Introducción a la teoría de supercuerdas, teoría M. Parte I

Victor-Pascual-FirmaLa teoría de supercuerdas determina que todas las partículas elementales están formadas por el mismo tipo de filamento energético pero con vibración diferente. Son como las diferentes notas de una guitarra. Esto es un burdo resumen de la teoría. Si quieren saber más, sigan leyendo. ¡Bienvenidos a las supercuerdas!

Cuerda cerrada vibrando.

Cuerda cerrada vibrando.

En este artículo voy a introducir brevemente la teoría de cuerdas y supercuerdas, o teoría M. No voy a empezar con la típica pregunta que pueden encontrar en reportajes de ciencia serios o del tipo de Morgan Freeman, es decir, ¿de qué está hecho el Universo? No, voy a empezar con la pregunta más profunda de la ciencia, ¿por qué las partículas elementales tienen las propiedades correctas para permitir que ocurran procesos nucleares, que iluminan las estrellas, que se formen planetas y que en al menos en uno de estos planetas se inició un proceso químico complejo al que llamamos vida? En el modelo estándar no se explica por qué las partículas elementales tienen las propiedades que vemos. En cambio, en la teoría de cuerdas sí. La teoría de cuerdas “simplifica” la cuestión, las diferentes partículas elementales son, al fin y al cabo, diferentes modos de vibración de hilos energéticos. La forma de vibrar de estos hilos o cuerdas son los que definen las propiedades, masa, carga, spin, etc.

A nivel de longitud de Planck, el universo no es plano, es sumamente complejo y las direcciones arriba, abajo, izquierda y derecha dejan de tener sentido.

A nivel de longitud de Planck, el universo no es plano, es sumamente complejo y las direcciones arriba, abajo, izquierda y derecha dejan de tener sentido. A esto se le conoce como espuma cuántica.

 Aquí pueden encontrar una magnífica aplicación web para ver desde lo más grande a lo más pequeño. Recorran este camino conmigo, bajen a más o menos en 10^{-9.7} metros, aquí podemos encontrar la molécula del agua, 10^{-15} encontramos al protón y al neutrón, en 10^{-18} nos encontramos los quarks up, down y strange, en 10^{-19} tenemos a otros dos quarks charm y bottom, si bajamos un poquito más a 10^{-22} vemos al quark top, en 10^{-24} estamos con nuestro famoso neutrino, aquel que tras unas malas mediciones, los medios sensacionalistas, vamos, todas las televisiones y periódicos, dijeron que había superado la velocidad de la luz. Y si bajamos 9 órdenes de magnitud más, a unos increíbles 10^{-35}, estamos en la longitud de Planck y ya no podemos bajar más. La longitud de Planck está definida por la siguiente ecuación:

planck2

siendo c es la velocidad de la luz en el vacío, G es la constante de gravitación universal, y h es la Constante de Planck reducida. La mínima distancia que un objeto puede recorrer es la longitud de Planck, es decir, no puede ir a 3/2 de Planck, o está a 1 o esta a 2 Planck. 

Si juegan un poco con esa aplicación, verán que recorre desde 10^{-35} a 10^{27 } metros. Nuestras leyes de Newton, aquellas que aprendimos en el colegio funcionan increíblemente bien en condiciones de baja velocidad y objetos ni muy pequeños ni muy grandes (respecto a tamaño y masa). Para objetos de tamaño “manejable” que vayan muy rápido (cerca de la velocidad de la luz) o que sean muy grandes (estrellas, galaxias, etc.), es preciso utilizar las ecuaciones de la relatividad para calcular las desviaciones temporales, de masa y energía. En cambio, si el objeto es muy pequeño (masa y tamaño), es preciso utilizar la mecánica cuántica, aquella que utilizan los físicos y no los magufos de todas las partes del mundo.

Explicación gráfica de la radiación de Hawking.

Pero, ¿qué pasa con los objetos muy pesados y de tamaño muy pequeño? Es decir, ¿qué pasa con los agujeros negros? La pregunta es sumamente complicada y será mejor tratarla en otro post. Pero tenga esto en mente, hace unas cuantas décadas, algunos científicos se podían sentir cómodos si no unían la mecánica cuántica con la relatividad, había muchas cuestiones más importantes a las que dedicar su atención y siempre estaba Newton por medio. No había nada que de gran masa de tamaño muy pequeño. Tampoco había nada que fuese muy rápido y que tuviese una masa no despreciable. Pero los agujeros negros provoca un pequeño dolor de cabeza a aquellos físicos que decían aquello de “calla y calcula”. Quienes no esperen a otro post, recomiendo que busquen lo siguiente en la web, aunque yo he añadido el enlace a Wikipedia que no esta mal, radiación de Hawking.

