LA MÚSICA DEL UNIVERSO

UN VIAJE HACIA LA TEORÍA DE CUERDAS

3. Fuerza nuclear fuerte: En el núcleo de los átomos, uno de los protagonistas es la fuerza nuclear fuerte, la cual se encarga de mantener los protones y neutrones unidos. Y la otra fuerza principal es la conocida como

4. Fuerza nuclear débil: La cual permite que los protones se conviertan en neutrones, emitiendo un electrón durante el proceso.

Una sencilla imagen de un átomo nos ayuda con esto, aunque hablaremos de los átomos en profundidad más adelante:

Vemos el núcleo del átomo, formado por neutrones (sin carga eléctrica, de ahí lo de “neutro”), junto a los protones (con carga positiva) y, alrededor del núcleo, orbitando, los electrones (con carga negativa).

A día de hoy, ¿qué teorías explican lo que sabemos del Universo?

Es evidente que tanto el descubrimiento como la comprensión del funcionamiento de estas cuatro fuerzas no se produjo de la noche a la mañana; desde la manzana cayendo al suelo de Isaac Newton hasta lo que se conoce actualmente sobre la fuerza de la gravedad, los avances han sido de una magnitud asombrosa.

Es por esto que, para comprender el funcionamiento de esas “fuerzas misteriosas”, lo que se ha ido elaborando a lo largo del tiempo han sido “teorías”, destacando dos de ellas, una que trata de elementos enormes como planetas, trayectorias espaciales, y otra que trata de lo más pequeño, de las partículas que forman la materia.

Por una parte, la que trata de lo más grande, es una de las más importantes hoy en día en el marco de la ciencia; nos referimos a la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, la cual explica cómo la gravedad moldea el Universo a gran escala (es decir, cómo y por qué el Universo está colocado tal y como lo conocemos), identificando el movimiento y las órbitas de planetas y galaxias atendiendo a cómo se sienten atraídos unos elementos por otros en función de su masa.

Por otra parte, y refiriéndonos a lo más pequeño, se tiene como principal referencia la Teoría del Modelo Estándar de la Física de Partículas, la cual describe las fuerzas internas y la estructura fundamental de la materia y el vacío a escala subatómica.

Sepamos un poco de ambas teorías a continuación.

---Relatividad General:

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 del cuadrado de la distancia que los separa y de la masa de cada uno de ellos. (La fórmula que está a la derecha en la imagen).

Basado en esta idea de que la gravedad es una fuerza invisible, Isaac Newton ideó un modelo matemático que predecía el movimiento de los planetas con una precisión sin precedentes. Dicho modelo fue publicado el 5 de julio de 1687 en su obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principios matemáticos de la filosofía natural).

Pero, con el tiempo, a medida que los instrumentos astronómicos mejoraron, aparecieron algunos fenómenos que las fórmulas de Newton no sólo no podían predecir, sino tampoco explicar, como por ejemplo el comportamiento de la órbita de Mercurio (planeta más cercano al Sol). Eso no desvirtuaba el modelo, sino que simplemente se entendía que necesitaba o mejorar su fundamento, o reformularlo, o buscar una nueva teoría que sí diese respuestas a todas las singularidades.

Cuando los astrónomos usaron la fórmula de Newton para calcular su órbita alrededor del Sol -y su posición aparente en el cielo, visto desde la Tierra- y compararon esos cálculos con las observaciones, encontraron que eran casi iguales, pero había una pequeña diferencia en la posición real de Mercurio.

Cada año parecía cambiar su posición un ángulo muy pequeño, de 5,75 segundos de arco (el ángulo con el que se vería una moneda de 1 euro a un km de distancia). Y aunque fuera un error en cálculo ciertamente pequeño, era un error muy importante, pues denotaba que alguna variable se estaba escapando.

Por este motivo, llegó un momento en que los científicos tuvieron que aceptar que, por muy útil que hubiera sido hasta el momento, el modelo de Newton no se ajustaba del todo a la realidad, por lo que se seguiría utilizando como válido hasta que apareciese otro que diera respuesta a esa singularidad de la órbita de Mercurio.

A principios del siglo XX apareció Albert 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 la masa de los objetos que contiene. Cuanto más masivo es un objeto, mayor es la distorsión que provoca y más intenso es su campo gravitatorio. Habrán visto mil veces el ejemplo en el que se representa el espacio como una malla elástica (tejido espacio-tiempo) y cada objeto en movimiento sobre la misma va distorsionando la superficie de ésta en función de su masa, distorsionando más aquel objeto que más masa tiene y a la inversa.

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 abarca su campo gravitatorio.

También hay que tener en cuenta que el espacio no es una malla bidimensional como un mantel.

Como vivimos en un espacio de tres dimensiones + el tiempo, la perturbación del espacio-tiempo provocada por la masa de un cuerpo celeste se produce en cuatro dimensiones (las tres del espacio X, Y, Z, es decir, altura, anchura y profundidad, + la dimensión T o tiempo), y no se puede visualizar simplemente como una depresión sobre un plano. En realidad, esa deformación del espacio tridimensional sería algo similar a la imagen de la derecha.

