La idea de cuerda como base para construir el universo se erige sobre una base más delicada. Es decir, que, si observamos las partículas elementales de la estructura del universo con mayor precisión que la actualmente disponible, encontraremos que consisten en cuerdas vibratorias y que cada cuerda vibra de una forma determinada y particular. De este modo, el electrón es una cuerda, el quark es una cuerda, las partículas de las cuatro fuerzas son cuerdas, la partícula de la fuerza de gravedad que es el gravitón en una cuerda y así sucesivamente.
La teoría de cuerdas se considera un intento por unificar las cuatro fuerzas de la naturaleza. El modelo estándar ha logrado hasta ahora unificar tres fuerzas, la fuerza electromagnética con la fuerza nuclear débil primero y luego la fuerza nuclear fuerte. Estas tres fuerzas trabajan a niveles microscópicos y la mecánica cuántica las describe, pero hasta ahora ha fracasado en unificarlas con la fuerza de gravedad que por lo general funciona para cuerpos grandes, como estrellas, planetas, galaxias y que es descripta por la teoría general de la relatividad. La dificultad para establecer un modo de unificar la teoría general de la relatividad con la teoría de la mecánica cuántica ha hecho difícil unificar las cuatro fuerzas de la naturaleza, o en particular las tres fuerzas, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil, con la fuerza de gravedad. Aunque se ha confirmado que hay sitios en los que debe unificarse la gravedad con las demás fuerzas, estos sitios son diminutos y de una inmensa densidad, como el agujero negro, la singularidad del Big Bang o incluso las primeras etapas del Big Bang.
Así pues, la teoría de cuerdas se plantea como una alternativa para unificar estas cuatro fuerzas y por ende, se plantea para explicar el universo en conjunto, desde el Big Bang hasta ahora y hasta el fin, de los quarks, los electrones e incluso las estrellas, los planetas, las galaxias, los cúmulos galácticos y todo el universo, como una teoría que plantea la unificación de las leyes de la física en lugar de su división como es ahora, en dos partes: una parte que funciona con lo que es diminuto y pequeño que son las leyes de la mecánica cuántica, y una parte que funciona con lo que es grande que es la ley de la relatividad general.
La teoría de cuerdas explica, de forma más general, la masa de las partículas mediante la vibración de su cuerda interna, el tipo de partícula y polaridad mediante su patrón vibratorio y así sucesivamente. Pues solo hay una cuerda y con la variación de algunas de sus propiedades se convierte en un electrón, en un quark, en un gravitón, etc.
«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.
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.
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.)».[1]
La teoría de cuerdas necesita adoptar la existencia de seis dimensiones adicionales plegadas diminutas a través de las cuales las cuerdas vibran, por lo que estas dimensiones no se detectan como las tres grandes dimensiones espaciales.
La teoría de cuerdas plantea que no puede haber una contracción de las cuerdas a dimensiones más pequeñas que la longitud de Planck; porque cualquier intento de contracción por debajo de la longitud de Planck se convertiría en expansión. Esto significa que el Big Bang comenzó con la longitud de Planck y no con una singularidad de volumen cero y densidad infinita.
Hay cinco variantes de la teoría de cuerdas que se diferencian y una variante de la teoría que las unifica abarcándolas a todas que es la sexta variante y se llama teoría M. Lo más importante de las teorías de cuerdas es que la cuerda es capaz de resolver la contradicción entre la teoría cuántica y la teoría general de la relatividad en la escala de lo diminuto, que el modelo de partícula puntual no puede resolver.
La teoría M es la variante más integral de las teorías de cuerdas, pues es una teoría que explica que las otras cinco teorías de cuerdas son teorías que reflejan la misma realidad y la teoría M representa una base para unificar entre sí estas teorías.
«Durante muchos años, los físicos estuvieron en una oscuridad parecida a la de los tres hombres ciegos, pensando que las distintas teorías de cuerdas eran muy diferentes. Pero actualmente, gracias a los hallazgos de la segunda revolución de las supercuerdas, los físicos han constatado que la Teoría-M es el paquidermo que unifica las cinco teorías de cuerdas».[2]
La teoría M propone una nueva dimensión espacial adicional a las diez dimensiones anteriores de las cinco teorías de cuerdas, así que las dimensiones en “la teoría M” se convierten en once dimensiones, diez dimensiones espaciales y una dimensión temporal.
Lo que propone la teoría M no son solamente cuerdas, sino también membranas de dos y tres dimensiones.
La teoría M es ahora la teoría de cuerdas nominada para ser terreno fértil para la teoría del todo, o la teoría que establezca la ley que funciona con lo que es diminuto como los electrones y los quarks, y con lo que es grande, como el universo actual y todo lo que hay en él, estrellas, planetas y galaxias. O sea, que unifique teóricamente la mecánica cuántica y la relatividad general.