 La teoría de cuerdas, supercuerdas o teoría M, son la búsqueda de una teoría unificada que agrupe las cuatro fuerzas de la naturaleza, ya hay teorías para unir 3 de ellas, pero la gravedad es otro cantar. 

Recordemos que hay 4 fuerzas en la naturaleza son la gravedad (magníficamente enunciada en el modelo de la relatividad), electromagnética (explica que los fenómenos eléctrico y magnético son las dos caras de una misma moneda, de la mano de Maxwell), nuclear débil (intercambio de bosones B y Z, explica la desintegración beta y la radiactividad) y la nuclear fuerte (explica la cohesión del núcleo atómico, esta fuerza es explicada por la cromodinámica cuántica, en otro post entraremos en detalles sobre esta fuerza). En los años 60 se descubrió que la fuerza electromagnética y la interacción nuclear débil son realmente el mismo fenómeno, modelo electrodébil. A su vez, se están realizando investigaciones para unir el modelo electrodébil a la fuerza nuclear fuerte.

¿Y qué tiene esto que ver con la teoría de cuerdas? Simple, la teoría de cuerdas fue desarrollada por y para explicar la fuerza nuclear fuerte, pero había una teoría mucho más relevante que ya he indicado anteriormente, la cromodinámica cuántica. Por ello, la comunidad científica no la prestó mucha atención. Por suerte, entre los resultados matemáticos de la teoría de cuerdas era predecir la existencia de una partícula sin masa y con spin 2. Lo interesante viene aquí, la comunidad científica había determinado ciertas características de la teoría que uniría la mecánica cuántica con la relatividad, entre dichas características era la existencia de una partícula a la que llamaron gravitón que, igual que los fotones transmiten la fuerza electromagnética, debía transmitir la fuerza gravitatoria. ¡Y esta partícula tenía que tener masa nula y spin 2! Los investigadores John H. Schwarz y Joël Scherk argumentaron que aunque la teoría de cuerdas había sido desarrollada en el intento de explicar la fuerza nuclear fuerte, la realidad es que la teoría era una solución al problema de la gravedad. Vamos, que les tocó el premio gordo aunque no el Nobel.

Aún así, la publicación que realizaron en 1974 pasó desapercibida, la fuerza gravitatoria es la más débil de todas las fuerzas y el tamaño de las cuerdas tenía que ser aproximadamente de la longitud de Planck. Es decir, no había forma empírica de demostrar la existencia de las cuerdas. Además del varapalo que suponía que no se podría realizar ningún experimento para demostrar que las cuerdas existían, la teoría tenía varias anomalías. Una anomalía viola uno o más principios de la física, por ejemplo, el de la conservación de la energía. Tras una ardua investigación y uno de los más importantes cálculos de campo, Schwarz y Michael Green determinaron que ¡todas las potenciales anomalías se cancelaban mutuamente! Este cálculo se publicó a mediados de los años 80 y durante estos años se había desarrollado la teoría y se había confirmado experimentalmente las características de la fuerza nuclear fuerte y la electrodébil (recordemos que es la unión del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil). En este momento, los físicos podían centrarse en la unión de la mecánica cuántica y la relatividad. Se produjo una auténtica revolución, miles de cerebros se centraron en esta enredada teoría. Aquí ocurrió la primera revolución de las supercuerdas.

A continuación una tabla resumen de las fuerzas:

Fuerza

Partícula de la fuerza

Masa

Fuerte

Gluón

0

Electromagnética

Fotón

0

Débil

W, Z

86.97

Gravedad

Gravitón

0

 

En la segunda parte veremos más problemas a los que se enfrentó la teoría de cuerdas y cómo se han ido resolviendo.

Víctor Pascual del Olmo

Referencia:
Capítulos 12 y 13 de El Tejido del cosmos, Brian Greene. ISBN: 978-84-9892-085-7

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19 Comentarios en “Introducción a la teoría de supercuerdas, teoría M. Parte I”