La cuestión es que, con el tiempo, las observaciones demostraron que el modelo de Einstein describía con exactitud todo lo que no conseguía predecir el de Newton (incluyendo el de la órbita de Mercurio). Por tanto, la gravedad ya no era una fuerza invisible y esa extraña idea de que espacio y tiempo forman parte de un mismo fenómeno y que el ritmo al que transcurre el tiempo no tiene por qué ser constante tenía que ser correcta y, a día de hoy, sigue siendo el modelo que mejor explica la gravedad.

Una historia muy emotiva. Pero, ¿qué tiene que ver todo esto con la teoría de cuerdas? Paciencia, que ahora toca explicar un poco la otra teoría, la que habla de lo más pequeño, el Modelo de la Física de Partículas y algunos conceptos que hemos escuchado más de una vez como el de la “Materia Oscura”; a la teoría de cuerdas ya llegaremos más adelante, pero vamos bien.

---Modelo estándar de la Física de partículas:

Cuando no hablamos simplemente de los átomos como unidades básicas, sino que hablamos de los elementos que componen esos átomos, entonces nos encontramos en esa “escala subatómica”.

Es obvio que los científicos intenten descubrir cuáles son los “ingredientes” que forman la materia y el Universo, por eso intentan identificarlos como las partículas más pequeñas posibles.

A modo de ejemplo, una hogaza de pan sería el átomo, y para entender cómo está hecho, tendríamos que entrar en la escala subatómica del pan, es decir, estaríamos hablando de la harina, la levadura, el agua, la sal y demás elementos que lo forman, además de entender en qué proporciones se mezclan, cuánto tiempo, a qué velocidad y temperatura y demás, para dar lugar a ese pan.

Cabría también preguntarse: ¿por qué entra “el vacío” dentro de la física de partículas? Pues para responder a esto, es necesario recordar que partimos de la teoría del “Big Bang” como origen del Universo, la cual postula que “en el inicio, toda la materia del Universo estaba concentrada en un punto”, y en un momento “0” explotó dando lugar a un Universo en expansión compuesto de miles de millones de estrellas y galaxias.

Big Bang - Crédito Quora

Evidentemente, creer en esto tal y como se explica y teniendo nosotros como referencia las leyes de la física, responde a un acto más bien de fe que de otra cosa, si bien es cierto que, para que nos podamos mover en términos más o menos comprensibles, todo ha de tener un principio y un final. Por tanto, si consideramos que el inicio pudo ser así, quiere decir que “el vacío” forma parte de la materia del Universo.

Es decir, “la nada” no existe, puesto que hasta el vacío es algo.

De hecho, ese vacío, tal y como nosotros lo entendemos, está formado por “Materia Oscura” (que representa el 26,8% del Universo) y “Energía Oscura” (que representa el 68,3% del mismo), siendo por tanto la masa visible (llamada materia bariónica) la compuesta de estrellas, planetas y demás elementos cósmicos, tan sólo el 4,9%.

¿Qué es la Materia Oscura? Es un tipo de materia que está en movimiento pero que no se ve. Su existencia se puede deducir a través del efecto que tiene la misma en la gravedad de las estrellas y las galaxias.

Este tipo de materia adquiere su nombre no porque sea de ningún color o tonalidad, sino simplemente porque dicha materia no emite ningún tipo de radiación electromagnética, como lo hace la luz. La imagen es una representación ilustrativa del Huracán de Materia Oscura denominado “S1”, publicada por la revista científica Physical Review D, donde las partículas viajan a 500 km por segundo.

¿Qué es la Energía Oscura? Aquí va una breve explicación. El Universo está en expansión desde el Big Bang, es decir, todo se está alejando de todo, estrellas, galaxias, etc. Al mismo tiempo, las galaxias ejercen una fuerza de gravedad entre sí mismas que impide que salgan disparadas en esa expansión. Eso sí, se sabe desde hace veinte años que el Universo se está expandiendo cada vez a mayor velocidad. Para que esto suceda según las leyes físicas que conocemos, hace falta algo que lo esté acelerando, alguna “fuerza misteriosa”. A lo que genera esa fuerza se le llama “Energía Oscura”. De ahí la predicción de que el Universo, a medida que sus galaxias se alejen entre sí y se vayan apagando, terminará en una nada fría y oscura.

¿Y por qué es tan importante el Modelo de la Física de Partículas? Pues muy sencillo, porque es capaz de unir dentro del mismo a tres de las cuatro fuerzas que rigen el Universo como vimos antes: la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil; aunque la gravedad, de momento, no encaja.

Es decir, que se ha encontrado la causa fundamental y común, que se manifiesta en estas tres fuerzas distintas, y en este caso, lo que resulta común entre esas tres fuerzas son unas partículas fundamentales llamadas bosones que transmiten estas fuerzas entre una partícula y otra. (Ya veremos eso de los bosones más adelante).

