¿Más de una dimensión?

(NC&T) La existencia de estas dimensiones extra es un elemento crítico no probado todavía de la teoría de las cuerdas, la principal aspirante a "teoría unificada del todo"

Los científicos desarrollaron la teoría de las cuerdas, que propone que todo en el universo está formado por diminutas cuerdas vibrantes de energía, para con ella tratar de abarcar los principios físicos de todos los objetos, desde las inmensas galaxias hasta las partículas subatómicas. Aunque actualmente es la favorita para explicar la constitución del cosmos, la teoría permanece sin probar hasta la fecha.

La matemática de la teoría de las cuerdas sugiere que además de nuestras cuatro dimensiones familiares (el espacio tridimensional y el tiempo) debe haber seis dimensiones espaciales extra, unas singulares dimensiones "ocultas", "enrolladas" en diminutas formas geométricas en cada punto de nuestro universo.

El nuevo estudio, dirigido por el físico Gary Shiu, de la Universidad de Wisconsin-Madison, puede proporcionar el fundamento que se ha buscado durante tanto tiempo, para medir este aspecto previamente inmensurable de la teoría de las cuerdas.

Representación informática de una posible geometría de seis dimensiones. (Foto: Andrew J. Hanson, Indiana University

Aunque los científicos emplean los ordenadores para visualizar lo que estas geometrías con seis dimensiones podrían parecer, realmente nadie sabe con seguridad qué formas toman. Nuestras mentes están acostumbradas a sólo tres dimensiones espaciales y carecen de un marco de referencia para las otras seis.

Según la matemática de la teoría de las cuerdas, las dimensiones extra podrían adoptar cualquiera de decenas de miles de posibles formas, donde cada una se correspondería teóricamente con su propio "universo", y con su propia colección de leyes físicas.

No es posible ver o medir a través de cualquier medio directo usual de observación estas dimensiones extra, lo que hace muy difícil la comprobación de este aspecto crucial de la teoría de las cuerdas.

El nuevo enfoque está basado en la idea de que las seis dimensiones extra tuvieron su mayor influencia en el universo cuando éste era una diminuta mancha muy comprimida de materia y energía, es decir, sólo un instante después del Big Bang.

Como no existe una máquina del tiempo para viajar hasta aquel momento, los científicos emplearon el mejor sustituto disponible: un mapa de la energía cósmica liberada por el Big Bang. La energía, vislumbrada por satélites como el WMAP de la NASA, ha persistido casi inalterada durante los últimos 13.000 millones de años, haciendo que éste mapa de energía cósmica sea como una especie de "fotografía" del universo recién nacido.

Al igual que una sombra puede dar una idea de la forma de un objeto, el modelo de la energía cósmica del firmamento puede dar una indicación de la forma de las otras seis dimensiones presentes.

Comenzando con dos tipos diferentes de geometrías matemáticamente simples, los investigadores calcularon el mapa de energía predicho que se vería en el universo descrito por cada forma geométrica. Cuando compararon ambos mapas, encontraron pequeñas pero significativas diferencias entre ellos.

Esto demuestra que las pautas específicas con que se manifiesta la energía cósmica pueden contener pistas sobre cuál es la geometría de las seis dimensiones ocultas.

Aunque los datos actualmente disponibles no son aún lo bastante precisos como para efectuar comparaciones capaces de dilucidar lo que se busca, nuevos satélites como el Planck de la Agencia Espacial Europea, debieran ser capaces de detectar en el cosmos las sutiles variaciones entre las distintas geometrías.


¿MÁS DE UN UNIVERSO?


La teoría de los universos paralelos fue propuesta por primera vez en 1950 por el físico estadounidense Hugh Everett, en la que intentaba explicar los misterios de la mecánica cuántica que resultaban completamente desconcertantes para los científicos. Expresado de una manera muy simplificada, lo que propuso Everett fue que cada vez que se explora una nueva posibilidad física, el universo se divide. Para cada alternativa posible se “crea” un universo propio.

Un ejemplo puede ayudarnos a entender este concepto: imaginemos que un peatón escapa por poco de ser atropellado por un coche. Este evento tiene lugar en un universo, pero en otro puede haber resultado atropellado y estar recuperándose en un hospital. Y en un tercero, puede haber muerto. El número de posibilidades es infinito.

Este concepto resultaba muy extraño para los científicos, quienes generalmente lo descartaban considerándola una fantasía. Por supuesto, los escritores de ciencia ficción aprovecharon esta idea para crear numerosas historias. Sin embargo, las nuevas investigaciones realizadas en Oxford demuestran que los universos alternativos son matemática posibles, y que el Dr. Everett, que no era más que un estudiante en la Universidad de Princeton en el momento que propuso su teoría, podría estar en lo cierto. 


Todo lo anterior implica que nuestra vida puede ser relativa. Porque si existe un universo para cada posibilidad de suceso, cada uno de nosotros pueder millonario, presidente, y hasta puede que pasemos fisica en alguna realidad alternativa. Pero la pregunta sigue siendo hasta que punto lo que vivimos es real si es que existe este termino -hasta cierto punto ambiguo- que sólo da interpretación a lo que ocurre a una en una realidad relativa.

 

¿Cuerdas?

 Vivimos en un universo asombrosamente complejo. Los seres humanos somos curiosos por naturaleza, y una y otra vez nos hemos preguntado--- ¿porqué estamos aquí? ¿De dónde venimos, y de donde proviene el mundo? ¿De qué está hecho el mundo? Somos privilegiados por vivir en una época en la cual nos hemos acercado bastante a algunas de las respuestas. La teoría de cuerdas es nuestro intento más reciente por responder la última de estas preguntas.
Así que, ¿de qué está hecho el mundo? La materia ordinaria está compuesta de átomos, los cuales a su vez están formados de sólo tres componentes básicos: electrones girando alrededor de un núcleo compuesto de neutrones y protones. El electrón es en verdad una partícula fundamental (pertenece a una familia de partículas llamadas leptones); pero los neutrones y protones están hechos de partículas más pequeñas, llamadas quarks. Los quarks, hasta donde sabemos, son realmente elementales.
La suma de nuestros conocimientos actuales sobre la composición subatómica del universo se conoce como el modelo estándar de la física de partículas. Este describe tanto a los "ladrillos" fundamentales de los cuales está constituido el mundo, como las fuerzas a través de las cuales dichos ladrillos interactúan. Existen doce "ladrillos" básicos. Seis de ellos son quarks--- y tienen nombres curiosos: arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima. (Un protón, por ejemplo, está formado por dos quarks arriba y uno abajo.) Los otros seis son leptones--- estos incluyen al electrón y a sus dos hermanos más pesados, el muón y el tauón, así como a tres neutrinos.
Existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la gravedad, el electromagnetismo, y las interacciones débil y fuerte. Cada una de estas es producida por partículas fundamentales que actúan como portadoras de la fuerza. El ejemplo más familiar es el fotón, una partícula de luz, que es la mediadora de las fuerzas electromagnéticas. (Esto quiere decir que, por ejemplo, cuando un imán atrae a un clavo, es porque ambos objetos están intercambiando fotones.) El gravitón es la partícula asociada con la gravedad. La interacción fuerte es producida por ocho partículas conocidas como gluones. (Yo prefiero llamarlos "pegamoides"!) La interacción débil, por último, es transmitida por tres partículas, los bosones W+, W- , y Z.
El modelo estándar describe el comportamiento de todas estas partículas y fuerzas con una precisión impecable; pero con una excepción notoria: la gravedad. Por razones técnicas, la fuerza de gravedad, la más familiar en nuestra vida diaria, ha resultado muy difícil de describir a nivel microscópico. Por muchos años este ha sido uno de los problemas más importantes en la física teórica--- formular una teoría cuántica de la gravedad.
En las últimas décadas, la teoría de cuerdas ha aparecido como uno de los candidatos más prometedores para ser una teoría microscópica de la gravedad. Y es infinitamente más ambiciosa: pretende ser una descripción completa, unificada, y consistente de la estructura fundamental de nuestro universo. (Por esta razón ocasionalmente se le otorga el arrogante título de "teoría de todo".)
La idea esencial detrás de la teoría de cuerdas es la siguiente: todas las diversas partículas "fundamentales" del modelo estándar son en realidad solo manifestaciones diferentes de un objeto básico: una cuerda. ¿Cómo puede ser esto? Bien, pues normalmente nos imaginaríamos que un electrón, por ejemplo, es un "puntito", sin estructura interna alguna. Un punto no puede hacer nada más que moverse. Pero, si la teoría de cuerdas es correcta, utilizando un "microscopio" muy potente nos daríamos cuenta que el electrón no es en realidad un punto, sino un pequeño "lazo", una cuerdita. Una cuerda puede hacer algo además de moverse--- puede oscilar de diferentes maneras. Si oscila de cierta manera, entonces, desde lejos, incapaces de discernir que se trata realmente de una cuerda, vemos un electrón. Pero si oscila de otra manera, entonces vemos un fotón, o un quark, o cualquier otra de las partículas del modelo estándar. De manera que, si la teoría de cuerdas es correcta, ¡el mundo entero está hecho solo de cuerdas!
Quizás lo más sorprendente acerca de la teoría de cuerdas es que una idea tan sencilla funciona--- es posible obtener (una extensión de) el modelo estándar (el cual ha sido verificado experimentalmente con una precisión extraordinaria) a partir de una teoría de cuerdas. Pero es importante aclarar que, hasta el momento, no existe evidencia experimental alguna de que la teoría de cuerdas en sí sea la descripción correcta del mundo que nos rodea. Esto se debe principalmente al hecho de que la teoría de cuerdas está aún en etapa de desarrollo. Conocemos algunas de sus partes; pero todavía no su estructura completa, y por lo tanto no podemos aún hacer predicciones concretas. En años recientes han habido muchos avances extraordinariamente importantes y alentadores, los cuales han mejorado radicalmente nuestra comprensión de la teoría.

Teoría de la Relatividad y Mecánica Cuántica

El concepto de universo se basa en dos teorías diferentes, muy estables cada una en su campo, pero que presentan grandes problemas cuando se intentan combinar para resolver los problemas más profundos del universo. Por un lado se encuentra la Teoría de la Relatividad de Einstein, que nos sirve para estudiar las partes más grandes del universo, como las estrellas o las galaxias. La otra teoría es la Mecánica Cuántica, un conjunto de leyes por las que se rigen las partículas más pequeñas, como los átomos o las partículas subatómicas.


Uno de los ejemplos donde se da la mala incompatibilidad es en el origen del universo o Big-Bang, en el que hace unos 15.000 años una partícula estalló, haciendo que desde entonces el universo se haya expandido constantemente, generándose así las estrellas y galaxias al enfriarse.

Para describir el universo a gran escala se utilizan una serie de leyes englobadas en la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que nos explica el funcionamiento de la gravedad, mostrándonos el espacio como una enorme cama elástica. Todos los cuerpos deformarán su superficie en mayor o menor grado dependiendo de su masa, siendo percibida dicha curvatura como la gravedad. Es decir, la Luna gira alrededor de nuestro planeta como consecuencia de la curvatura del tejido espacial (espacio-tiempo) que ha provocado.




Sin embargo, cuando intentamos describir el mundo microscópico, esta teoría no nos sirve, al ser despreciable la masa de los cuerpos. Es entonces cuando se utiliza la Mecánica Cuántica, al abandonar el predecible mundo macroscópico para adentrarnos en un mundo inmerso en el caos donde el tejido espacial es accidentado. En este mundo, millones de veces más pequeño que el de los átomos, el tejido del espacio-tiempo es tan arbitrario que no se puede saber nada con certeza, estando gobernado por la incertidumbre.


Esta teoría matemática unificadora describiría todas las interacciones que se dan en la naturaleza, ya que la gravitatoria es explicada mediante la relatividad. La Cuántica se encarga de explicar las otras tres: la electromagnética, que produce la electricidad y la atracción magnética; la nuclear fuerte, responsable de mantener los protones y electrones unidos dentro del átomo; la nuclear débil, causante de la desintegración radiactiva. La relación entre estas cuatro interacciones y la materia explica cada uno de los acontecimientos que suceden en el universo.

¿Cuál es la intención de la Teoría de las cuerdas?

La teoría de cuerdas pretende ser una descripción completa, unificada, y consistente de la estructura fundamental de nuestro universo. (Por esta razón ocasionalmente se le otorga el arrogante título de "teoría de todo".)



La idea esencial es que todas las diversas partículas "fundamentales" del modelo estándar son en realidad solo manifestaciones diferentes de un objeto básico: una cuerda. ¿Cómo puede ser esto? Bien, pues normalmente nos imaginaríamos que un electrón, por ejemplo, es un "puntito", sin estructura interna alguna. Un punto no puede hacer nada más que moverse. Pero, si la teoría de cuerdas es correcta, utilizando un "microscopio" muy potente nos daríamos cuenta que el electrón no es en realidad un punto, sino un pequeño "lazo", una cuerdita. Una cuerda puede hacer algo además de moverse--- puede oscilar de diferentes maneras. Si oscila de cierta manera, entonces, desde lejos, incapaces de discernir que se trata realmente de una cuerda, vemos un electrón. Pero si oscila de otra manera, entonces vemos un fotón, o un quark, o cualquier otra de las partículas del modelo estándar. De manera que, si la teoría de cuerdas es correcta, ¡el mundo entero está hecho solo de cuerdas!



Pero, no todo es bueno !!!

Cabe aclarar que, hasta el momento, no existe evidencia experimental alguna de que la teoría de cuerdas en sí sea la descripción correcta del mundo que nos rodea. Esto se debe principalmente al hecho de que la teoría de cuerdas está aún en etapa de desarrollo. Conocemos algunas de sus partes; pero todavía no su estructura completa, y por lo tanto no podemos aún hacer predicciones concretas.


El origen de esta teoría se remonta a 1968 cuando el físico Gabrielle Veneziano descubrió que las ecuaciones de Euler, con 200 años de antigüedad, describían la interacción nuclear fuerte, iniciándose así un movimiento que desembocaría, gracias al físico Leonard Susskind, en la aparición de los hilos vibrantes como interpretación de dicha fórmula.


A la hora de explicar la Teoría de Cuerdas, aparecen numerosos problemas. El primero de ellos es que afirma la existencia de una partícula hipotética, el taquión, que viaja a velocidades superiores a la de la luz, lo que contradeciría la relatividad de Einstein. También esta teoría requiere de 10 dimensiones, lo que implica alguna dimensión más de las que conocemos, así como anomalías matemáticas o la existencia de partículas sin masa que no se podían descubrir en experimentos. Una de las soluciones a tan complicado problema fue identificar a la partícula sin masa (y que jamás sta e había observado) como el gravitón, la causante de la interacción gravitatoria a nivel cuántico. 

A continuación se presenta un documental sobre la Teoría de las cuerdas, que explica detalladamente qué es la teoría de las cuerdas, como surgió, en que consiste, sus pros y contras, entre otros; así que tomen libreta y lápiz, debido a que la información que se presenta es tan interesante, que querrás dejarla plasmada en tí para siempre!!

WelComE fuTure EnGineeRs!

Bienvenidos ingenieros e ingenieras, a este su espacio de la física, en el cual se mostrará información importante a través de una manera muy interactiva sobre la gran Teoría de las Cuerdas! Teoría que pretende en una sola hipótesis explicar la creación del universo y todo lo que esto conlleva, disfrútenlo!