  1. Avatar
    FRANCISCO JAVIER VELASCO VÉLEZ diciembre 7, 2017 at 11:24 pm #

    La teoría de supercuerdas es un intento matemático muy importante, lo mejor que se ha hecho hasta ahora, para explicar toda la estructura y funcionamiento del universo, sus cuatro fuerzas y la interacción de estas con las partículas fundamentales, algo hasta hoy nunca logrado por físico alguno, partículas que se originarían por vibración de las cuerdas o branas en el campo del espacio/tiempo, ……… sin embargo, como usted bien lo dice no es posible por ahora falsarla, es decir, no es posible por ahora probar la existencia real de las adicionales dimensiones, de la cinco a la once o de la cinco a la 26, no es posible por ahora probar la existencia de universos paralelos, ni los infinitos universos del multiverso, o sea, que la teoría si así puede llamarse, ………. parece por ahora algo de la ciencia ficción, más que de la ciencia, ya que no se pueden hacer por el momento predicciones, no obstante es una suposición extraordinaria de los matemáticos (GREEN, SCHWARZ Y WITTEN), para encontrar una solución al problema de poner en diálogo la gravedad con la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte, o sea a la relatividad con la mecánica cuántica.

    FRANCISCO JAVIER VELASCO VÉLEZ

  2. Avatar
    Paul Campaña octubre 19, 2017 at 3:29 am #

    Me encantó el blog, especialmente su simple explicación de que cada molécula esta creada por el mismo filamento energético pero en distintas ondas y vibración, ademas de la corta explicación de que las partículas elementales no son mas que distintas variedades de vibración energéticas, ademas de la simple explicación de que la teoría de supercuerdas desarrollada por y para explicar la fuerza nuclear fuerte, pero había una teoría mucho más relevante que ya he indicado anteriormente, la cromodinámica cuántica.

  3. Avatar
    Scruz abril 11, 2013 at 11:39 am #

    Estimados lectores de HdC:

    En primer lugar muchas gracias por leernos y participar enriqueciendo así esta publicación con vuestra opinión, la cual tenemos muy presente.

    En segundo, desde dentro de nuestra comunidad ya estamos promoviendo una medida más exhaustiva de revisión para asegurar la rigurosidad en temas tan complejos como este, mejorando la corrección de los textos y su calidad. Sentimos las inconveniencia que haya podido causar cualquier error dispuesto en cualquiera de los textos que hayamos publicado.

    No obstante nos gustaría dejar claro que desde HdC promovemos la difusión de los contenidos científicos vengan de la fuente que vengan siempre que cumplan un criterio de veracidad e información. La divulgación científica, al menos la que se hace en esta gran familia, se hace por el amor a la Ciencia, cubriendo un apartado cultural muy expoliado y olvidado en este país, y caer en falacias de autoridad no es uno de nuestros objetivos. Es por ello que el exceso de ortodoxia, según nuestro criterio, no es adecuado a nuestro carácter ya que perseguimos una publicación para todos los públicos y no tanto la temática para especialistas en un campo concreto.

    Esperamos mejorar tanto con vuestros aportes como con nuestro esfuerzo para poder proporcionar un granito de arena más, aportando algo al mundo, poniendo la ciencia al alcance de vuestra mano.

  4. Avatar
    Jose David abril 10, 2013 at 9:57 am #

    Hola. Me ha gustado mucho el articulo Victor.

    Me gustaria preguntar algo a todos aquellos que se dedican a la "investigacion" en teoria de cuerdas, sobre todo con el dinero publico, el de todos, a aquellos que dicen que la teoria de cuerdas es "fisica avanzada" y que parece ser que la comprenden.

    Es cierto que partes de la teoria de cuerdas NO pueden ser comprobadas en un laboratorio?.

    Es una cosa que tengo ganas de saber, ya que despues de mucho anios de trabajo en la agencia espacial europea, trabajando con gente del laboratorio de astrofisica y fisica fundamental, hay cientificos de verdad (no los que se dedican a pajas mentales con el dinero de todos) que dicen que la teoria de cuerdas, ES UNA ENGANIFA (perdon por la enies).

    Digo esto, porque creo que Victor ha querido divulgar algo que es muy complicado y, en mi opinon, lo ha hecho bastante bien. Las criticas siempre son bienvenidas, pero veo demasiado listo criticando algo que seguramente no tenga ni idea de lo que habla, como casi siempre que se habla de este tema.

    Victor, creo que has explicado mejor la introduccion a la teoria de cuerdas mucho mejor que la gente que se dedica a ello "de forma seria".

    Gracias y saludos.