Tan sólo faltaría ser capaces de conjugar en la misma teoría también la gravedad, para obtener lo más ansiado de la comunidad científica, una teoría que lo unifique todo bajo un mismo modelo, lo que se conoce como “La Teoría del Todo”, parte fundamental del trabajo del profesor Stephen Hawking; por cierto, título de la extraordinaria película realizada en 2014 sobre la vida de tan extraordinario ser humano.

Vale; y ahora, ¿qué se necesita para poder formular una teoría sobre el universo?

Toda teoría tiene un fundamento teórico, un pensamiento o idea que la sustenta, un planteamiento profundo, que para ser válido ha de permitir predecir con exactitud qué va a pasar y que esa predicción se cumpla siempre, y para eso se necesita poder demostrar esa teoría a través de un modelo matemático, ya que las matemáticas son por una parte un lenguaje universal, y por otra, son las que trazan los caminos que pueden ser verificados en cada paso del proceso y que pueden recorrerse de igual manera una y otra vez (es decir, 5 x 5 siempre serán 25, independientemente de quién o cuándo se realice la multiplicación).

Ese modelo matemático nos permitirá saber, por ejemplo, en qué momento un objeto con masa “x” se encontrará en un punto en concreto del espacio, sabiendo que es atraído por una estrella, la cual posee una masa “y”.

Es por esto que toda la física teórica se desarrolla no sólo con bellas ideas, sino con un modelo matemático complejo que lo sustenta, y de ahí todas esas pizarras llenas de fórmulas que hemos visto en muchas películas. A modo de ejemplo:

Una vez visto todo esto, vamos a viajar hacia lo más pequeño, es decir, hacia el mundo cuántico. Vamos a ver cómo hemos ido descubriendo cada vez partículas o elementos más y más diminutos. La idea básica es que para poder entender cómo funcionan las cosas, debemos saber de qué están hechas; en otras palabras, debemos saber cuáles son las partículas elementales que las forman.

Vamos a verlo. Empezamos desde algo “grande”, que es lo que manejábamos inicialmente.

Al principio, los elementos fundamentales eran cuatro.

Estos cuatro elementos fueron los propios de la cultura occidental, y aunque simples, resultaron fundamentales para determinar por ejemplo, posteriormente, los estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso, así como el concepto de combustión.

-Agua.

-Aire.

-Fuego.

-Tierra.

Ni que decir tiene que estos elementos estaban en cierto modo condicionados por la presencia del sol, por lo que en muchos casos podemos encontrar representaciones de dichos elementos de este tipo.

En el caso de la cultura occidental, concretamente en India y Japón, a los cuatro elementos principales de la naturaleza añadieron uno más.

El Éter, también llamado quintaesencia, o quinto elemento, es el material que llena la región del Universo por encima de la esfera terrestre. El concepto de éter fue utilizado en varias teorías para explicar varios fenómenos naturales, como el movimiento de la luz y la gravedad. A finales del siglo XIX, los físicos postularon que el éter permeaba todo el espacio, proporcionando un medio a través del cual la luz podía viajar en el vacío.

China, por su parte, a los elementos fundamentales añadía dos más, el metal y la madera. Estos elementos son todavía usados en la medicina china tradicional y son entendidos más como diferentes tipos de energía.

No fue hasta el 6 de marzo de 1869 (s. XIX) que apareció la primera Tabla Periódica de Elementos. En San Petersburgo (Rusia), el químico Dmitri Mendeléyev, presenta una primera versión de su tabla periódica de elementos ante la Sociedad Química de Rusia. En ella aparecen los 63 elementos conocidos en esa época en orden creciente de peso atómico. (Explico lo que es el peso atómico más adelante).

A la hora de ordenar y colocar los diferentes elementos, fue tal la seguridad en sus deducciones, que dejó espacios en blanco para los elementos que aún no habían sido descubiertos, pero que según su lógica debían existir en el Universo. Y no se equivocó: la tabla ha sido completada con nuevos elementos hasta nuestra fecha, en que está formada por 118.

Como curiosidad, diré que no todos los elementos de la tabla periódica están presentes en la naturaleza, sino que muchos de ellos han sido “creados”, o sintetizados en laboratorio. El 28 de noviembre de 2016 se introdujeron los últimos elementos de este tipo por la IUPAC, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada.

Los primeros 94 elementos existen naturalmente, aunque algunos sólo se han encontrado en cantidades pequeñas.

Los elementos del 95 al 118 existen tan sólo al haber sido sintetizados en laboratorios. Si bien es cierto que los elementos del 95 al 100 existieron en la naturaleza en tiempos pasados, pero actualmente no.

De todos ellos, los cuatro elementos comunes a todos los organismos vivos son oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N), que en conjunto forman alrededor del 96% del cuerpo humano.

Muy bien, hemos llegado a los elementos químicos básicos, pero sigamos avanzando hacia elementos más pequeños, así que la pregunta siguiente es: ¿de qué están formados los elementos químicos de la tabla periódica?

