jueves, 31 de enero de 2013

Teoría de cuerdas ( 2ª y última parte).




Bueno, pues ya estamos aquí con la segunda y última entrega de esta gran aventura en la que nos hemos sumergido que es la Teoría de cuerdas. Por si alguien se acaba de incorporar al viaje aquí puede leer la primera parte. Continuemos pues...

Pero entonces, qué es la teoría de cuerdas aparte de ser la gran promesa que promete unificar las dos teorías que tenemos que tan buenos resultados dan por separado.
La física clásica nos dice que los componentes más pequeños de la materia, a los que llegamos tras dividir sucesivamente un pedazo de material, es decir, los ladrillos que configuran todo, son unas partículas puntuales carentes de extensión espacial, unos simples puntos sin dimensión. Por ejemplo si tomamos un trozo de cualquier material llegaríamos a encontrar una serie de átomos, de carbono por ejemplo, estos átomos los podemos seguir dividiendo. Encontraríamos un núcleo con unos electrones orbitando alrededor, este núcleo lo podríamos seguir dividiendo en protones y neutrones que a su vez estarían compuestos de tres quarks cada uno de ellos. Habríamos llegado al final, a los últimos constituyentes, que serian estos quarks y electrones indivisibles. Tendríamos las partículas últimas. Pero lejos de tener una sola partícula final tenemos muchas: quarks, electrones, neutrinos, fotones etc... Es decir, todo un surtido de piezas fundamentales con las que construir la realidad.

Pues bien, la Teoría de cuerdas lo que promete (ya que aún es una teoría pendiente de comprobación experimental) es una simplificación muchísimo mayor. En lugar de tener tantos componentes fundamentales tendríamos uno solo, que serian unas cuerdas minúsculas (mucho más pequeñas que electrones o quarks) del tamaño de la llamada longitud de Plank 1.6x10-35  m. Se trataría de una partícula unidimensional, solo tendría una dimensión espacial, la longitud, a diferencia de las partículas actuales que son adimensionales (puntos sin dimensión). Estas cuerdas dependiendo de la vibración que produjesen serían las que configurarían las propiedades de un electrón, un quark, un fotón etc... hasta completar todas las vibraciones para todas las partículas conocidas. Es decir en vez de un surtido de partículas tendríamos una sola (la cuerda) que podría vibrar para "trabajar" como cualquiera de las partículas que a día de hoy se conocen, la misma cuerda dependiendo de su pauta vibracional sería una u otra partícula. Se las ha comparado con las cuerdas de por ejemplo un violín, donde la misma cuerda según se la pise en un lugar u otro nos da notas diferentes tratándose de la misma cuerda.

Así que se trataría de una unificación enorme puesto que se habrían reducido todas las partículas conocidas a una sola: la cuerda. Todo lo que configura la realidad no seria más que diferentes pautas vibracionales de un solo tipo de partícula. Pero la simplicidad va mucho má allá, puesto que esta cuerda no solo vibraria para formar todas y cada una de las particulas materiales (electrones etc...) sino que existirian pautas también para las partículas de fuerza. ¿He dicho partículas de fuerza? Si alguien se acaba de perder es culpa mia y solo mía. Haré una pequeña explicación de las particulas. Podemos agruparlas en partículas de materia y partículas de fuerza, las de materia son las ya conocidas tales como los quarks y electrones que formarán neutrones y protones para crear átomos y estructuras mayores como una mesa, una manzana o tu y yo por ejemplo. Las partículas de fuerza son las que transmiten las fuerzas de la naturaleza. Existen cuatro fuerzas conocidas: la fuerza electromagnética, la fuerza de la gravedad, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte y existe una partícula asociada a cada de una de ellas. Serian por orden los fotones, los gravitones (aunque se trata de una partícula hipotética, es decir pendiente de comprobación experimental), las partículas W y Z y finalmente  los gluones. Pues bien, nuestras cuerdas también serian las responsables de estas partículas de fuerza. O sea que un fotón, un gluón o un gravitón (si finalmente vemos alguno) no seria mas que una cuerda vibrando de un determinado modo. Por lo tanto la simplificación y unificación seria enorme porque tendríamos un solo ladrillo, la cuerda, que explicaría todas las partículas de la naturaleza, tanto las responsables de la materia coma las de la fuerza. Toda la existencia quedaría explicada por una sola partícula, la cuerda.


Partículas de fuerza en la naturaleza.


Pero no se trata solo de la unificación que promete la Teoría de cuerdas a nivel de partículas, sino que además esa consecuencia desastrosa que se produce cuando unimos la relatividad general con la mecánica cuántica quedaría resuelta. Con la Teoría de cuerdas se anulan, por una serie de procedimientos matemáticos excesivamente complejos, los infinitos que se producían al conjugar relatividad con cuántica. Es decir, podríamos aplicarla a escenarios donde el resto de teorías se enfrentan a dificultades como las singularidades (agujeros negros, big bang...).

