Lo que entiendo de Cuerdas, parte II: La solución (?)

Hey, hola.

Os dejé abruptamente en el último post, mientras comentaba la lectura de “El Universo Elegante” de Brian Greene, con el problema de surge al intentar unir la mecánica cuántica (con su espacio lleno y rugoso) con la teoría de la Relatividad General (y su espacio vacío y liso).

Contaba que actualmente las dos teorías que explican el universo, una que funciona de maravilla a escalas muy muy muy pequeñas y otras que son perfectas para las escalas grandes grande grandes, son matemáticamente contradictorias.

Y os conté también el interés que tiene la unión de ambas teorías para conocer el origen del universo o lo que pasa dentro de un agujero negro.

La búsqueda de la Gran Unificación (que es así como se llama la teoría del TODO) ha sido infructuosa desde hace 75 años.

Pero ahí aparece la Teoría de Cuerdas .

“Teoría que? Vaya lio” diréis.

*** ATENCION: La entrada tienen bastante física teórica y para seguirla es necesaria mucha imaginación. Ir engrasandola.***

PARTE 2: LA SOLUCIÓN (?)

Se trata de la teoría que parece estar más cercana a la Gran Unificación.

Y surge de dos saltos mentales hacia delante. Un paso está en cambiar la forma de las partículas elementales y otro en su tipo de movimiento y por donde lo hacen.

Hasta ahora, en el modelo cuántico de partículas y la Relatividad General, hemos considerado sin decirlo directamente que las partículas fundamentales son en realidad pequeños puntos minúsculos. Los electrones (por ejemplo) son bolitas supermegaminusculas, los protones igual pero más grandes (más exactamente están formados por otras bolitas más pequeñas, los quarks), un fotón también. Unas tienen masas grandes y otras no. Unas partículas tienen carga eléctrica negativa, otras positiva y otras no tienen. Y así todas sus características. Pero todas coinciden en que se considera que son, en esencia, pequeños puntitos.

Partículas a la izquierda, cuerdas a la derecha.
En realidad son canicas y gomas de pollo.

Pero resulta que si en lugar de considerar a las partículas fundamentales como partículas (vamos como pequeñísimas canicas o puntos) las consideramos con forma de una goma elástica (o goma de pollos, como lo llamamos en la oficina) ocurren algunas cosas muy interesantes. Esa goma elastica es la que se denomina cuerda podría “esquivar” el ruido cuántico del espacio. Algo parecido a como corre un tanque sobre un terreno abrupto. Cada rueda de la oruga del tanque tiene amortiguación independiente, ajustándose al terreno irregular mucho mejor que un coche, que entre los ejes de sus ruedas es rígido. Por eso los tanques pueden ir tan rápido en terrenos irregulares (por cierto, por eso se diseñan los robots marcianos con tantas ruedas con suspensión independiente, como el Soujorney, para recorrer terrenos abruptos) .

Un Leopard en marcha.
Fijaros en la oruga, como se adapta al terreno abrupto.

Así, si consideramos al electrón como una cuerda, este se ajusta mucho mejor al espacio-tiempo rugoso de la teoría cuántica que si fuera solo una partícula puntual.

Las cuerdas son mucho más pequeñas que lo pequeño que es el núcleo del átomo. El tamaño de una cuerda típica es de 10^-35 metros. Dicho de otra forma una cuerda mide 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.01 metros. Como dice Greene en su libro, si aumentáramos un átomo al tamaño del universo una cuerda tendría el tamaño de un árbol. Es para flipar.

Y nuestras gomas de pollo además vibran. Igual que una cuerda de guitarra, que depende de como vibre hace una nota u otra, estas cuerdas fundamentales vibran, y según como la hagan aparecen las características de las partículas. Si vibra en DO, la cuerda tendrá masa. Si vibra en RE, tendrá carga positiva. En MI, un espín de ½ (el espín es otras característica de las partículas), etc.

Homer y los Ramones.
La forma más sencilla y divertida de
hacer vibrar cuerdas de guitarra

Pero hay una diferencia entre la forma de vibrar de una cuerda de guitarra y una cuerda fundamental (y aquí viene la complejidad de la teoría de cuerdas). La cuerda de la guitarra vibra en 3 dimensiones. Las dimensiones son las direcciones en la que puede moverse la cuerda: arriba-abajo, izquierda-derecha y dentro-fuera. Total 3 dimensiones espaciales (4 si sumamos el tiempo).

Nuestras cuerdas fundamentales vibran en más de 3 dimensiones espaciales. Se teoriza en que las vibraciones de las cuerdas se extienden hasta en 10 dimensiones. 10 dimensiones!!!!

¿Como puede haber más direcciones, más dimensiones en nuestro universo que las 3 que conocemos?

Los físicos proponen que estas dimensiones adicionales son muy pequeñitas y están arrolladas (hechas un burruño) a diferencia de nuestras dimensiones que son muy grandes y extendidas.

EEHHH???