  5. Avatar
    Divulgacion en fisica abril 9, 2013 at 12:14 pm #

    Hola, yo he estudiado Fisica (no teorica, sino experimental) y toda las teorias de Fisica teorica (icluida la de supercuerdas) me resultan extremadamente complicadas y abstractas, aun habiendo estudiado en asignaturas introductorias las bases teoricas y los framework en los que se basan. Creo que para hacer diculgacion sobre este tema, o sobre cualquier otro de ciencia, hay que ser un experto y entender muy profundamente lo que se intenta explicar (incluidas las matematicas), para asi poder simplificarlo al resto de la gente no experta. Si no se corre el riesgo de meter la pata y contar las cosas mal. Creo que la sociedad actual tiene un problema brutal de incultura general sobre ciencia, y en particular creo que la Fisica es una de las ciencias menos amigables para los no cientificos; por tanto considero que los blogs divulgativos como este hacen una labor esencial al trasmitir el conocimiento y hacerlo accesible para todo el mundo. Sin embargo, como cientifica, creo que no se hace ningun bien simplificando las cosas de tal manera que por hacerlas entendibles, se cuenten mal...
    Lo siento, intento hacer una critica constructiva, pero a mi me han ensenado durante 5 anos de carrera y 2 de master (mas los meses que llevo trabajando como estudiante de doctorado) que no se puede perder nunca el rigor, y creo que en este articulo lo has perdido. Lo que explicas no queda claro y hay cosas que son incorrectas. Yo no tengo un gran conocimiento de la teoria de supercuerdas, pero hasta donde se (y lo que se me lo han explicado grandes divulgadores y expertos en el tema) lo que cuentas solo se corresponde a la realidad 'mas o menos'. Y eso en una pagina de diculgacion cientifica es criminal.

    Ahi va el enlace a un articulo de divulgacion cientifica como dios manda, bien documentado y que consigue explicar de una forma sencilla algo muy complicado. No es sobre supercuerdas, pero si sobre el mundo de la fisica teorica. http://www.madrimasd.org/informacionidi/analisis/analisis/analisis.asp?id=50701

    • Avatar
      victorpascualdelolmo abril 9, 2013 at 11:17 pm #

      Buenas, entiendo tu ortodoxia respecto a este tema, creo que todos hemos visto ejemplos en los que se meten considerablemente la pata en temas de ciencia y la reticencia a publicar, leer post y artículos de personas no versadas en la materia. Tu crítica se basa en un argumento ad hominen que se centra en el autor para criticar o alabar la tesis que plantea, no la tesis en sí. Gran parte del artículo no se centra en la teoría de cuerdas, juega con un aplicación para que el lector se sitúe. Un compañero, físico teórico de la UCM, me ha indicado un par de errores que desconocía cuando ha leído el artículo, si lo hubiese leído antes de la publicación se hubiesen subsanado. Aún así, este post pasó el artículo del editor que realizó físicas. Le he pedido que el siguiente post lo revisé él personalmente para subsanar los errores que encuentre. Veremos si vuelvo a recibir críticas de este tipo o no, si las vuelvo a recibir, indicará que no soy solo yo he perdido el rigor.
      Los dos últimos párrafos se refieren a la Historia sobre dicha teoría. El error más grave se comete en el antepenúltimo párrafo en el que menciono que los bosones W y Z pertenecen a la fuerza nuclear débil, algo que no es correcto, pertenecen a la electrodébil.
      Último comentario, el post que has pasado no tiene referencias, no tiene documentación. Es la explicación del director de física teórica, lo cual es genial, pero al contrario de lo que has indicado, no está bien documentado, no tiene ni una referencia siquiera.
      De todas formas, gracias por tu comentario.

      • Avatar
        Chiral abril 10, 2013 at 12:27 am #

        Hola. Los artículos de divulgación suelen ser escritos por gente que sabe del tema y que previamente (durante su carrea científica) ha hecho publicaciones serias respecto al tema. Posteriormente intentan simplificar el asunto para acercar los conceptos a gente no experta. Con esto quiero decir exactamente lo que estás pensando. NO debes (si quieres preservar tu vergüenza) escribir sobre super cuerdas y demas cosas de las cuales no entiendes absolutamente nada sólo porque quede bien en el título. Y no me cuentes que no sé lo que tú sabes y que has estudiado mucho. Si piensas que puedes comprender algun mínimo aspecto de cualquier resquicio de la física fundamental obviando el carácter matemático no vale la pena ni siquiera seguir con la conversación. Además, los textos divulgativos (no artículos) no tienen referencias porque no hace falta que las tenga. La referencia viene dada por el nombre del autor. El poner una mísera referencia al final de tu mal redactado "artículo" te deja completamente en evidencia. Es el colmo pretender escribir un texto de divulgacion "citando" otro texto de divulgacion.

        Si lo que querías en tu artículo era decir "¡eh chavales, mirad que aplicación más guapa!", pon un post en facebook y te quedas como nuevo.

        Saludos.

