Teoría de cuerdas

  • Entre Lazos Invisibles

    ¿Está formada la realidad por cuerdas invisibles?

    De la necesidad de unificar la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica surgió, a principios de los años setenta, la muy polémica y controvertida Teoría de Cuerdas.

    La idea principal de esta teoría es que todas las partículas elementales, que como vimos en la entrada “¿Existimos Realmente?” son muchas y muy diversas, están formadas por unos diminutos hilos de energía vibrante en forma de lazo denominados “cuerdas” y dependiendo de la forma en la que vibre dicha cuerda “interpretará la música” de cada una de las distintas partículas elementales. La longitud de una estas cuerdas es de 10 -35 (longitud de Planck) algo tan extremadamente pequeño que sería complicado poderlo ver alguna vez.
    Según los cálculos matemáticos en las que se apoya esta teoría, el espacio-tiempo debe poseer 10 dimensiones: las tres dimensiones espaciales, el tiempo y otras seis no visibles porque están enrolladas sobre las otras cuatro.

    ¿Qué significa que las dimensiones estén enrolladas?

    Según nos explica Brian Greene en su libro “El Universo Elegante” podemos entenderlo observando una manguera desde lejos. Desde nuestra posición la veríamos como una línea recta y si una hormiga se paseara por dicha manguera pensaríamos que ésta sólo podría avanzar de izquierda a derecha como correspondería a una sola dimensión.
    Sin embargo, no hay que olvidar que se trata de una manguera, es decir, un objeto de dos dimensiones enrollado sobre sí mismo, por lo que la hormiga también podría caminar alrededor de la misma. Lo que sucede es que la longitud de la manguera se puede ver fácilmente, pero su grosor es difícil de distinguir (sobre todo desde lejos), sin embargo, ahí está.
    Siguiendo este razonamiento, en nuestro universo podemos observar fácilmente las dimensiones extendidas (las tres dimensiones habituales), pero no podríamos observar las adicionales que estarían estrechamente enrolladas en un espacio inimaginablemente pequeño. Si la hormiga se redujera a un tamaño un billón de veces menor podría recorrer esta dimensión circular.
    ¿Cómo influyen las dimensiones adicionales en las cuerdas?
    Estas seis retorcidas dimensiones se trenzan y se envuelven unas a otras de manera que terminan afectando a la vibración de las cuerdas dando lugar así a las diferentes tipos de partículas e incluso se supone que mantiene al universo en los valores justos compatibles con la vida.
    Documental «El Universo Elegante»

    ¿Cómo elude la teoría de cuerdas el problema de la singularidad del Big Bang?

    A medida que retrocedemos en el tiempo hacia el origen del universo la curvatura espacio-tiempo se va incrementando, pero en lugar de llegar a un valor infinito, alcanza un máximo y luego decrece.
    ¿Por qué sucede esto?
    Si retomamos la manguera de la comparación que hace Greene con las dimensiones enrolladas del universo, si ésta se fuese reduciendo cada vez más hasta llegar a un punto donde el radio de la dimensión circular fuese la longitud de Planck e intentase reducirse más daría como resultado una expansión.
    A finales de los ochenta, los físicos Brandenberger y Vafa mostraron cómo la teoría de cuerdas modificaba las conclusiones de la teoría cosmológica estandar:
    Si hacemos retroceder el tiempo hasta el origen del universo la temperatura se eleva hasta que el universo alcanza la longitud de Planck en todas las direcciones, sin embargo, a partir de ahí la temperatura empieza a descender. Es decir, la temperatura y la energía ya no llegan a ser infinitas (como en la teoría estándar). Esto es debido a que las dimensiones espaciales del universo la suponen circulares (como la manguera).
    Al retroceder el tiempo, los radios disminuyen hasta la longitud de Planck y a partir de ese tamaño comienza a hacerse mayores. Como las temperaturas descienden cuando el universo se expande, la temperatura dejaría de subir al alcanzar ese máximo.
    En ese momento todas las dimensiones espaciales de la teoría de cuerdas son simétricas y están enrolladas en una nuez del tamaño de Planck, cuando intentan expandirse las cuerdas envolventes lo impiden haciendo que vuelvan a sus tamaños originales, pero al final una fluctuación térmica hace que tres dimensiones crezcan y se expandan, es decir, las tres dimensiones que conocemos.
    Los físicos Veneziano y Gaperini, también se basaron en la idea de la longitud mínima para evitar la temperatura y densidad infinita de la singularidad, pero en lugar de deducir que el universo comenzaba como una nuez muy caliente del tamaño de Planck, defienden que debió existir un pre-big bang.
    Gabriele Veneziano
    ¿Y cómo era ese universo anterior?
    Las ecuaciones del pre-big bang tienen dos simetrías. Una es temporal, es decir, como vimos en la entrada “En la Diana del Tiempo”, las ecuaciones físicas funcionan igual tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. La segunda se refiere a la inversión del factor de escala, es decir, se puede reemplazar el tamaño del universo por su recíproco. Combinando ambas simetrías obtenemos que antes del Big Bang existió un universo acelerado del que surgió el nuestro inicialmente desacelerado tras una violenta transición. Es decir, el universo se habría expandido cinco segundos antes del Big Bang igual que cinco segundo después del mismo aunque a ritmos distintos. Este universo pre-big bang era una imagen especular del universo actual.
    La fase pre-big-bang y la expansiva actual 
    La fase pre-big bang soluciona con su expansión superinflacionaria el problema del orígen de la inflación de nuestro universo. Muchos han acusado a Veneziano de mover el origen del comienzo del universo a un estado anterior, pero sin explicar cómo llegó a existir.

