Teoría de cuerdas: Averigua qué es, teoría descartada, fórmulas y más

El ser humano, siempre ha buscado resolver las preguntas más importantes de nuestra existencia, tales como ¿Qué somos?, ¿Por qué estamos aquí?, ¿Cómo estamos aquí? e incluso ¿De qué esta formado nuestro Universo?, y a partir de esta última pregunta, han surgido variadas teorías que intentan explicarlo y la teoría de cuerdas es una de ellas. 

Qué es la Teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas es un modelo fundamental o una teoría del todo, que planea explicar la estructura del Universo de una manera más completa, unificando las 4 fuerzas de la naturaleza y explicando cómo trabajan juntas en el Universo que conocemos. Esta teoría plantea que las partículas materiales o subatómicas que, según la física actual son aparentemente puntales, en realidad tienen un estado vibracional de un cuerpo con longitud en vez de un punto, denominado cuerda o filamento. 

Esto explica de cierta manera que un electrón no es un punto con dimensión 0 y sin una estructura interna, si no que es un conjunto de diversas cuerdas de tamaño diminuto que se encuentran en vibración dentro del tejido de espacio-tiempo. 

Las cuerdas, según esta teoría, se encontrarían vibrando de diversas maneras, y que según esta, determinará que material conformará, ya sean electrones, protones, neutrones e incluso quarks.

Lo más increíble de esta teoría no es cómo plantea la posibilidad de que las partículas subatómicas, que a su vez están compuestos por quarks, estén compuestos por filamentos o cuerdas, si no que, al tratar de integrar la gravedad dentro de esta Teoría del Todo, no podían lograr que la Gravedad se comportara de la manera correcta teniendo tan solo 3 dimensiones

Por lo que se llegó a la conclusión que, dependiendo de la oscilación de la cuerda, deberían existir al menos 9, 10 u 11 dimensiones más en el Universo, de las cuales tan sólo podemos observar 3, ya que las demás son simplemente muy pequeñas para el ser humano manejarlas. 

La asombrosa Teoría de cuerdas

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Fuerzas fundamentales de la Naturaleza 

Todas las fuerzas que existen en el Universo, se pueden explicar mediante la utilización de 4 tipos de interacciones fundamentales, llamadas fuerzas de la naturaleza, donde cada una responde a leyes distintas, actuando y comportándose a su manera sin relación con la otra. 

Al trabajar tan independientemente de la otra, los científicos físicos, han buscando la manera de unirlas y unificarlas mediante una sola ley, donde se explique, sin dejar espacios vacíos, de qué manera trabajan unas con las otras, denominándose la “Teoría del Todo”, planteamiento que Albert Einstein comenzó a investigar sin poder terminar. 

Actualmente se han logrado unir 3 de ellas en una sola ley, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil,  sin embargo, la más conocida de todas y la más débil, la gravitatoria, se ha comportado de forma rebelde y sin causa, siendo los físicos, incapaces de acoplarla a las leyes que tratan actualmente de explicar la interacción macroscópica de estas para formar las fuerzas cotidianas que detectamos día a día en nuestro entorno. 

• El electromagnetismo

La fuerza electromagnética es aquella fuerza que es responsable de la interacción entre partículas que poseen una carga eléctrica, y, por supuesto, de todas las reacciones químicas, así como de todos los fenómenos biológicos. El radio de interacción es infinito y actúan sobre las partículas cargadas a través del intercambio de fotones, que son las partículas de luz.

Su explicación y existencia dan paso al conocimiento de cómo se comportan y porqué surgen fenómenos como la electricidad, el magnetismo, las interacciones entre la luz y la materia, ondas electromagnéticas y la estructura interna de la materia, como el átomo y las moléculas. 

• La fuerza nuclear fuerte

Esta fuerza o interacción es sumamente importante, ya que explica, de cierta manera, cómo en el átomo, los protones permanecen de forma estable en una sola posición dentro del núcleo atómico, teniendo en cuenta que las cargas de igual signo se repelen, y al estar sumamente cerca por lo que esta fuerza de repulsión sería gigantesca. 

Su estabilidad se ve explicada gracias a esta nueva interacción, que es diferente a la electromagnética, y que logra hacer que los protones y los neutrones se atraigan. Esta fuerza no forma parte de la vida cotidiana del ser humano, ya que aparece tan solo en los núcleos atómicos y de su tamaño. 

• La fuerza nuclear débil 

Esta fuerza de interacción, forma parte de las 4 fuerzas fundamentales del modelo estándar de la física de las partículas materiales, o subatómicas que ya se conocen. Es la fuerza responsable de toda la desintegración radiativa. 