Llamamos elemento a aquella sustancia que está formada sólo por un tipo de átomos. Estos átomos se consideran la parte más pequeña de la materia que conserva las propiedades químicas. Los tipos de átomos se distinguen por su número atómico.

El número atómico es el número total de protones que tiene cada átomo de ese elemento. Se suele representar con la letra Z. Un átomo de hierro (Fe) tiene número atómico de 26, posee 26 electrones y 26 protones; y un átomo de uranio (U), que tiene número atómico de 92, posee 92 electrones y 92 protones.

Según este número se ordenan en la tabla periódica (del 1 al 118). Por lo tanto, un elemento está formado por un número determinado de un tipo de átomos. El elemento puede ser desde muy simple, como los llamados “gases nobles” (se encuentran en su forma elemental como átomos independientes, de ahí el nombre de nobles), a otros más complejos como los metales. También pequeñas moléculas como el hidrógeno y oxígeno, que forman el agua, o en grandes agrupaciones, como por ejemplo los metales.

Cuando las moléculas están formadas por átomos diferentes se dice que son compuestos.

Bueno, ya estamos en este viaje hacia lo más pequeño en elementos que han sido casi inapreciables hasta 1803, cuando el científico inglés John Dalton (que curiosamente fue el que descubrió la anomalía visual conocida como “daltonismo”, de ahí su nombre) imaginó los átomos como diminutas esferas o unidades realmente pequeñas de las que se componía la materia.

El término proviene del latín at?mus, calco del griego ?τομον (átomon) < ?τομος, unión de α (a, que significa «sin»), y τóμος (tómos, «sección»), que literalmente es «que no se puede cortar, indivisible».

Un átomo es considerado la unidad más pequeña de materia que conserva todas las propiedades químicas de un elemento.

Por ejemplo, un lingote de oro es simplemente un gran número de átomos de oro moldeado de esa forma (con pequeñas cantidades de otros elementos contaminantes, de ahí que en los lingotes de oro se indique que la composición del lingote es de 999,9 oro, mientras que un 0,1 serían esos contaminantes citados antes.). La imagen de la derecha muestra átomos de oro captados por un supermicroscopio de túnel de escaneo. (Feb 2007).

Los átomos de oro no pueden dividirse en algo más pequeño y conservar sus características. Un átomo de oro obtiene sus propiedades de las diminutas partículas subatómicas de las que se compone, es decir, de sus protones⁺ (carga positiva) y neutrones⁰ (carga neutra), que son los que forman el núcleo atómico, y de sus electrones^- (carga negativa), que son los que forman esa “nube” de satélites que orbitan alrededor del primero.

En un átomo, el número de protones en el núcleo define de qué elemento es, mientras que el número de electrones que rodea al núcleo determina en qué tipo de reacciones puede participar.

Al ser los protones, neutrones y electrones los elementos que forman la estructura de los átomos, se les conoce como “partículas subatómicas”

Como podéis imaginar, un átomo no pesa casi nada, pero sí que pesa algo; pero claro, no podemos ponerlo en una báscula, ni tampoco pensar que nos valen unidades como los gramos o los miligramos para saber cuánto pesan; por eso los científicos decidieron definir una medida alternativa, el “dalton” (Da) o “unidad de masa atómica” (uma, de forma simplificada u), la cual tiene un valor aproximado de 1,6605·10^-27 kg, que corresponde a la doceava parte de la masa del átomo de carbono-12.

Lo que pesa cada átomo es lo que se conoce como “peso atómico” o “masa atómica”, y pesan más los átomos que forman los metales (que tienen más protones y electrones), que el de un gas (que tiene bastantes menos).

Entonces, cuando se muestra un valor (un número) como masa atómica (o peso atómico) de un elemento, ese número está indicando cuánto pesa ese elemento, pero no en kg ni en gramos, sino en unidades de masa atómica, que es la unidad en que se mide.

Para aclarar la idea, debemos tener en cuenta que para cualquier medición que realizamos diariamente siempre consideramos una unidad de referencia. Por ejemplo: cuando medimos el largo de una calle, nuestra unidad de referencia es el metro.

Cuando vemos en la tabla periódica que la masa atómica del Fe es 55,84, debemos entender que nos dice que la masa del átomo de hierro es 55,84 veces mayor que la uma.

¿Y en un átomo son todos los elementos del mismo tamaño? Pues la respuesta es que no. Los neutrones y los protones que forman el núcleo son casi iguales, aunque un poco más grandes los neutrones, y los electrones que orbitan son mucho más pequeños, y su masa es muy inferior a los dos primeros, pues tienen una masa unas 1800 veces menor que la de uno de ellos. Un único protón o neutrón tiene un peso muy cercano a 1 uma. Los electrones son mucho más pequeños en masa que los protones, tan solo 1/1800 de una unidad de masa atómica.