Tranquilos, es difícil entender o imaginar. Por eso os propongo que vayáis al baño y cojáis una toalla. Extendedla en el suelo y miradla estando de pie. A vuestros ojos la toalla extendida es lisa y plana. Y tiene dos dimensiones, ancho y largo.

(vale, vale. La toalla no está lisa del todo.
Pero no tenía ganas de planchar un sábado por la mañana)

Pero si os agacháis hasta apreciar el tejido, veréis que la aparente superficie lisa de vuestra toalla de baño esta llena de unos rizos que se extienden hacia arriba. Es decir, ancho, largo y arriba. Tres dimensiones.

Este ejemplo de como en dos dimensiones puede haber otra dimensión arrollada vale también para nuestro universo. En cada puntito del espacio, en cada uno y sin saltarse ninguno, existen unas pequeñas dimensiones arrolladas como los rizos de la toalla. Así las cuerdas fundamentales vibran en esos espacios adicionales ganados a nuestras 3 dimensiones molientes y corrientes (bueno, el tiempo también, 4 dimensiones). Esos rizos dimensionales son muy muy muy pequeños, similares al tamaño de una cuerda fundamental. por eso desde nuestra escala de 1,70 metros (por lo menos la mía) son invisibles.

La clave de la teoría de cuerdas está en saber como se enrollan los rizos de las dimensiones adicionales. En nuestra toalla la dimensión adicional tiene forma de rizo o lazo. Según la teoría de cuerdas las dimensiones extra tienen una forma muy compleja que se llama matemáticamente espacio de Calabi-Yau.

Es imposible de representar o dibujar en un papel (o pantalla de ordenador) de dos dimensiones un espacio Calabi-Yau de seis dimensiones pero se puede aproximar a la figura de abajo (tal y como lo cuenta Greene esta representación es una rodaja tridimensional real de la hipersuperficie cuántica en un espacio proyectivo complejo de cuatro dimensiones. Pos bueno).

La teoría de cuerdas dice que a niveles cuánticos (o cuerdicos, je je) la gravedad (y la luz y la fuerza que mantienen a los protones unidos en el núcleo) es el efecto que percibimos en nuestro vida normal de un tipo de vibración de una cuerda fundamental en un rizo del espacio tan complejo y bonito como el Calabi-Yau. Por fin parece haber una unión entre la Teoría de la Relatividad General y la Mecánica Cuántica.

Ahora podemos vislumbrar como fue el origen de nuestro universo y el interior de un agujero negro.

¿A que es todo muy extraño y bello? Es el Universo elegante.

Claro que las cuerdas tienen algunas pegas. Por ejemplo, la teoría no esta desarrollada por completo porque faltan herramientas matemáticas para conseguirlo. Por ello y a medida que se ha ido avanzando en ella, la teoría de cuerdas se ha ido mutando hasta la teoría de supercuerdas y la teoría M (que engloba a todos los modelos de cuerdas).

Tampoco es la única alternativa como teoría del todo. Pero es la más robusta de momento.

Y la gran pega. Es prácticamente imposible demostrarla con experimentos. Las escalas de las cuerdas y sus enormes energías dificultan su comprobación. Los físicos teóricos esperan encontrar evidencias indirectas de su existencia. Pero estamos aún a generaciones de distancia de conseguirlo.

Una última curiosidad. Aunque la teoría de cuerdas se desarrolla a partir de 1970, la primera persona que pensó que en nuestro universo podrían haber dimensiones adicionales minúsculas y enrolladas como nuestra toalla fue un matemático polaco llamado Theodor Kaluza en 1919, 50 años antes!

Y llegó a esa conclusión porque era una manera elegante de conjugar el electromagnetismo (una de las tres fuerza cuánticas aún sin saberlo. Todavía no estaba lista la mecánica cuántica) con la gravedad. Eso si que es imaginación. Y ¿a que no sabéis a quien le comunico primero sus ideas? A Einstein, otra vez él (aunque interesantes, no se siguieron explorando esas ideas hasta mucho después). Por eso al espacio rizado con dimensiones adicionales se le llama en física “espacio Kaluza-Klein”.

Esto es lo que he entendido de las cuerdas. ¿Que os parece?. Muy raro y difícil de imaginar, ¿a que sí?. Para intentar explicarlo hemos necesitado unas canicas, un globo, una goma de pollo, una guitarra, un tanque, una toalla y mucha mucha imaginación.

Pero a mi me ha encantado.

Además, haciendo esta entrada me ahorro hablar de Charles Manson (Por cierto ¿que hacía ese libro en casa del padre de Jose?).

SALUT I SUPERCORDES!!

PD1: Ahora estoy con dos libritos de Asimov, mucho mas digeribles aunque igual de interesantes. Hay que desengrasar un poco.

PD2: Es la entrada más dificil que he hecho. Si la habeis entendido ésta y la anterior, voy por buen camino para mi tesis. Y si no lo habéis entendido todo, tranquilos, yo tampoco.