Teoría de cuerdas: Resumen y dimensiones

¿Qué es la teoría de cuerdas?

La búsqueda de una teoría que pueda explicar todas las fuerzas fundamentales del universo —en otras palabras, una teoría del todo— ha sido un objetivo central que ha guiado los esfuerzos de la física teórica durante los siglos XX y XXI. Al comienzo de ese período, dos grandes teorías regían el estudio de la física: la mecánica cuántica y la relatividad general. La mecánica cuántica estudia partículas pequeñas, velocidades lentas y energías bajas, mientras que la relatividad general estudia los efectos de objetos masivos, rápidos y energéticos. La teoría cuántica es fundamental para explicar las fuerzas fundamentales fuertes y débiles de las partículas subatómicas y el electromagnetismo, mientras que la relatividad general proporciona un marco para estudiar la gravedad. Sin embargo, ninguna teoría única podría explicar dentro del mismo marco las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo, interacción fuerte, interacción débil y gravedad. La teoría de cuerdas nace de un intento de abordar esta disparidad. Es un marco teórico que intenta unificar la descripción de las cuatro fuerzas fundamentales. Mientras que la física cuántica considera las partículas como paquetes de ondas, la teoría de cuerdas representa las partículas como objetos unidimensionales que las personas pueden representar como cuerdas. Postula que la realidad se compone de cuerdas microscópicas que vibran. El estado vibratorio de estas cuerdas representa las propiedades de una partícula, como su masa y carga. Luego, las cuerdas vibran, giran y se doblan.

Representación de átomos a través de la teoría de cuerdas.

Una de las características clave de la teoría de cuerdas que la ha hecho atractiva como teoría unificadora potencial es que describe el gravitón. El gravitón es una cuerda particular que representa una partícula que media en las interacciones que ocurren en la naturaleza debido a la gravedad. En ese sentido, la teoría de cuerdas proporciona con éxito un posible marco para la gravedad cuántica. La teoría de cuerdas aún no está probada, ya que no hay evidencia empírica que la respalde disponible en este momento; además, por la naturaleza de la teoría, sólo puede ser refutada, no comprobada.

Número de dimensiones según la teoría de cuerdas

En la física clásica, los científicos piensan en el espacio en el que vive la gente como un espacio tridimensional, donde las tres dimensiones son coordenadas espaciales. Para la teoría de la relatividad general, la realidad se representa mejor mediante un espacio de cuatro dimensiones que involucra coordenadas tanto de posición como de tiempo. Para la relatividad general, las coordenadas de espacio y tiempo son similares; por lo tanto, el tiempo es la cuarta coordenada y, en consecuencia, el espacio resultante se denomina espaciotiempo. La teoría de cuerdas es muy particular ya que describe un espacio dimensional más alto que un espacio 3D o 4D. Estas dimensiones adicionales aparecen por coherencia matemática; algunas teorías de cuerdas admiten 26 dimensiones, mientras que otras consideran 10 u 11. Estos números surgen de las restricciones en las ecuaciones utilizadas para definir la teoría. Menos dimensiones no nos permiten representar con precisión la realidad, mientras que más dimensiones hacen que las partículas sean inestables o que surja un comportamiento no físico. También hay muchos desafíos con respecto a la teoría de cuerdas como una teoría potencial de todo. Uno es la complejidad de definir observables adecuados. Otro es explicar las dimensiones superiores que surgen y que no son visibles a simple vista. La reproducción completa de las fuerzas y partículas que aparecen en el modelo estándar es otro desafío. Un último desafío radica en el hecho de que la teoría de cuerdas puede describir una plétora de universos diferentes.

Quién inventó la teoría de cuerdas: una breve historia

Los orígenes de la teoría de cuerdas se remontan a la década de 1960. El formalismo se desarrolló por etapas, comenzando como una teoría para el estudio de la fuerza nuclear fuerte. Heisenberg, pionero en la teoría cuántica, desarrolló el formalismo de matriz S, que puede considerarse el punto de partida de la teoría de cuerdas. Los modelos duales aparecieron poco después, intentando explicar la fuerza nuclear fuerte entre las partículas fundamentales. Los científicos descubrieron que el formalismo matemático de los modelos duales no se limitaba a las partículas, sino que podía aplicarse a las cuerdas. Unos años más tarde, la idea de la supersimetría se desarrolló para llenar algunos de los vacíos que dejaba sin explicar el modelo estándar. La supersimetría predijo una partícula compañera para cada partícula existente de espín complementario, vinculando fermiones con bosones. A mediados de los años 70 y mediados de los 80, John Henry Schwarz y Joël Scherk, dos científicos ampliamente considerados los fundadores de la teoría de cuerdas moderna, argumentaron que el alcance de la teoría de cuerdas caía incluso más allá de lo que se creía en ese momento. Schwarz y Scherk plantearon la hipótesis de que la teoría podría usarse para describir el gravitón, una partícula fundamental responsable de las interacciones causadas por la fuerza gravitacional, llenando efectivamente los vacíos que quedan en el modelo estándar y actuando como una teoría potencial de todo al describir la gravedad cuántica. Dos teorías de cuerdas principales dominaron el campo en esta época: la teoría de cuerdas bosónica y la teoría de supercuerdas. La teoría de cuerdas bosónicas fue uno de los primeros modelos de cuerdas, mientras que la teoría de supercuerdas abordó uno de los principales problemas de este modelo anterior al incluir vibraciones fermiónicas. La teoría M se desarrolló en los años 90, desencadenando lo que se conoce como la segunda revolución de las supercuerdas, unificando todas las teorías de cuerdas existentes. Finalmente, uno de los últimos avances en el campo es la correspondencia anti-de Sitter/teoría de campo conforme (AdS/CFT), desarrollada a finales de los 90, que conecta la teoría de cuerdas con una teoría de calibre, con implicaciones para la física de alta energía y la holografía.

Famosos teóricos de cuerdas

Los teóricos de cuerdas famosos incluyen:

• John H. Schwarz: Muchos lo consideran uno de los fundadores de la teoría de cuerdas; estudió la teoría de cuerdas como un camino para la gravedad cuántica.
• Edward Witten: Unificó cinco teorías de cuerdas diferentes en la teoría M más general.
• Leonard Susskind: Conectó la teoría holográfica con la teoría de cuerdas.
• Oskar Klein: Contribuyó a las ideas esenciales de la teoría de cuerdas, como las interpretaciones de dimensiones adicionales y el desarrollo de teorías de calibre.

Resumen de la lección

La teoría de cuerdas es un marco teórico basado en la idea de que las partículas y su interacción se pueden representar como elementos matemáticos unidimensionales, o cuerdas, y las vibraciones de esas cuerdas; es casi una teoría del todo. En la teoría de cuerdas, estas cuerdas infinitesimales constituyen la realidad. La teoría surgió de las teorías anteriores de la mecánica cuántica y la relatividad general, ambos conceptos importantes en el campo de la física. La teoría de cuerdas va más allá de la representación 3D de la realidad a la que la gente está acostumbrada; opera en un espacio dimensional superior. Es una teoría unificadora potencial que tiene como objetivo describir las cuatro fuerzas fundamentales, que son el electromagnetismo, la interacción fuerte, la interacción débil y la gravedad. Los orígenes de la teoría de cuerdas se remontan a la década de 1960, y los principales científicos que trabajaron en ella incluyen a John Henry Schwarz, Edward Witten, Leonard Susskind y Oskar Klein.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador