

Esta teoría afirma, en términos generales, que las partículas, que son aparentemente puntuales, son en realidad estados vibratorios de un objeto llamado cuerda o filamento. En otras palabras, la información que nos transmite la teoría de cuerdas se produce en estados vibratorios específicos que son imposibles de percibir mediante los sentidos. De hecho nadie, hasta ahora, ha podido comprobar empíricamente esta teoría, la cual fue formulada por Joel Scherk y John Henry Schwarz en 1974. En su trabajo, estos dos físicos intentaron demostrar que “una teoría basada en objetos unidmensionales o cuerdas, en lugar de partículas puntuales, podía describir la fuerza de gravedad”.

Hasta ahora no existe una teoría que explique por qué hay gravedad. Se habla de que esta podría estar hecha de una partícula llamada gravitón, el cual funcionaría como el fotón a la fuerza electromagnética. Recordemos que la luz se transmite a través de pequeños cuantos de luz o partículas discretas.

Fue Albert Einstein que en 1915 propuso una teoría para intentar explicar el tema de la gravedad. Propuso que entre más masivo es un cuerpo, mayor curvatura produce en el tejido del espacio tiempo. El espacio-tiempo debe ser entendido como un conjunto de dimensiones, tres de espacio y una de tiempo, que convergen y se afectan unas a las otras. A mayor peso, mayor curvatura y, por ende, mayor fuerza de gravedad. Pero esta teoría no explica qué es la fuerza de gravedad o cuál es su esencia.

Para ello, en 1974, tanto Scherk com o Schwarz, trataron de explicarla a través de la teoría de cuerdas pero sin llegar a una conclusión definitiva. Las ideas fundamentales de estos dos físicos son las siguiente:

Los objetos básicos de la teoría no serían partículas puntuales sino objetos unidimensionales extendidos. A estos objetos unidemensionales extendidos les llamaron cuerdas por sus características matemáticas.

2.  El espacio tiempo en el que se mueven las cuerdas de la teoría no sería el espacio-tiempo ordinario de cuatro dimensiones sino un espacio de tipo Kaluza-Klein, en el que, a las cuatro dimensiones convencionales, se le añaden 6 dimensiones.

De acuerdo con esta perspectiva, las partículas puntuales pasan a ser objetos de una sola dimensión que vive en 10 dimensiones. En la vida real, esto es imposible de observar y mucho menos imaginar.

Las dimensiones extras a las que nos estamos refiriendo son prácticamente imposible de cuantificarlas ya que actúan a longitudes de Planck. Estas longitudes son más pequeñas que un átomo y nos lleva a preguntarnos cómo es el universo de lo muy pequeño.

Por otro lado, a la teoría de cuerdas se le ha llamado también teoría de las supercuerdas. En este sentido, existe una teoría supersimétrica que incluye fermiones y bosones. Los fermiones son partículas que tienen espín semi entero (1/2, 3/2, etc.) y entre ellos podemos mencionar a los quarks y los leptones. Los fermiones son los constituyentes básicos de la materia e interactúan entre ellos gracias a los bosones. Digamos que los bosones son las partículas que hacen interactuar a los fermiones.

Para darle un mayor sentido a la teoría de cuerdas los científicos le han dado el rango de supercuerdas para poder encajar con la teoría supersimétrica. Cuando decimos que algo es supersimétrico significa que sus características van más allá de la simetría. Cuando algo es simétrico es que ese algo, esa entidad, tiene las mismas características aunque las condiciones de su entorno cambien, por lo que permanecerá siempre igual.

Como hemos dicho, hasta el momento no se ha comprobado empíricamente la teoría de cuerdas. Sigue siendo un constructo teórico que busca responder a preguntas tan importantes y fundamentales como: ¿por qué la materia es como es y no de otra manera? ¿Por qué los átomos tienen las características que tienen y no manifiestan otras características? ¿Realmente existen otras dimensiones más allá de las cuatro que conocemos que son absolutamente inalcanzables a los instrumentos de observación con los que hoy contamos?

Las respuestas a estas interrogantes podrán llegar a través de los aceleradores de partículas como el gran Acelerador de Partículas de Ginebra, Suiza, el cual funciona gracias los investigadores del CERN. Lo que hace el acelerador, a grandes rasgos, es producir choques  de las partículas subatómicas, como protones, con la finalidad de encontrar en esos choques partículas aún más pequeñas y fundamentales. Una forma de representar este choque, es imaginando dos bolas de billar que son aceleradas a casi la velocidad de la luz. El resultado de esta colisión produce una cantidad determinada de energía, que el acelerador mide, y que nos muestra partículas aún más pequeñas y cada vez más energéticas. Hay un límite en la cantidad de energía a la que podemos llegar y que tiene que ver con la llamada longitud de Planck a la que nos hemos referido ya en párrafos anteriores.