Las teorías de supercuerdas y la teoría M plantean que la cuerda no puede contraerse a una dimensión más pequeña que la longitud de Planck. Esto significa que el universo —según la teoría M— se formó de un bloque multidimensional y diminuto del volumen de Planck. Es decir, que la teoría M evita el volumen cero y la densidad infinita del punto de singularidad del cual se supone que comenzó el universo.
La visión cósmica de la teoría M plantea que después del Big Bang, solo tres dimensiones espaciales se expandieron entre las múltiples dimensiones plegadas en un pequeño bloque del volumen de Planck del cual nació el universo y la longitud de Planck es muy pequeña (1.616199(97) x 10-35 m). Como hemos aclarado anteriormente, se supone que la teoría M es una teoría que unifica las cuatro fuerzas de la naturaleza o que unifica la gravedad con las otras tres fuerzas, la electromagnética, la nuclear débil y la fuerte. Asimismo, en la teoría M se propone un mundo por debajo de la longitud de Planck, sin límites de tiempo ni espacio, o un mundo sin espacio, con sus propias matemáticas, diferentes a las matemáticas habituales que se utilizan para representar el tiempo y el espacio.
«La esperanza que tenemos es que a partir de este punto inicial que es como una pizarra limpia —probablemente en una época anterior al Big Bang o al pre Big Bang (si es que podemos usar expresiones temporales, por falta de otro marco lingüístico)— la teoría describirá un universo que evoluciona hacia una forma en la cual emerge un fondo de vibraciones coherentes de cuerdas, produciendo las nociones convencionales de espacio y tiempo. Si se constata un marco así, esto indicaría que el espacio, el tiempo y, por asociación, la dimensión, no son elementos esenciales para la definición del universo. Más bien son conceptos prácticos que emergen de un estado más básico, atávico y primario.
Las investigaciones de punta sobre diversos aspectos de la Teoría-M, llevadas a cabo por Stephen Shenker, Edward Witten, Tom Banks, Willy Fischler, Leonard Susskind y otros, demasiados para nombrarlos a todos, han demostrado que algo conocido como una cero-brana —posiblemente el ingrediente más fundamental de la Teoría-M, un objeto que se comporta en cierto modo como una partícula puntual en las distancias largas, pero que tiene unas propiedades radicalmente diferentes en las distancias cortas— puede darnos una visión de un dominio sin espacio y sin tiempo.
Los trabajos de estos investigadores han puesto de manifiesto que, mientras las cuerdas nos indican que los conceptos convencionales de espacio dejan de tener importancia a escalas inferiores a la longitud de Planck, las cero-branas dan esencialmente la misma conclusión, pero también proveen una diminuta ventana sobre el nuevo marco no convencional que toma el control. Estudios con estas cero-branas indican que la geometría ordinaria queda sustituida por algo conocido como geometría no conmutativa, un área de las matemáticas desarrollada en gran parte por el matemático francés Alain Connes. En este marco geométrico, las nociones convencionales de espacio y distancia entre puntos se funden y desaparecen, dejándonos un paisaje conceptual muy diferente. No obstante, centrando la atención en escalas mayores que la longitud de Planck, los físicos han demostrado que nuestra noción convencional de espacio vuelve a emerger. Es probable que el marco de la geometría no conmutativa esté todavía a algunos pasos de distancia del estado de pizarra en blanco que mencionábamos anteriormente, pero dicho marco nos da un indicio de lo que puede involucrar ese marco más completo al que se incorporarían el espacio y el tiempo».[3]
Ahora la teoría M es la teoría que propone la unificación de la gravedad con las demás fuerzas y plantea una interpretación posible del mundo antes del tiempo y el espacio. Hawking la designó como la explicación esperada de la aparición de un universo de la nada.
¿Pero acaso la teoría M puede explicar la aparición del espacio y el tiempo de la nada?
Creo que esto no es posible; porque sin importar las tesis que concluyan en ella, la teoría M o teoría final, se centrará en algo como las fluctuaciones cuánticas en el espacio o las vibraciones de una cuerda y así sucesivamente, por lo cual, la pregunta solo pasará a una etapa más avanzada y no explicará la existencia de un universo de la nada.
En realidad, por lo presentado y también por lo que vendrá, veremos que es un juicio algo precipitado, especialmente viniendo de un físico, decir que el universo viene de la nada y que no necesita de nada externo para comenzar.
[1] Fuente: Greene, El universo elegante, págs. 106-107.
[2] Fuente: Greene, El universo elegante, pág. 224.
[3] Fuente: Greene, El universo elegante, pág. 268.
Extracto del libro La ilusión del ateísmo de Ahmed Alhasan (a)