Pero para hacerla más complicada si cabe aún, la Teoría de cuerdas necesita de un escenario de diez dimensiones espacio-temporales. Si, sí, en vez de las comunes cuatro dimensiones en las que nos movemos habitualmente, o eso creemos, es decir una dimensión temporal y tres espaciales, la teoría funciona con diez dimensiones, una temporal y nueve espaciales. Cómo es posible este escenario, cómo puede ser esto cierto y no darnos cuenta de que vivimos en nueve dimensiones  y no tres. La contestación sería que de las nueve dimensiones, tres serían nuestras dimensiones familiares y las seis restantes estarían tan "enrolladas", tan "plegadas" que nos pasarían desapercibidas a nuestra experiencia ordinaria. Entonces de que sirven, qué implicaciones tienen sobre nuestras vidas. Pues aunque a nivel macroscópico no podamos percibirlas, a niveles muy pequeños, y las cuerdas lo son, si que tendrían implicaciones puesto que las cuerdas se moverían en este escenario, vibrarían en estas dimensiones extras, con lo que su movimiento no sería el mismo sin estas nuevas dimensiones. Una buena manera de intentar "visualizar" mentalmente estas dimensiones extras es imaginando un escenario bidimensional, una alfombra por ejemplo. En ella una pelota puede moverse de izquierda a derecha y adelante-atrás, recordad que estamos visualizando un escenario bidimensional, el movimiento arriba-abajo no está permitido. Pues bien, si fuéramos haciendo un zoom cada vez mayor a la superficie de la alfombra llegaríamos a ver unos nudos, el entramado de la alfombra, que si bien a efectos macroscópicos no afectaría al movimiento de la pelota, si que influiría en el movimiento de algo muy pequeño, una pulga por ejemplo, ya que esta por sus dimensiones sí podría utilizar estas dimensiones extras para moverse por ellas. Volviendo a las cuerdas, estas vibrarían de igual manera en estas dimensiones adicionales.

La situación a día de hoy con la Teoría de cuerdas es bastante compleja, para empezar su elemento constituyente, la cuerda, tiene una tamaño tan extremadamente pequeño, 1.6x10-35 m, que es imposible visualizarlo y parece que por mucho que refinemos nuestros aparatos de medida va a seguir siéndolo quizá para siempre. Este es uno de los argumentos que esgrimen sus detractores que consideran que no se la puede considerar ni siquiera una teoría científica puesto que no pasa la comprobación experimental. Sus defensores, aunque reconocen esta problema, argumentan que sí podríamos llegar a comprobar la existencia de las cuerdas aunque de forma indirecta. Y además se muestran bastante esperanzados con una no muy lejana confirmación.

Sea como fuere, a día de hoy es una gran promesa en cuanto a teoría del todo se refiere, y se conseguiría el gran sueño de la unificación hace tanto tiempo ansiado, que fue por ejemplo buscado con gran ahinco por Einstein. Habriamos llegado al último constituyente de la materia, tendríamos en nuestras manos una herramienta poderosísima para dar cuenta de todo lo que somos y todo lo que nos rodea, del Universo entero. O quizá quien sabe, quizá lo que descubramos es que hemos dado un nuevo paso, uno gigante, pero que aún quedan más, a lo mejor lo que vemos es que lo que creíamos que sería la ultima gran teoría que todo lo une se convierte en una teoría que abarca mucho pero todavía  no todo. Lo primero sería impresionante pero quizá lo segundo, para desesperación de muchos, sería aún mejor, nos indicaría que hay que seguir buscando ya que nos habría abierto nuevos caminos que a día de hoy quizá no podamos ni imaginar. Ya lo dijo Albert Einstein: "Lo más incomprensible del Universo es que sea comprensible".

Y recuerda: Magia..., No, Ciencia!!

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domingo, 27 de enero de 2013

Teoría de cuerdas ( 1ª parte ).


 
Antes de comenzar me gustaría aclarar una cosa. Como habréis podido averiguar por el titulo, hemos optado por dividir esta entrada en dos partes. El motivo es doble, por un lado la entrada nos ha quedado un poco larga y por otro creemos que el tema es lo suficientemente denso (espero no haber perdido ahora mismo a la mitad de los lectores) que nos ha parecido oportuno daros un descanso para meditar y asimilar conocimientos antes de proseguir con el maravilloso mundo de las cuerdas. Dicho esto comenzamos...

Ahí es nada, Teoría de cuerdas. Me imagino que algunos de vosotros habéis oído hablar de ella, quizá tengáis la idea de que se trata de algo exótico (ciertamente lo es) o no sepáis muy bien de lo que se trata, quizás a otros ni siquiera os suene. Bueno, da igual, el objetivo es proporcionaros un resumen lo bastante clarificador (eso espero) para tener una vaga idea de lo que nos habla esta bella y elegante teoría, y para que aquellos que por primera vez se sumerjan en ella puedan disfrutar de un viaje a un "mundo" maravilloso.

