El catedrático Luis Ibáñez de la Universidad Autónoma de Madrid, miembro
del Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC), recibió hace unos meses
una Advanced Grants del Consejo Europeo de Investigación. Con
esta prestigiosa beca y el apoyo de su equipo estudiará durante cinco
años qué información sobre la teoría de cuerdas pueden facilitar los
datos del LHC del CERN. Esta teoría puede ayudar a unificar la mecánica
cuántica y la teoría de la relatividad.
¿Por qué cree que es necesaria una teoría única?
En
realidad los físicos no insistimos en buscar teorías unificadas. Es la
naturaleza la que parece insistir en que esa dirección es la correcta.
Hasta mediados del siglo XIX se pensaba que la electricidad, el
magnetismo y la luz eran fenómenos totalmente diferentes, pero en el
siglo XIX se vio que eran tres aspectos de una sola teoría, el
electromagnetismo clásico. La historia se ha vuelto a repetir a finales
del siglo XX con la comprobación de que el electromagnetismo y las
llamadas interacciones débiles –las causantes de la radioactividad
natural– son dos aspectos de una sola teoría, la teoría electro-débil.
Hoy en día hay indicaciones que apuntan a que todas las fuerzas
fundamentales de la naturaleza, incluida la gravitación, son parte de
una sola teoría unificada. La teoría de cuerdas es la candidata más
seria.
¿Y por qué es la mejor candidata?
La
mayoría de la comunidad científica lo considera así porque la teoría de
cuerdas no solo hace consistente los dos paradigmas de la mecánica
cuántica y la relatividad general, sino que en el mismo paquete te
ofrece una teoría que contiene el resto de las interacciones
fundamentales de la naturaleza. Es una teoría cuántica y relativista,
los dos pilares siguen intocables. La principal novedad es que todas las
partículas fundamentales corresponden a diferentes modos de vibración
de cuerdas extremadamente diminutas.
¿Qué quiere decir que las partículas fundamentales no son puntuales, sino modos de vibración?
Hay
cosas que, miradas de lejos, parecen un punto. Esto puede ocurrir por
ejemplo con una hormiga, pero cuando te acercas ves que tiene una
estructura más complicada. Hasta la aparición de la teoría de cuerdas se
pensaba que toda la materia estaba hecha de partículas puntuales que no
contenían nada dentro de sí. La teoría de cuerdas nos dice que las
partículas elementales son en realidad modos de vibración de cuerdas
diminutas. La razón por la que hasta ahora no las hemos detectado se
debe a que trabajamos con un régimen de energías muy bajo, que solo nos
permite ver partículas puntuales.
Si tuviéramos un acelerador de
partículas muchísimo más potente que el que tenemos ahora en el CERN,
podríamos ver que las partículas puntuales en realidad corresponden a
las vibraciones de cuerdas extendidas entre dos puntos. Este cambio de
paradigma permite resolver el problema fundamental de hacer compatible
teoría cuántica con gravitación.
¿Puede dar un ejemplo de un experimento donde se necesiten estas dos teorías y aparezca su inconsistencia?
La
verdad es que no. Lo curioso de la gravitación es que es muy, muy
débil, y sin embargo fue la primera que vio el hombre, y la percibimos
cada día cuando se nos cae algo. Como es la más débil de todas las
interacciones, necesita una gran cantidad de masa, por ejemplo, la de la
Tierra, para poder ser detectable. Un objeto que sea cuántico y en el
que la gravitación sea relevante a la vez es muy difícil de construir en
el laboratorio. Hay teorías que dicen que la escala de la gravitación
no está tan lejos y podría ser accesible al LHC, pero todos pensamos que
es improbable. Todo indica que desgraciadamente la escala fundamental
de la gravitación no va a ser tan baja para ser accesible al acelerador
actual del CERN.
Aún así estoy seguro de que la teoría de cuerdas llegó para quedarse.
Su consistencia matemática es absolutamente increíble. Contiene dentro
de sí todos los ingredientes que permiten describir todo lo observado.
La probabilidad de que exista, porque sí, una estructura matemática como
esta, que describa el conjunto de las propiedades de la naturaleza, es
muy pequeña. No puede ser una casualidad que exista una construcción
como esta con una consistencia interna tan sorprendente y la capacidad
de describir todo lo observado.
La teoría de cuerdas postula la existencia de 11 dimensiones ¿Esto no complica los cálculos?
Vamos
a concentrarnos en 10 dimensiones, que es lo que se usa en las teorías
más estudiadas. Estas teorías asumen las tres dimensiones espaciales
conocidas, el tiempo y otras seis que se supone que forman un espacio
muy, muy pequeño. Las propiedades que tienen estas seis dimensiones
extra, son las que marcan las propiedades de las partículas, como la
carga o la masa. Esto da lugar a montones de posibles variedades: a
espacios con seis dimensiones, con agujeros, sin agujeros, con todo tipo
de propiedades geométricas, topológicas, etc.
Pensamos que la teoría de cuerdas tiene una enorme cantidad de soluciones, pero que solo muy pocas de ellas
son consistentes con el desarrollo de elementos químicos como los que
conocemos, que dan lugar a la existencia de materia e incluso de vida.
Es obvio que nuestra propia existencia requiere que solo las soluciones
consistentes con nuestra existencia subsistan. Esto es un ejemplo de lo
que se llama ‘razonamiento antrópico’.
