Los teóricos de cuerdas apiñan nueve dimensiones en tres
Una simulación indica que las direcciones espaciales adicionales no perduraron
Una simulación de los inicios del universo utilizando la Teoría de Cuerdas podría explicar por qué el espacio tiene tres dimensiones espaciales observables en lugar de nueve.
La principal explicación matemática de la física que va más allá de la teoría moderna de partículas postula que la base fundamental de la materia y las pequeñas fuerzas son trozos de cuerda vibrante.
La teoría de cuerdas requiere que el universo tenga seis o más dimensiones espaciales, además de las que se observan en la vida cotidiana. Explicar cómo se ocultan esas dimensiones extra es un reto fundamental para los teóricos de cuerdas.
“Este nuevo estudio demuestra, por primera vez, que nuestro espacio en 3D surge de forma natural… en el espacio 9D que tiene como original la teoría de cuerdas”, dice Jun Nishimura de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía en Tsukuba, Japón. Él y sus colegas publican sus hallazgos en el reciente número de Physical Review Letters.
En la simulación, el universo comienza como una diminuta bolsa de cadenas, que es simétrica en nueve dimensiones diferentes.
Cuando las cuerdas interactúan con una fluctuación de energía al azar —proporcionada por las leyes cuánticas que gobiernan estas pequeñas escalas— se rompe la simetría. Tres dimensiones se inflan hacia el exterior, dejando a las otras seis con un enanismo de una milmillonésima de billonésima de billonésima de centímetro: demasiado pequeñas para ser detectadas.
Ya hace tiempo que la aplicación de la Teoría de Cuerdas al comienzo del Universo en esta forma viene resultando difícil.
Esto se debe a que los cálculos incluidos en las versiones tradicionales de la teoría sólo se pueden resolver cuando las cadenas interactúan débilmente a bajas temperaturas, no en el hirviente remolino que existía momentos después del Big Bang.
Para hacer frente a las energías extremas del Big Bang, Nishimura y su equipo tuvieron que recurrir a una versión de la teoría de cuerdas, llamada IIB, en la que las grillas de ecuaciones pueden ser alimentados en un superordenador.
Limitados por la potencia de este ordenador, los investigadores sólo pudieron rastrear las interacciones de 32 cadenas en la primera fracción de segundo de la Historia.
Para algunos físicos, de esta manera de aproximación a la Teoría de Cuerdas es demasiado simplista para ser creíble. “En un marco como el que están utilizando… falta un montón de otras cosas que harían un modelo realista”, dice Shamit Kachru, un físico teórico en la Universidad de Stanford.
Para probar la utilidad de este nuevo enfoque, el equipo de Nishimura tendrá que estudiar momentos mucho más tarde en la Historia del Universo, comparando sus resultados con las observaciones reales de cómo se distribuye la materia en el universo.
Triunfos de la teoría
Debido al principio de correspondencia, lo primero que se debe hacer al fórmula una nueva teoría que trate de extender otras ya existentes es comprobar que para los límites en los cuales las anteriores funcionaban, la nueva teoría se reduce a ellas.
De esta manera, la Relatividad General se reduce a la Gravitación de Newton para los límites en los que la velocidad sea infinito y el campo débil.
También la Mecánica Cuántica tiende a la física clásica en el caso en el que la constante de Plank se hace cero. De la misma manera cualquier teoría unificadora debe tender a todas estas teorías para distintos límites. Algo más complicado que en los casos que acabamos de comentar ya que una sóla teoría debe reducirse a otras tan diferentes entre sí.
Las teorías de cuerdas lo consiguen proporcionando de manera natural la Relatividad General, las teorías gauge, los campos escalares o fermiones quirales entre otros muchos fenómenos. Esto por sí solo ya es un gran triunfo.
Como ya hemos dicho, una teoría de Gravedad Cuántica debe ser capaz de explicar fenómenos que conjugen grandes masas con escalas de espacio pequeas. Uno de los principales exponentes de esto son los Agujeros Negros.
Desde que Stephen Hawking propuso la fórmula que relacionaba la entropía que estos contenían con su masa muchos se preguntaron cuál podría ser el origen microscópico de esta entropía. Como la entropía está relacionada directamente con el número de microestados según la Mecánica Estadística, algunos físicos aplicaron la teoría de cuerdas para calcular este número de microestados obteniendo así la fórmula ya conocida.
Pero sin duda uno de los mayores trinfos de esta teoría ha sido la dualidad Anti-de-Sitter(AdS) con la Teoría Cuántica de Campos Conforme(CFT) propuesta por Juan Maldacena en 1997. A partir de este principio se explicó que en los Agujeros Negros no había perdida de información ya que en una CFT no la hay.