Como ya se habrán hecho a la idea, los protones, neutrones y electrones son muy pequeños, pero curiosamente la mayor parte del volumen de un átomo —más del 99 por ciento— es en realidad espacio vacío. Con tanto espacio vacío podrían preguntarse cómo es que los llamados objetos sólidos no pasan unos a través de otros. La respuesta es que las nubes de electrones de carga negativa de los átomos se repelerían entre ellas si se aproximaran demasiado, lo que da como resultado nuestra percepción de la solidez.

Pese a lo que nos pensábamos, el modelo de la física de partículas, basado en las partículas subatómicas de protones, neutrones y electrones, no estaba completo del todo, pues aún nos quedaba profundizar un escalón más, una bajada a algo todavía más pequeño; vamos a verlo.

Os recuerdo que el objetivo de cualquiera de las teorías es el de conseguir explicar la conjunción, la acción conjunta, sinérgica y armoniosa de las cuatro fuerzas que rigen el Universo, que eran la nuclear fuerte, la débil, el electromagnetismo y la gravedad.

Con el avance de la ciencia, en 1961 se consiguió determinar que tanto la fuerza nuclear débil como el electromagnetismo 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; esas partículas son los quarks, bosones y leptones.

 

Distintas cantidades de partículas elementales se unen para formar las partículas más grandes que antes se consideraban las unidades básicas de la materia.

Si fuerzas que surgen, como el electromagnetismo y la nuclear, pueden ser explicadas por la existencia de partículas elementales, quizá lo que no hemos descubierto aún es la partícula elemental que pudiera “transportar” la gravedad de un lado a otro y la regule.

Se ha teorizado sobre esa partícula aún desconocida, la cual recibiría el nombre de “gravitón”.

Su descubrimiento nos haría completar el puzle, nos haría ser conocedores de todas las partículas elementales que dan como resultado a las cuatro fuerzas del Universo, y si lográsemos detectar qué partículas causan todas y cada una de las fuerzas, podríamos encontrar el origen de cualquier fenómeno tanto a pequeña como a gran escala usando sólo un modelo.

Pero como de momento no hemos sido capaces de encontrar esa partícula, podemos afirmar que, a día de hoy, la mejor herramienta que tenemos para describir las interacciones gravitatorias entre cualquier grupo de objetos sigue siendo la Teoría de la Relatividad General.

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.

Representación figurada de una cuerda - Crédito desconocido

Esta teoría plantea que las partículas elementales tampoco serían los bloques básicos en los que se fundamenta el Universo, sino que éstas contendrían elementos aún más pequeños, una especie de filamentos de energía en constante vibración llamados (lo han adivinado) “cuerdas”.

Obviamente nadie las ha visto, nadie sabe cómo son y tampoco nadie sabe ni tan siquiera si existen. Da igual la imagen representativa que se utilice al hablar de ellas, ya que en realidad es muy posible que no brillaran y que resultaran ser invisibles al ser más pequeñas que los mismos fotones.

¿Y cómo funcionarían esas cuerdas?

Esas cuerdas o filamentos, al igual que los de una guitarra, vibrarían en un rango de frecuencias muy concreto para generar con cada frecuencia de vibración cosas diferentes; es decir, 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. Habría que entender por tanto, que un determinado modo de vibración produciría electrones y algún otro, un tipo de quark en concreto. Es decir, las vibraciones de esas cuerdas serían las que moldearan la naturaleza propia de la materia.

Como estas cuerdas tienen que formar las partículas elementales, que ya de por sí son diminutas, su tamaño tiene que ser incluso menor que el de estas partículas. Es por esto que se ha de buscar una unidad de longitud mínima para poder medirlas, y ésta (que ya es la más pequeña de todas) es la llamada longitud de Planck, que equivale ni más ni menos que a 0,00000000000000000000000000000000001 metros; es decir, a 10⁻³⁵ metros.

Para que se hagan una idea de esta longitud, vamos a poner un ejemplo comparativo a escala de lo que supone. Si hincháramos un átomo hasta que tuviera el tamaño del sistema solar (y ya hay que imaginar), entonces cada una de las cuerdas que contienen las partículas elementales que lo forman tendrían el grosor del tronco de un árbol de tamaño mediano.

Siempre se ha dicho que las leyes físicas tienen un límite, y los límites del espacio están marcados precisamente por la longitud de Planck, puesto que algo más pequeño ya no respondería a las leyes de la física.

Tiempo -Crédito Steemit

Lo mismo pasa con el tiempo, el cual medimos en minutos, segundos, décimas de segundo, milésimas...; pero fragmentándolo en lapsos cada vez más y más pequeños llegaríamos al tiempo de Planck, que es una unidad de tiempo considerada como el intervalo temporal más pequeño que puede ser medido, donde todavía servirían las leyes de la física, y equivaldría a 10⁻⁴⁴ segundos.