Todavía
hay mucho debate al respecto. Hay investigadores que se resisten a estas
ideas. Hay muchos otros, como yo, que jamás pensamos en la existencia
de una única solución de las ecuaciones describiendo el universo. Esto
nos parece una carta a los Reyes Magos. Igual que las leyes de Newton
nos llevan a montones de posibilidades de planetas, la teoría de cuerdas
da lugar a enormes cantidades de posibles universos; entre ellos, uno
como en el que vivimos.
¿En qué consiste el proyecto Fenomenología de cuerdas en la era del LHC para el que el Consejo Europeo de Investigación le concedió la Advanced Grand?
La
teoría de cuerdas no solo es capaz de hacer compatibles gravitación y
mecánica cuántica, sino que potencialmente contiene dentro de sí una
unificación de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la
interacción electromagnética, la débil, la fuerte –o Nuclear– y la
gravitatoria. El proyecto pretende estudiar en detalle cómo esta teoría
contiene estas diversas interacciones.
En particular, lo que buscamos es identificar soluciones de la teoría
que den lugar a partículas elementales e interacciones en precisa
correspondencia con lo observado experimentalmente, aquellas que
describen precisamente el universo observado. La idea es ver si, una vez
construidas las soluciones, esas teorías dejan alguna signatura
especial a energías a las que tenemos acceso actualmente. Por ejemplo,
en muchas de las soluciones de teoría de cuerdas hay lo que se llama
teorías con supersimetría. La supersimetría predice que en el LHC se
tienen que encontrar nuevas partículas, squarks, sleptons, etc., es
decir, unos compañeros de las partículas usuales, que no han sido
observadas todavía.
También pretendemos describir datos que ya
sabemos, por ejemplo, las masas de las distintas partículas de la
naturaleza, o por qué existen tres generaciones de partículas de quarks y
leptones de las que se compone la materia y todo lo que conocemos,
etc. Y otro de nuestros objetivos es estudiar cómo el bosón de Higgs
restringe las posibles soluciones de teoría de cuerdas. Todos esperamos
que el LHC encuentre nuevas partículas fundamentales que nos darán
nuevas pistas sobre cómo es la teoría fundamental. Estamos viviendo en
estos momentos una época extraordinariamente interesante en el campo de
la física fundamental.
¿Cómo afronta la Física esta transición entre teorías?
No
hay una regla única. En unos casos, una nueva teoría se introduce para
poder describir nuevos resultados experimentales incompatibles con una
teoría anterior. En otros, una nueva teoría se adopta porque da una
estructura lógica más completa y permite resolver paradojas aparentes.
Así ocurre con la teoría de cuerdas, que permite la consistencia entre
gravitación y mecánica cuántica. La nueva teoría puede dar lugar a
nuevas predicciones que se puedan verificar experimentalmente. En
general, en Física una nueva teoría no invalida las anteriores, sino que
las completa en nuevos rangos de energía o distancias, o la completa
conceptualmente.
Hacia la teoría unificada
La Física se enfrenta al reto de encontrar una ‘teoría unificada’, o una teoría capaz de explicar por sí sola cualquier fenómeno de la naturaleza. Para esto los físicos cuentan actualmente con dos teorías. La mecánica cuántica permite describir los fenómenos que suceden a escala muy pequeña, por ejemplo lo que ocurre al interior de las moléculas y de los átomos. Por su parte, la teoría de la relatividad general de Einstein describe todo aquello que sucede a escala macroscópica, desde la caída de una manzana hasta el movimiento de las galaxias, fenómenos muy condicionados por la fuerza gravitatoria.
El problema es que estas dos teorías revelan inconsistencias teóricas a la hora de intentar describir sistemas que involucran a la vez fenómenos cuánticos y gravedad. En otras palabras, se resisten a ser unificadas. Pero desde hace más de tres décadas una corriente de físicos viene trabajando en una serie de formulaciones matemáticas con el propósito de salvar este escollo fundamental para la Física.
La teoría que han propuesto se basa, a grandes rasgos, en que todas las partículas que conforman el universo, aparentemente puntuales, son en realidad estados vibracionales de unas unidades básicas que son cuerdas diminutas. Hasta ahora la teoría de cuerdas cuenta con un complejo aparato matemático muy consistente, pero no ha podido ser comprobada en un laboratorio.
La Física se enfrenta al reto de encontrar una ‘teoría unificada’, o una teoría capaz de explicar por sí sola cualquier fenómeno de la naturaleza. Para esto los físicos cuentan actualmente con dos teorías. La mecánica cuántica permite describir los fenómenos que suceden a escala muy pequeña, por ejemplo lo que ocurre al interior de las moléculas y de los átomos. Por su parte, la teoría de la relatividad general de Einstein describe todo aquello que sucede a escala macroscópica, desde la caída de una manzana hasta el movimiento de las galaxias, fenómenos muy condicionados por la fuerza gravitatoria.
El problema es que estas dos teorías revelan inconsistencias teóricas a la hora de intentar describir sistemas que involucran a la vez fenómenos cuánticos y gravedad. En otras palabras, se resisten a ser unificadas. Pero desde hace más de tres décadas una corriente de físicos viene trabajando en una serie de formulaciones matemáticas con el propósito de salvar este escollo fundamental para la Física.
La teoría que han propuesto se basa, a grandes rasgos, en que todas las partículas que conforman el universo, aparentemente puntuales, son en realidad estados vibracionales de unas unidades básicas que son cuerdas diminutas. Hasta ahora la teoría de cuerdas cuenta con un complejo aparato matemático muy consistente, pero no ha podido ser comprobada en un laboratorio.
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