Precisamente el artículo de Maldacena donde propone esta dualidad se ha convertido en el más citado de la historia. Un avispado lector podría darse cuenta que esto no se debe únicamente a su importancia en las teorías de cuerdas. En cambio, se han propuesto muchísimas aplicaciones de este principio en campos tan aparentemente distantes como puedan ser la Superconductividad o la Dinámica de Fluidos. Con esto podemos decir que se demuestra que la teoría de cuerdas es correcta o no, ya ha dejado un legado importantísimo en la Historia de la Física.
Otros de los problemas fundamentales de la física teórica actual y que se espera que una teoría del todo sea capaz de explicar es el del valor de la Constante Cosmológica. Desde la teoría de cuerdas, la constante cosmológica es un parámetro libre y del que se espera que puedan existir infinitos universos cada uno con su propio valor para reduciendo esta magnitud a una variable ambiental.
La teoría predice la existencia de axiones, unas partículas que permitirían explicar por qué la violación de CP es tan pequeña y podrían ser un candidato para formar parte de la materia oscura.
Problemas
Lo que para unos son triunfos de la teoría, para otros son problemas. Los existencia de valores distintos de la constante cosmológica (en realidad también puede aplicarse para otras constantes fundamentales) se explicaría como consecuencia de las distintas maneras que se tienen de plegar las dimensiones extras que se necesitan por coherencia matemática y que no se vemos en nuestra experiencia cotidiana.
El convertir a las constantes fundamentales en variables ambientales necesita del principio antrópico para explicar su valor. Esto es algo que no gusta a muchos físicos y por tanto aún no existe un total consenso acerca de esta explicación de la Constante Cosmológica. Además esto implicaría que la gran mayoría de universos estarían fundamentalmente vacíos ya que no se darían las condiciones para que se formara, no ya vida, sino simplemente estructuras macróscopias coherentes.
Como ya hemos comentado antes, uno de los mayores retos es la de diseñar experimentos que nos permitieran verificar la teoría. La tecnología actual nos permite trabajar con energías máximas del orden del TeV (en los experimentos más avanzados como el LHC) mientras que en la teoría de cuerdas los elementos básicos se ``mueven'' en energías del orden de TeV.
Tratar de describir fenómenos que ocurren a energías tan bajas comparadas con los ordenes en los que se mueve la teoría sería como describir un partido de fútbol ( GeV) con la Electrodinámica Cuántica ( GeV).
Posibles experimentos futuros
Aunque como acabamos de comentar, realizar experimentos en un futuro próximo parece que será imposible, se ha teorizado sobre posibles hechos experimentales que podrían darnos alguna sorpresa en este aspecto.
Hay algunas teorías que predicen que algunas de las teorías extras serían mucho mayores que la longitud de Plank y que podrían ponerse de manifiesto en los experimentos del LHC aunque parece bastante dificil. También se ha especulado con que podría existir una red de cuerdas fundamentales en el Universo. Esto predecía una medida para la radiación de fondo de microondas que no se corresponde con los datos experimentales.
De la misma manera se ha calculado como las D-Branas habrían producido fluctuaciones no-gaussianas durante la inflacción. Se sabe que estos dos últimos puntos no pueden ser la contribución dominante de la radiación de fondo pero se sigue considerando si pudieran estar debajo de otras contribuciones. Se esperan los datos del Plank para seguir avanzando en este punto.
¿Por qué es importante la Teoría de Cuerdas?
Sólo el hecho de que por ahora se la considere como la más firme candidata a unificar todas las fuerzas fundamentales debería ser razón suficiente pero afortunadamente no es la única.
Tampoco podemos olvidar que nos ha dado nuevas e imaginativas propuestas de entender y resolver los problemas de la Física de Partículas y de la Cosmología. Nos ha mostrado como a partir de una D3-brana se puede deducir el grupo U(1) uno de los grupos de simetría fundamentales del modelo estándar.
Pero no sólo es importante estudiar esta teoría por su propia esencia. Las técnicas que se han desarrollado pueden servir en otras disciplinas de la Física como ya ha pasado con el principio holográfico de Maldacena. Y no sólo en la Física, contrariamente a lo que suele ser habitual, las necesidades de la teoría de cuerdas han llevado a que los físicos desarrollen campos de las matemáticas como la compactificación de variedades o las simetrías espejo. Un cambio notable en la interacción historica entre la física y las matemáticas.
Tampoco podemos despreciar lo que ha conseguido esta teoría al congregar dos ramas de la física como son la Relatividad General y la TCC que anteriormente se consideraban totalmente estancas, además de fenomenólogos, matemáticos y demás. Actualmente la comunidad de cuerdas es una de las más variada y dinámica de la ciencia actual.