Zoom del nodo de vibración de un armónico de una cuerda

Por tanto, y para hacer un resumen de esta teoría, diremos que ésta nos explica que los constituyentes fundamentales de la realidad son cuerdas de una longitud de Planck (cercano a 10⁻³⁵ m) que vibran a frecuencias de resonancia, donde cada cuerda, en teoría, tiene una única resonancia o armonía, y que su vibración, en función de cómo lo hagan y se combinen, dará a la materia su forma, su aspecto, su carga eléctrica, su rigidez e incluso el campo gravitatorio que genera.

De hecho, esa partícula que nos faltaba y que explicaría el funcionamiento de la gravedad junto con el resto de fuerzas, a la que se llama “gravitón”, puede que no se haya encontrado por ser una partícula de tamaño tan pequeño, próximo a las cuerdas, por lo que es “indetectable”.                                                                       

Si han llegado hasta aquí y no se han perdido, felicidades. Pero aún quedan pequeñas cuestiones por resolver, como por ejemplo, la posible utilidad de que las cuerdas existiesen en realidad; si los modelos matemáticos que forman la base de cualquier modelo se ha desarrollado o no; si pese a no haberse demostrado, existen evidencias que nos hagan pensar que la teoría de cuerdas es realmente posible; o si podría demostrarse de algún modo.

¿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 matemática sin precedentes cualquier cosa, desde las más pequeñas partículas, hasta cúmulos de galaxias y agujeros negros, de manera independiente a su escala.

Daría igual que algo fuera pequeño o grande; sabríamos exactamente cómo funciona, simplemente porque el ingrediente principal sería el mismo, cuerdas.

¿Existe un modelo matemático que sustente la teoría de cuerdas?

Vale; como vimos antes, cualquier teoría tiene por un lado una base teórica y, por otro, un modelo matemático que la sustenta; y aquí es donde surge un, llamémoslo, “pequeño problema”.¿Cuál?

Pues resulta que, para que el planteamiento matemático funcione en la teoría de cuerdas, se necesita que el Universo tenga diez dimensiones espaciales en vez de las tres que conocemos.

¿Alguien ha encontrado las siete dimensiones que se me han perdido?... Pues no, nadie las ha encontrado, ningún matemático, ningún físico teórico ha podido dar con la clave; aunque claro, puestos a teorizar..., ¿por qué no las hemos encontrado? Pues por su tamaño, claro está.

A partir de la 5ª dimensión podríamos considerar universos paralelos al nuestro

Según los defensores de esta teoría, 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 una conferencia, Brian Greene (físico teórico, matemático y teórico de cuerdas estadounidense), 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.

¿Y si cada punto de esa línea fuera un cable, cada uno de ellos con sus correspondientes dimensiones? Entonces entenderíamos que, aunque no lo viéramos desde la distancia, puede haber diferentes dimensiones en algo que a nosotros a primera vista nos resulta de tan sólo una. Viéndolo así, el concepto de la existencia de dimensiones espaciales extra podría no resultar tan descabellado.

¿Existe hoy en día alguna evidencia que respalde la teoría de cuerdas?

Esta cuestión es la principal que divide a la comunidad científica internacional, y que sin duda alguna genera una polémica que ha excedido el marco de lo privado y ha saltado a la opinión pública. ¿Por qué? Pues porque a día de hoy esta teoría es indemostrable, o al menos lo es por el momento.

Se ha trabajado mucho en el desarrollo de un marco matemático que la respalde, pero sin posibilidad de aplicarlo de forma real. Esto se debe a la imposibilidad de encontrar de forma tangible la existencia de esas diez dimensiones más que de forma teórica, lo que comienza a acercarse a un “acto de fe”, y no con un modelo empírico contrastable, y eso que se comenzó a trabajar en su estudio a principios de los 80.

Otra dificultad para poder demostrar la teoría es que no es posible medir los elementos debido al pequeño tamaño de las cuerdas y a su falta del resto de propiedades medibles como la carga eléctrica o la masa, por lo que su detección resulta imposible, ya que no existe ningún fenómeno físico perceptible que, en principio, fuera diferente a lo que observamos si de verdad las partículas subatómicas estuvieran constituidas por cuerdas increíblemente pequeñas.

¿Podría llegar a demostrarse de alguna forma?

Los partidarios de la teoría de cuerdas dicen que con el avance de la tecnología se podrá demostrar la existencia de las cuerdas. Ok, el avance de la tecnología, pero ¿de qué tecnología estamos hablando? Pues ni más ni menos que del colisionador de hadrones (LHC). Vamos a ver cómo funciona y para qué sirve esta impresionante máquina.

(Hadrón: partícula subatómica formada por quarks que permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte entre ellos). 

Este “aparatito” es la máquina más grande jamás construida por el ser humano. Se encuentra en un túnel de 26’6 kilómetros de circunferencia y a una profundidad de 175 metros bajo tierra debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra, y se inauguró en 2008.

Esta máquina es un acelerador de partículas, es decir, una máquina que hace que giren en su interior protones (que son un tipo de hadrones) principalmente, dando vueltas casi casi a la velocidad de la luz (99,99% de ésta), en un recorrido de 26,6 km cada una. Es difícil de imaginar, pero los protones dan 11245 vueltas por segundo. A lo largo de esa distancia, el acelerador tiene cuatro puntos de cruce, alrededor de los cuales se colocan siete detectores.