Empecemos, qué intenta explicar la Teoría de cuerdas. Para contestar a esta pregunta hemos de remontarnos un poco en el tiempo y además explicar unos cuantos conceptos básicos.
Por así decirlo existen dos grandes teorías perfectamente asentadas, funcionando maravillosamente que son: la teoría de la relatividad general de Einstein (publicada en 1915) y la teoría cuántica. Ambas son unas herramientas poderosísimas para físicos y cosmólogos, pues explican a la perfección lo relativo al mundo macroscópico (órbitas planetarias, galaxias etc...) mientras que la teoría cuántica da cuenta del mundo microscópico, más exactamente del mundo atómico y subatómico (neutrones, electrones, quarks...etc). Es decir, tenemos dos buenas herramientas que funcionan muy bien en ámbitos distintos, lo muy grande y lo muy pequeño. Hasta ahora no tenemos ningún problema, puesto que las teorias funcionan y lo hacen en escenarios distintos, ahora bien, a los científicos les encanta la unificación, es decir, sintetizar cada vez más conocimientos en menos teorías, tratar de dar una misma explicación a distintos fenómenos que incluso algunas veces parecen totalmente distintos, incompatibles o incluso contradictorios. Y la verdad es que se les ha ido dando bastante bien lo cual les ha ido animando a continuar puesto que parece el camino correcto. Ya lo hizo Newton con la Ley de la gravitación universal donde de un plumazo unificó el cielo y la tierra, su teoría explica que la misma fuerza que hace que una manzana caiga al suelo es la responsable de que la luna orbite alrededor de la Tierra y por ende la Tierra alrededor del Sol y así el resto del sistema solar, galaxias...etc, llegando a dar cuenta de una fuerza, la gravedad, que se extiende a todo el universo, por eso es universal. ¡Qué grande Newton, como supo reunir en una bella teoría tanta explicación!
Más tarde Maxwell (otro grande), conseguiría unificar dos conceptos hasta entonces separados (electricidad y magnetismo) en una única fuerza: el electromagnetismo. Dicho así parece fácil, pero el mérito de descubrir que ambas propiedades son causadas por lo mismo es enorme. Así que podéis ver que la historia de la ciencia ha sido, y es, un largo camino de descubrimientos combinado con síntesis de esos hallazgos en teorías cada vez más completas, que unificaran más conocimientos en menos explicaciones.

Espacio rígido de Newton frente al espacio-tiempo flexible de Einstein.

Bien, volvamos al punto de partida. Decíamos que teníamos dos buenas teorías que respondían muy bien cada una de ellas en sus respectivos ámbitos: lo grande y lo pequeño, relatividad general y cuántica. Aquí es donde los científicos en su afán de unificar encuentran un problema, mejor dicho "EL PROBLEMA" puesto que se trata del mayor desafio al que se enfrenta la física en la actualidad. Cuando se intenta combinar la mecánica cuántica y la relatividad general se producen unos resultados catastróficos, las fórmulas se vienen abajo, la maquinaria se atora, concretamente los físicos empiezan a obtener como soluciones de sus ecuaciones infinitos, que es un resultado bastante desconcertante e indica que algo falla.
Alguno de vosotros podría pensar, pues que no las combinen y listo, cuando traten con cosas grandes que utilicen la relatividad general y la mecánica cuántica cuando tengan que vérselas con cosas pequeñas. No está mal, pero ya os habréis imaginado que no es tan fácil.
El intento de unificación no es sólo un capricho de los científicos. Aunque es cierto que les encanta la búsqueda de teorías que sinteticen otras anteriores porque esto resulta sencillo y elegante, hay una causa mayor en el intento de esta búsqueda de una teoría que aúne ambas. Hay determinados escenarios donde no podemos elegir usar una u otra teoría sino que debemos combinar ambas ya que se dan las dos características al mismo tiempo lo grande y lo pequeño. Cómo es esto posible, cómo un mismo escenario puede reunir las dos propiedades al mismo tiempo, de qué escenarios hablamos.
Nos referimos a lo que se conoce como singularidades, los agujeros negros son una de ellas, los momentos iniciales de nuestro universo, el big bang, otra. En estas singularidades nos encontramos con ambas propiedades a la vez. Cuando nos remontamos a los primeros momentos de nuestro universo, según la teoría del big bang, hablamos de un escenario muy pequeño pero al mismo tiempo de una densidad extrema. Lo cual obliga a tener que combinar ambas teorías con el consiguiente fracaso en forma de infinitos. En estos escenarios es donde necesitamos hacer uso de  las dos teorías de forma simultánea y aquí es donde la Teoría de cuerdas promete ser esa teoría que unifique la mecánica cuántica y la relatividad general.

Y como ocurre siempre en la vida real, las cosas se acaban cuando llegamos al mejor momento (al menos eso espero, que estéis disfrutando), así que tendréis que tener un poco de paciencia para poder leer la segunda entrada de la Teoría de cuerdas.

Y recuerda: Magia..., No, Ciencia!!

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