En fin… solo nos queda esperar y comprobar que la teoría de cuerdas o es tan solo un invento de seres humanos que tratan de explicar la realidad a toda costa o es una herramienta con la que podremos comprender de una vez por todas como es que está estructurada la naturaleza. Nos queda mucho aprender y también mucho camino por recorrer.

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¿Por qué las partículas no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo?

Quantum-Gravity

por Julio García.

Existe un principio de exclusión en la mecánica cuántica que afirma que es imposible que dos electrones en un átomo puedan tener la misma energía, el mismo lugar, e idénticos números cuánticos. En otras palabras, es imposible que existen dos cosas en un mismo lugar. Gracias a este principio, los objetos existen tal y como son.

¿Pero quién fue la persona encargada de dar a conocer por primera vez este principio?

El físico encargado de hacerlo se llama Wolfgang Ernst Pauli, quien nació en Viena el 25 de abril de 1900. En 1918 se licenció en física y en 1921 logró su doctorado, también en física, a partir de un artículo sobre la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.

Pauli, Wolfgang (1900-1958)
El físico Wolfgang Pauli.

Para comprender mejor el principio de exclusión debemos decir que en la realidad, al menos aquella que podemos observar, existen dos tipos de partículas: los fermiones y los bosones. Los primeros se caracterizan por tener espín semientero (1/2, 2/3… etc.). Cuando nos referimos a la palabra spín estamos hablando del giro que tienen todas las partículas (imaginemos a una bailarina que gira sobre su propio eje pero a diferentes velocidades). Los fermiones están divididos a su vez en quarks y leptones: los quarks son las partículas que forman el núcleo de los átomos y los leptones a los electrones que giran en del núcelo atómico.  Hay que decir que toda la materia con la que interactuamos (desde los elementos químicos más básicos, hasta las galaxias más grandes) están formadas por quarks y leptones

Por el contrario, los bosones tienen un espín entero (0,1,2…etc.) y no cumplen con  el principio de exclusión de Paoli (los bosones pueden estar en dos lugares a la vez al mismo tiempo, al contrario de lo que sucede con los fermiones, como ya hemos señalado).

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El físico Peter Higgs recibiendo el Premio Nobel de Física.

En este sentido, la ciencia está llena de teorías que muchas veces tienen que ser desechadas cuando se les contrasta con la realidad. Pero en el caso del bosón de Higgs esto no sucedió. Su existencia ha sido demostrada gracias al Acelerador de Partículas que se encuentra en el CERN de Ginebra, Suiza. El esperado anuncio se hizo el 4 de Julio de 2012 y para 8 de octubre de 2013 Peter Higgs, junto con François Englert, recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

En resumen, el campo de Higgs debe ser considero como un campo que llena todo el vacío. La presencia de masa es el resultado de la interacción de las partículas elementales con este campo vacío. En este sentido el campo de Higgs podría ser tan importante como la curvatura del espacio-tiempo que es la que al fin y al cabo produce la gravedad. Recordemos que Albert Einstein propuso en 1915 que entre más masivo es un cuerpo, mayor es la curvatura que produce en el espacio-tiempo el cual puede ser imaginado como una gran cama elástica que se deforma por la presencia de la masa que producen los cuerpos masivos tal es como las estrellas, los planetas y las galaxias.

¿Por qué los átomos de la materia no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo?

Existen dos tipos de partículas en la naturaleza: los fermiones y los bosones. Los primeros son partículas que pueden interactuar unas con otras. Gracias a estas partículas es posible formar la materia de la que estamos constituidos usted y yo. En cambio, los bosones son partículas que no interactúan fácilmente con la materia pero que resultan fundamentales para portar la fuerza con la que interactúan los fermiones.

En este audio nos referimos al Principio de Exclusión de Paoli, propuesto por el físico Wolfang Pauli en 1925, que establece que no puede haber dos fermiones en el mismo lugar. En otras palabras, que no puede haber dos átomos de materia en el mismo sitio al mismo tiempo.

La grabación fue transmitida en directo en 2009, dentro del programa Mar Oberta conducido por el periodista Alfonso Sanfeliú desde Valencia, España. Las explicaciones son de Julio García.