Su nombre deriva de que tan solo aparece en distancias cortas, tales como las existentes en un núcleo de algún átomo, y además de poseer un campo de interacción o de fuerza mucho menor, en comparación, al de la fuerza nuclear débil, sin embargo, ambas, siguen siendo mucho más fuertes a las la fuerza de interacción de la gravedad. 

Esta interacción es la encargada, además, de la producción de radiación, así como de la generación de energía calórica en el Sol, mediante los procesos de fusión nuclear entre los átomos de hidrógeno, lo que hace que brille. (Visitar artículo: ¿Por qué brilla el sol?“

• La gravedad

Es la cuarta y la más débil de las fuerzas de la naturaleza o las fuerzas de interacción fundamentales del modelo de física estándar de partículas materiales o subatómicas, y se refiere al fenómeno natural por el que los objetos con cierta masa, son atraídos entre sí, efecto que puede observarse con mayor claridad en los planetas, galaxias y sobretodo entre la Luna y la Tierra o la Tierra y la estrella del Sistema en que vivimos, el Sol. 

Esta interacción genera una aceleración, lo cual determina la rapidez en que los cuerpos de menor tamaño entre dos o más, se dirige hacia la parte central del cuerpo de mayor masa. Además, tan solo es apreciable cuando estos cuerpos están situados en un lugar de forma acumulada, moldeando la materia de la manera más esférica posible. Por otro lado, esta fuerza es la más débil de todas, aspecto que es posible comprobar al tomar algún objeto de metal y un imán, y acercarlo a él. pues este se levantará, venciendo así la fuerza magnética a la fuerza gravitatoria. 

La Teoría de Cuerdas en 7 minutos

Estructura de la Materia según esta Teoría

Como se mencionó anteriormente, esta teoría agrega a los niveles de aumento de la materia un nivel más de división por el cual el cual los elementos podran interactuar entre si, modificando el modelo actual de la física

• Materia común 

Este nivel se compone por todos los objetos comunes que observamos todos los días, la materia compacta por llamarlo de alguna manera, los minerales o cuerpos que nos rodean en nuestra vida y que podemos observar a simple vista en nuestro alrededor. 

• Estructura molecular

La estructura molecular sería la forma en que los diferentes átomos son unidos para formar un compuesto o un elemento diferente al átomo puro. 

• Átomos

Los átomos, quienes componen la molécula. Es la unidad más pequeña de la materia y su partícula fundamental. Está compuesta por protones y neutrones en su núcleo y electrones orbitando alrededor de este. 

• Protones y neutrones 

Son las partículas subatómicas por las cuales está compuesta el átomo, además del electrón. El protón está cargado con una carga positiva mientras que el neutrón es neutral. Ambas se encuentran en el núcleo del átomo.

• Quarks 

Luego, los protones y neutrones están compuestos por quarks. Existen 6 tipos de quarks los cuales poseen nombres muy peculiares, el Quark u (arriba/ up), el Quark d (abajo/ down), el Quark s (extraño/ strange), el Quark c (encanto/ charm), el Quark t (cima o verdad/ top o truth) y el Quark b (fondo o belleza/ bottom o beauty).

Son las únicas partículas elementales, o fermiones que logran interactuar con las 4 fuerzas de la naturaleza en su totalidad, y las cuales unidas logran formar una partícula subatómica, por ejemplo, un neutrón, el cual está formado por dos quarks abajo y un quark arriba. 

• Cuerdas 

Por último conseguimos a las cuerdas o los filamentos, los protagonistas de la teoría de cuerdas, las cuales según la manera en que interactuen con otras, formarán distintos tipos de quarks y por lo tanto, de materia. 

Sus ideas fundamentales

Esta teoría se basará en dos ideas fundamentales por las que girarán todas las conclusiones y todos los puntos o aspectos que buscan demostrar para explicar el funcionamiento del todo en el Universo en base a las cuerdas o filamentos como componente fundamental de la materia. 

• Los objetos fundamentales o partículas elementales por las que se basa la teoría no serán puntos o partículas puntuales, si no objetos unidimensionales con longitud. En la teoría M también se aceptan objetivos de dimensión superior denominadas p-branas.

• El tejido espacio-tiempo, en el que interactuan, vibran, oscilan o mueven las cuerdas, filamentos o p-branas no sería el típico espacio-tiempo ordinario de 4 dimensiones si no uno de tipo Kaluza-Klein donde se le agregan 5,6 o 7 dimensiones más a las 4 ya existentes, de una forma sumamente compactada y de dirección variable por lo cual existirían 9, 10 y 11 dimensiones, donde una de ellas sería temporal, 3 dimensiones espaciales (las convencionales) y otras dimensiones que no son observables y situadas de forma compacta en la práctica. 