A los haces de protones se les hace girar en sentidos opuestos dentro del colisionador, con el fin de que se produzcan choques (colisiones) entre las partículas que van girando, unas en el sentido de las agujas del reloj, y otras en el contrario.

¿Y cómo hacen que choquen si son partículas tan pequeñas? Pues consiguen que los haces de protones mantengan una trayectoria circular constante y que se mantengan enfocados lo más posible uno frente a otro de forma estable, gracias a una serie de imanes dipolos (que son electroimanes usados para conseguir un campo magnético homogéneo), e imanes cuadripolos (que se usan para mantener los haces enfocados), más la suma de otros potentísimos imanes cerca de los puntos de intersección para incrementar las probabilidades de colisión. Y efectivamente, chocan.

¿Y qué pasa cuando chocan estas partículas? Cuando se produce el choque captado por alguno de los cuatro detectores (que son llamados ATLAS, CMS, LHCb y ALICE), éstos registran las partículas resultantes de las colisiones para estudiar los elementos que componen la materia. En otras palabras, nada mejor que un choque de dos elementos “grandes” para ver cómo tras el choque surgen trozos más pequeños.

Representación de modelo informático del choque de dos protones - Crédit. desconocido

Es decir, si chocan de frente dos coches a gran velocidad, seguro que multitud de trozos salen disparados en todas direcciones, ¿no? Pues el equivalente a esos trozos son los elementos que pretenden estudiarse tras el impacto. Evidentemente, los trozos que surgen tras un choque son más pequeños que el tamaño de los elementos que chocan inicialmente, y recordemos que esto iba de llegar a descubrir las partículas más pequeñas, que fueran las partículas elementales.

¿Y si del choque surgiera el ansiado “gravitón”? Por desgracia, la falta de pruebas de una subpartícula que explique la gravedad es lo que nos lleva de cabeza. Es la última barrera a superar para desarrollar una"teoría del todo", por eso la buscamos en lo más pequeño, y el LHC es la herramienta que nos permite buscar la esencia misma de la materia.

El análisis de los subproductos de estas colisiones brinda a los científicos una buena evidencia de la estructura del mundo subatómico (de las partículas más pequeñas que los átomos) y de las leyes de la naturaleza que lo gobiernan.

Muchos de estos subproductos se producen sólo mediante colisiones de alta energía y se descomponen después de períodos de tiempo muy breves (como las chispas que surgen tras chocar dos metales y que casi tras una décima de segundo desaparecen). Por lo tanto, muchos de ellos son difíciles o casi imposibles de detectar de otra manera.

Entonces, ¿podrían verse las cuerdas como resultado de una colisión en el LHC?

Pues eso mismo es lo que diferentes detractores de la teoría de cuerdas argumentan. Dicen que, por ejemplo, se necesitaría un colisionador de partículas cien billones de veces más potente que el LHC actual, para poder romper la materia a un nivel tan fundamental, y por cierto, también afirman que semejante colisión podría producir una alteración en el espacio tiempo, e incluso propiciar la creación de un agujero negro que se tragase el propio planeta Tierra.

Pero aun disponiendo de este colisionador, estas cuerdas tan diminutas no son algo que pueda señalarse con el dedo y decir “ah, mira, una cuerda, teoría comprobada”. Si pudiéramos construir esta máquina, la evidencia de la existencia de cuerdas seguiría siendo muy difusa.

Los defensores de la teoría de cuerdas esgrimen en su defensa que no sólo por medio de la colisión de partículas se podría llegar a las cuerdas, sino que también demostraría su existencia la determinación real de otras dimensiones espaciales (recuerden que el modelo matemático de la teoría de cuerdas necesitaba diez dimensiones para que funcionase). En concreto, afirman que, al existir diferentes dimensiones, las cuerdas se moverían en un espacio-tiempo distinto al ordinario, motivo por el cual, desde nuestra perspectiva actual, aún no hemos podido verlas, pero eso no quiere decir que no existan.

En general, los posibles experimentos que han sugerido los partidarios de la teoría de cuerdas hasta el momento para demostrar la validez de sus ideas parecen no ser considerados como válidos por el resto de la comunidad científica porque, básicamente, consisten en buscar pequeñísimos fallos en las predicciones hechas por la relatividad y atribuirlos a la teoría de cuerdas, cuando de la misma manera podrían ser evidencias a favor de otras teorías.

Lo que sucede es que hoy en día, y desde hace mucho tiempo, la forma de “hacer ciencia” se basa en el método científico, y este método comienza siempre por la observación de unos hechos, de una realidad, para luego teorizar por medio de hipótesis y pasar luego a un proceso de experimentación y de posterior deducción.

Es precisamente esta desconexión entre la teoría y la realidad la que no gusta nada a la mayoría de la comunidad científica.