    Referencias:
    – El Universo Elegante. Brian Greene
    – Historia de la cosmología. Helge Kragh
        – Before The Big Bang. New Scientist. Junio 2000

  • ¿Existimos Realmente?

    Si miramos a nuestro alrededor y nos preguntamos de qué está “hecha” la realidad seguro que nos viene a la mente el recuerdo de las clases de física cuando estudiábamos los elementos que formaban el átomo. Y aunque estas partículas son realmente diminutas nos la imaginamos como el “polvillo” esencial del universo que nos rodea, algo tangible de identidad definida y precisa que es la base de todo cuanto existe.

     
    Demócrito

    La preocupación por saber de qué estaba formada la realidad ya la tenían los filósofos griegos desde varios siglos antes de Cristo y especulaban sobre la existencia de pequeñas partículas elementales e indivisibles, que como diminutos ladrillos, formaban la esencia de todo el universo, desde las más lejanas estrellas a las cosas más cercanas como la tierra, el agua, el aire y los seres vivos. Fue Demócrito quien las denominó átomos, que significa “sin partes”.

    En el siglo XIX, más de dos mil años después, los científicos creyeron encontrar esta pequeña pieza esencial de la realidad y denominaron átomo a unos elementos que ellos consideraban indivisibles e indestructibles cuyas uniones daban lugar a todas las sustancias conocidas, pero…

    ¡Se equivocaron!
    porque un siglo después descubrieron que el átomo se podía dividir en otras partículas aún más pequeñas (lástima que hubiesen elegido el nombre erróneo) y aparecieron los protones, neutrones y electrones. Y esta vez pensaron que sí, que habían encontrado la partículas primordiales, pero…
     

    ¡Volvieron a equivocarse!

    En la segunda mitad del siglo XX, se descubre que los protones y neutrones no eran ni tan elementales ni tan indivisibles ya que estaban formados por unas partículas aún más pequeñas denominadas quarks. Poco tiempo después, gracias a los avances tecnológicos, aparecen nuevos elementos indivisibles como los neutrinos, los muones, taus… ¡la locura! 

     

    ¿Dónde queda el romanticismo de los antiguos griegos y su única partícula elemental y pura?¿Acaso no debería existir algo común a todo cuanto existe? 

     

    ¿Una única partícula?

    En 1970, un grupo de físicos descubrieron en una antigua fórmula matemática creada por Euler, que la fuerza nuclear fuerte podía explicarse con toda exactitud mediante unas partículas elementales muy peculiares porque en realidad eran diminutas cuerdas que vibraban. En 1984, los físicos Green y Schuarz demostraron, tras 12 años de investigación, que la Teoría de Cuerdas podía abarcar a las cuatro fuerzas y todo tipo de materia. Para leer más sobre el tema échale un vistazo a la entrada «Entre lazos invisibles»

     
    Teoría de Cuerdas  

    ¿Qué significaría esta teoría?

    Bien, si como mencionamos antes, en la mente de todos está la creencia de que la realidad está formada por pequeños “puntitos”, esta teoría nos propone que todo cuanto existe está formado por una cuerdecilla, en forma de lazo, que vibra en cuatro dimensiones. Dependiendo de como oscile daría lugar a un electrón, a un fotón, a un quark … como si cada partícula fuera una música con una “partitura” distinta que es la esencia de su verdadera identidad.

     

    El tamaño de las cuerdas sería tan diminuto que si agrandásemos un átomo a las dimensiones del sistema solar éstas tendrían el tamaño de un árbol. La tremenda conclusión a la que llegamos es que la realidad no es algo sólido, algo “real” sino solo una vibración, un “sonido” interpretado por las auténticas partículas elementales e indivisibles llamadas cuerdas que estarían presente en todo, incluso en nosotros mismos, por lo que…

    ¿Existimos realmente?

    Os recomiendo que echéis un vistazo al documental «El Universo Elegante» donde se expone la teoría de cuerdas.

    Referencias:
    – El Universo Elegante: Supercuerdas, dimensiones ocultas y la búsqueda de una teoría definitiva. Brian Greene

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