Variantes de esta teoría

Existen, dentro de la teoría de cuerdas, 5 variantes o 5 tipos de esta teoría, en donde cada una tiene sus propias características y según su vibración u oscilación pueden conformar una materia que en otro tipo de teoría de cuerdas no formaría, sin embargo, todas conforman, mediante diferentes tipos de perspectivas, relaciones de dualidad que permiten observarlas y relacionarlas entre ellas mismas. 

Teoría de cuerdas de Tipo I

En esta teoría se observan aparecer cuerdas o filamentos y D-branas que pueden ser cerradas o abiertas, y que logran movilizarse o vibrar dentro de 10 dimensiones de las cuales las D-branas pueden contar con 1, 5 o 9 dimensiones espaciales. 

Teoría de cuerda de Tipo IIA 

Esta se relaciona con la teoría de Tipo I en vista de trabajar en un espacio de 10 dimensiones, sin embargo se diferencian al estar compuesto por cuerdas y D-branas cerradas y además, incorporan partículas teóricas llamadas gravitones, que estarían encargadas del transporte de la gravedad utilizando la supersimetría como relación, incluso, las D-branas son compuestas por dimensiones 0, 2, 4, 6 u 8. 

Teoría de cuerdas de Tipos IIB

Al igual que la teoría I y IIA, la variante de teoría de cuerdas tipo IIB trabaja con 10 dimensiones, sin embargo se diferencia de la variante tipo IIA gracias a que no es quiral, por lo que conserva la paridad. Sin embargo, de resto, todo es igual que la variante anteriormente nombrada. 

Teoría de cuerda heterótica SO(32)

Esta variante de la teoría de cuerdas está basado en un grupo de simetría O(32).

Teoría de cuerdas heterótica E8xE8

La variante de la teoría de cuerdas de tipo heterótica E8xE8 está basada en el grupo de Lie excepcional de E8, propuesto por Gross, Harvey, Martinec y Rohm en 1987.  

La increíble Teoría de cuerdas 

Controversia y Teoría descartada 

Esta teoría ha sido protagonista de mil y una controversias en cuanto a su investigación y comprobación en el mundo científico, todo debido a que según sus defensores, de ser real esta teoría, puede convertirse en una o en la teoría más predictivas del mundo científico y el mundo de la Física, siendo hábil de explicar y predecir propiedades fundamentales en aspectos de geometría y que a día de hoy no comprendemos en totalidad de la Naturaleza, cómo el funcionamiento y la unificación de las 4 interacciones fundamentales de la Naturaleza.

Sin embargo, los físicos que han trabajado y que continúan trabajando a día de hoy en esta teoría, no han sido capaces de establecer ninguna predicción matemática con precisiones exactas que logren sustentarla mediante datos experimentales y empíricos, es decir, de laboratorio.

Esto se debe a que para poder comprobar si la teoría de cuerdas es correcta, se necesita tecnología y métodos matemáticos que en la actualidad no existen, por lo que son incomprobables hasta que surgan estas tecnologías y conocimientos y se pueda descartar o comprobar la veracidad de esta teoría de una vez por todas. 

Según los mismos científicos que trabajan en pro a esta teoría, toman el argumento de que la teoría de cuerdas es una de las más ambiciosas que ha existido en el mundo de las postulaciones científicas, y que al abarcar tantos aspectos y ser tan radical y, para muchos, “fantasiosa” puede ser tanto 1oo por ciento real, como 100 por ciento falsa. 

Si esta teoría llegara a ser falsa, lo que actualmente tiene muchas posibilidades, debido a que no se ha logrado defender en su totalidad mediante métodos matemáticos ni experimentales, significaría, según Lee Smolin, físico teórico graduado de la Universidad de Harvard, Massachusetts, que:

“Si los teóricos de cuerdas se equivocan, no pueden equivocarse sólo un poco. Si las nuevas dimensiones y las simetrías no existen, consideraremos a los teóricos de cuerdas unos de los mayores fracasados de la ciencia (…). Su historia constituirá una leyenda moral de cómo no hacer ciencia, de cómo no permitir que se sobrepasen tanto los límites, hasta el punto de convertir la conjetura teórica en fantasía”

Las cuales son palabras bastante rudas y que ponen en bastante presión a los científicos de la teoría de cuerdas para comprobar esta teoría como verdadera. 

Por otro lado, otros científicos, como D. Gross, ganador del premio Nobel de la Física, han trabajado arduamente para demostrar como verídica la teoría de cuerdas y se ha figurado, en conjunto con Edward Witten, como un gran luchador de la teoría de cuerdas, sin embargo, no hace mucho tiempo declaró que ni ellos mismos “saben de que están hablando” lo que suena preocupante y negativo para el apoyo de esta teoría. 

Teoría M  y Teoría de las Supercuerdas

La teoría M es una teoría física, al igual que la teoría de cuerdas que busca explicar el funcionamiento complementario y unificado de las 4 fuerzas de la naturaleza, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y la gravedad.

Esta teoría tiene origen en la teoría de cuerdas, y toma la teoría de las supercuerdas y supergravedad y las combina en once dimensiones, a partir de la idea de que las partículas elementales no son puntuales si no pequeños filamentos unidimensionales que se encuentran en constante vibración llamadas cuerdas. 

En esta teoría se propone que las partículas elementales, presentadas en forma de cuerdas, se encuentran oscilando o moviéndose rápidamente en el tejido de espacio-tiempo abarcando un total de 10 dimensiones espaciales y una temporal, dando un total de 11 dimensiones. 

El significado de la letra M en el nombre de la teoria, según su postulador y creador toma el significado de magía, misterio y membrana, siendo elegible uno de los tres para cada persona, según sus gustos. Sin embargo el verdadero significado de la M proviene del ultimo termino, “Membrana” debido al uso de las branas que son formadas por cuerdas más grandes, como en la teoría de cuerdas. 

La teoría de las cuerdas y los universos paralelos

Muchos científicos que no apoyan esta teoría se han tomado la libertad de adjudicarle otros significados, no reales, a la M que se ubica en su nombre, tales como “Madness” o “Locura”, “Murky”, que se traduce como “cengoso” debido a su nivel de comprensión y explicación, “Moronic” una expresión para “estúpido” o “Mud” que se traduce como “lodo”. 

Por otro lado, todos los apodos no son negativos, ya que los que sí apoyan esta teoría, que cada vez crecen más, la han llamado “Matriz” que sería una alusión a la madre de todo, “Madre de todas las cuerdas”, un apodo similar al anterior, e incluso han querido decir que la M en realidad es una W girada por “Witten”, apellido del científico que la postuló por segunda vez y que actualmente continúa trabajando en investigaciones para comprobar esta teoría desde 1995, Edward Witten. 

Principio holográfico

El principio holográfico es un principio postulado dentro de la teoría de las supercuerdas, donde se toma en cuenta otras teorías de gravedad cuántica propuestas por el físico Gerard´t Hooft en 1993 y actualmente impulsada por el científico Leonard Susskind desde 1995

Explica que toda información que está contenida en un volumen de un espacio en específico puede ser conocido a partir de la decodificación de la información encontrada en la frontera de esta zona o región, por lo tanto, la información máxima que puede poseer cierta región que está rodeada por una superficie codificable y diferenciable está limitada por el espacio o volumen que ocupe esta superficie. 

Un ejemplo de esto podría ser una casa, pues según este principio, todos los eventos y acontecimientos que ocurran en el interior de la casa se pueden modelar de cierta manera a partir de esta teoría para que sólo sean tomados en consideración los eventos que ocurran en las paredes que delimitan la casa. 

Los universos paralelos

Una de las principales y más llamativas propuestas de esta teoría, es nada más y nada menos que la Teoría de los Universos paralelos, defendiendo a partir de el uso de las cuerdas y filamento, la existencia de no solo uno o dos si no infinitos universos existentes además del nuestro. (Visitar artículo: ¿Qué es universo paralelo?)

Esto se explica debido a que con las cuerdas, siendo de un tamaño un poco mayor a los que poseen otras partículas podrían formar branas, o membranas circulares, donde cada una de ellas sería un universo. 

La colisión entre dos branas se entendería como una colisión entre dos universos, lo que ocasionaría un Big Bang, dando origen a un nuevo Universo, lo que significaría que no hay ni un comienzo ni un final para los Universos, si no una Gran Explosión tras otra en un ciclo sin fin y en diferentes oportunidades y lugares. 

¿Has oído hablar de la Teoría de Cuerdas?

El Universo Elegante 

El Universo elegante es uno de los libros más famosos de divulgación científica publicado en 1999 por el Doctor Brian Greene, donde se describen, dentro de sus 5 partes y 15 capítulos los últimos avances dentro de la teoría de cuerdas y de su investigación, introduciéndonos así mismo dentro de la Teoría de la Relatividad y la mecánica cuántica, la cual está compuesta por las interacciones de electromagnética, fuerza nuclear fuerte y la interacción de fuerza nuclear débil, para explicar en su totalidad la Teoría de Cuerdas para el mayor entendimiento del lector. 

Su contenido se basa en 5 partes, donde engloban 15 capítulos en total distribuidos de diferentes maneras dentro de cada parte del libro. Su división y de qué trata cada parte y capítulo es así: 

• Parte I: La primera parte del libro es llamada “Los límites del Conocimiento” y esta compuesta por un solo capítulo donde se plantean los objetivos y propósitos generales del libro y expone de una manera concreta en qué consiste la teoría de cuerdas
  • Capitulo 1: este es un capítulo que toma el papel de introducción a la teoría de cuerdas, explicando de manera clara la incompatibilidad de esta teoría con la Teoría de la relatividad y de la mecánica cuántica.Incluso logra explicar las propiedades fundamentales de las partículas elementales de la materia.

• Parte II: Está compuesta por 4 capítulos, y se denomina “El dilema del espacio, el tiempo y los cuantos”, en ella se resume de forma divulgativa todos los pensamientos que rigen antes de la teoría de las cuerdas como la Relatividad. 
  • Capítulo 2: el segundo capítulo es llamado “El espacio y el tiempo, la mirada del observador” y simplemente se resumen de una manera explicita los principales aspectos de la teoría de la relatividad para poder comprender mejor el funcionamiento de las cuerdas. 
  • Capitulo 3: trata “Sobre alabeos y ondulaciones” e incluye los problemas que la relatividad ocasionó a la física y los espacios vacíos dentro de ella, así como de sus consecuencias. 
  • Capítulo 4: “Misterio microscópico” abarca los problemas introducidos por otra área que sea diferente a la física, como el Universo a pequeña escala y los fenómenos de índole cuántico.
  • Capítulo 5: “La necesidad de una nueva teoría: relatividad espacial vs mecánica cuántica”, es un capítulo dedicado a compatibilizar ambas teorías y de analizarlas.  

• Parte III: “La sinfonía cósmica”
  • Capitulo 6: “Sólo Música: Los elementos escenciales de la teoría de supercuerdas”, introduce de forma básica a la teoría de cuerdas como partículas fundamentales. 
  • Capítulo 7: “Lo de super en las supercuerdas” abarca temas relacionados con la supersimetría
  • Capítulo 8: “Más dimensiones que las que el ojo puede captar” explica la posibilidad de la existencia de más de 4 dimensiones en el espacio-tiempo
  • Capítulo 9: “El rifle humeante: rúbricas experimentales” habla de todas las predicciones y soluciones empíricas que la teoría a logrado aportar en base a la tecnología actual. 

La simplicidad de la Teoría de cuerdas

• Parte IV: “La teoría de cuerdas y la estructura del espacio-tiempo” esta parte explica en su totalidad todas las propuestas que esta teoría han tomado de la teoría de supercuerdas. 
  • Capítulo 10: “Geometría cuántica” habla de la topología de las cuerdas, así como de sus masa y los modos vibracionales de ellas. 
  • Capítulo 11: “Rasgando la estructura del espacio” incluye un análisis de si el espacio-tiempo puede sufrir cambios topológicos particulares o deformaciones continuas
  • Capítulo 12: “Más allá de las cuerdas: en busca de la teoría-M” este capítulo es uno de los más importantes, ya que explica cómo los 5 tipos o variantes de esta teoría, se podrían unificar en una sola, la Teoría M
  • Capítulo 13: “Los agujeros negros: una perspectiva desde la teoría de cuerdas y la teoría-M” explica la relación de los agujeros negros microscópicos y las partículas elementales, así cómo de donde pueden salir las grandes entropías de ellos a través de las cuerdas.
  • Capítulo 14: “Reflexiones sobre cosmología” explica cómo la teoría de cuerdas podría modificar algunos aspectos de los modelos de cosmología existentes como el Big Bang o la teoría inflacionaria. 

• Parte V: “La unificación en el siglo XXI” aquí el Dr. Greene explica cuales son los descubrimientos actuales de la teoría de supercuerdas y otorga nuevas perspectivas a las teorías del todo. 
  • Capítulo 15: “Perspectivas” por ultimo, en el capítulo 15 se habla de las cuestiones especulativas sobre el espacio, el tiempo y la importancia de la teoría de cuerdas.