Esta teoría es acusada de no ser científica por no estar respaldada por observaciones, de no llevar a ningún lado porque está estancada y, en general, otros investigadores se quejan de que este tipo de ejercicio filosófico, que no parece llevar a ningún lado, reciba un presupuesto que podría ser utilizado quizá para cosas más productivas.

Pero si la teoría de cuerdas tiene tantos detractores y es tan incapaz de arrojar resultados prácticos, ¿por qué se ha hablado tanto de ella? Pues porque cuando se llega a su entendimiento simplificado, tiene buena acogida entre el público profano o el divulgador científico. Además, esta teoría tiene todos los elementos “emocionantes” necesarios para mantener enganchado a un espectador: sugiere una imagen bonita del Universo, tiene un nombre pegadizo y sus protagonistas son un grupo de físicos que van “en contra de lo establecido”.

La teoría implicaría que todo el Universo es un mar de diminutas cuerdas vibrando, interaccionando entre sí y cambiando de modos de vibración. En cualquier documental que hable del tema escucharán que el Universo sería como una gran sinfonía. Es una estética muy agradable de imaginar, pero no por ello merece más credibilidad que otras teorías con menor atención mediática.

“Epílogo”

La teoría de cuerdas no es una teoría, sino que son múltiples modelos hasta ahora no demostrables experimentalmente, pero que intentan explicar cuestiones de física que desconocemos actualmente.

Resulta curioso que el descubrimiento de la primera de las fuerzas que rigen el Universo, la gravedad, sea precisamente el elemento que no encaja en una teoría del todo. Esto lo único que persigue es trabajar con una de las fuerzas más desconocidas, la gravedad, y aplicar las predicciones de Einstein sobre el principio de equivalencia (ese principio da para otro artículo).

La teoría de cuerdas existe, sí, pero todavía no ha conseguido hacerse un hueco entre la ciencia "demostrada". La verdad es que comprobar un nivel físico tan elemental está, por el momento, muy por encima de nuestras posibilidades técnicas, pero dejémoslo ahí, por el momento.

El principal problema de la teoría de cuerdas es que no se puede someter a una comprobación. Es decir, no es falsable. Y en el sentido científico clásico eso significa que no puede ser ciencia. Ahora bien, Julio Verne o Leonardo da Vinci hablaron de cosas que en un principio no eran ciencia propiamente dicha, sino que fueron calificadas simplemente como elementos propios de la ciencia ficción.

¿Pensó alguien hace tan sólo cien años en la posibilidad de llegar a la Luna? Quizá sea cierto que cuerdas vibrando sean lo que le aporta la armonía al Universo.

 

Bibliografía:

-Jordi Pereyra, “El universo en una taza de café”. Ediciones Paidós (15 de septiembre de 2015).

-Jordi Pereyra, “Las 4 fuerzas que rigen el universo. Ediciones Paidós (21 de marzo de 2017).

-Página del instituto de astrofísica de Canarias. La gravitación.

-Brian R. Greene, The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos, 2011. [La realidad oculta: Universos paralelos y las profundas leyes del cosmos, Ed. Crítica, Drakontos, ISBN 03-0727-812-3, 2011.]

-Stephen Myers(4 de octubre de 2013). «The Large Hadron Collider 2008-2013». International Journal of Modern Physics A 28 (25): 1330035-1-1330035-65. doi:10.1142/S0217751X13300354

-Santiago Campillo -  ¿qué ha pasado con la teoría de cuerdas? Revista Hipertextual. www.hipertextual.com - Dic 4, 2017.

-Brian R. Greene: “The elegant universe”, 1999 [existe una edición española, El universo elegante, Ed. Crítica, Drakontos, ISBN 84-8432-781-7, 2006].

-Antony Garrett Lisi. Una teoría del todo excepcionalmente simple. Artículo de física teórica enviado a arXiv library el 6 de noviembre de 2007

-Steven S. Gubser, (catedrático de Física en la Universidad de Princeton). “El pequeño libro de la teoría de cuerdas”. Editorial Crítica.  29/01/2019 | Idioma: Español | ISBN: 978-84-9199-068-0 | Código: 10233330.

-Ciaran A. J. O'Hare, Christopher McCabe, N. Wyn Evans, GyuChul Myeong y Vasily Belokurov.Artículo de “Revisión Física D”, Huracán de materia oscura: medición de la corriente S1 con detectores de materia oscura. Phys. Rev. D 98 , 103006 - Publicado el 7 de noviembre de 2018.

-Otero Carvajal, Luis Enrique. "Einstein y la revolución científica del siglo XX, Cuadernos de Historia Contemporánea, n.º 27, 2005, INSS 0214-400-X

-Artículo en Astroseti.org- ¿Hacia una nueva prueba de la relatividad general?

-http://es.groups.yahoo.com/group/relatividad/ foro sobre relatividad en español.

 

    Francisco José García Nieto

Licenciado en Ciencias de Actividad Física y Deporte