      • Avatar
        Divulgación en Fisica abril 10, 2013 at 1:12 am #

        Hola,
        No he criticado el artículo por el autor que lo ha escrito, sino por que es incorrecto, poco claro y no logra su objetivo: explicar de forma sencilla los aspectos más generales de la teoría de supercuerdas. Al sugerir en mi anterior comentario que el autor no estaba suficientemente versado en el tema sobre el que escribía, sólo trataba de buscar una explicación al fracaso.
        La aplicación que constituye 'gran parte del artículo' no cuadra en un texto cuyo título es 'Introducción a la teoría de supercuerdas, teoría M. Parte I'. La aplicación ya la conocía y me parece muy ilustrativa. Creo que podría haber sido un buen ejemplo en un artículo en que trataras de explicar los rangos de validez de la teoría clásica, cuántica y de la relatividad. Pero no en un artículo de supercuerdas, donde podías haber empezado por explicar el estado del arte de la Fisica de partículas y el modelo estándar, para luego comentar sus limitaciones y porqué la teoría de cuerdas se presenta como alternativa.
        El verdadero problema con tu artículo es lo que tú mismo dices, que te han indicado un par de errores tras haberlo publicado. Si yo hubiera publicado un texto divulgativo tratando de explicar algo sobre lo que sé tan poco como para comenter errores tan básicos, me hubiera asegurado de que mi 'amigo Fisico teórico' se lo leyera antes para indicarme esos errores y corregirlos antes de lanzarme a divulgar sobre algo que no sé.
        Obviamente volveré a critiar la parte II si está tan mal escrita como la I, independientemente de quien lo haya revisado, por aquello de no emplear argumentos ad homine centrándome en el autor (o corrector) para criticar o alabar la tesis publicada.
        El artículo que he puesto antes ha sido escrito por un reputado físico teórico que lleva años dedicado profesionalmente al tema del que habla y cuya experiencia le avala, y director de uno de los centros más importantes de nuestro país en investigación en física teórica; eso es suficiente para demostrar su veracidad. Sin embargo, que no haya referencias no significa que no esté bien documentado. Para tu información ha sido premiado por su labor divulgativa, cosa que no creo que tú consigas si sigues por esta linea. Para la parte II, la cual espero con impaciencia, te recomiendo que te documentes un poco más, y que te leas al menos otro libro divulgativo sobre el tema. A los editores de este blog, les recomiendo aplicar filtros más exhaustivos en el futuro.
        un saludo

  6. Avatar
    cuidado abril 9, 2013 at 12:11 pm #

    Hola. El artículo está bien copiado, aunque se nota que no entiendes la teoría de cuerdas. Supongo que a la gente no le importará mucho la corrección, mientras se les diga alguna cosa que suene razonablemente incomprensible y científica. Pero sinceramente, la tarea de divulgar sobre ciertos temas, debieras dejársela a los expertos en tales temas.

    • Avatar
      victorpascualdelolmo abril 9, 2013 at 10:56 pm #

      Buenas, el artículo no fue copiado, intenté resumir las cuestiones y planteamientos que he estado leyendo durante unos cuantos años y mis conocimientos de física, aunque no sean muchos ya que la carrera no me los aportó. De todas formas, este artículo fue corregido por un físico o dos, y aunque tiene un par de inconsistencias que las sacó otro compañero después de haber sido publicado y él es físico teórico, me dio el visto bueno. Entiendo tu ortodoxia respecto a la divulgación, es una postura aceptable después de haber visto muchos blogs. Aunque déjame indicar que creo que te has dejado llevar por efecto halo y has leído con mirada más crítica el artículo de lo que realmente debería. De todas formas, gracias por tu comentario y tu lectura, intentaré seguir mejorando.

  7. Avatar
    victorpascualdelolmo abril 8, 2013 at 5:02 pm #

    Muchas gracias!!

  8. Avatar
    yo abril 8, 2013 at 4:05 pm #

    ¿cómo es que un técnico en telecomunicaciones sabe tanto de física teórica avanzada?

    • Avatar
      victorpascualdelolmo abril 9, 2013 at 10:03 am #

      No hice físicas por cuestiones de carrera profesional, pero dedico gran parte de mi tiempo a la lectura de física y resto de ciencias, nada de novelas. Me compré hace unos meses el libro que está en la referencias, me lo comí, busqué lo que no entendía, me lo empollé, pregunté y publiqué. Es un libro divulgativo sin matemáticas, intenté resumir lo máximo posible para que se quedase el esqueleto, faltarán unos cuantos huesos, pero más o menos muestra de qué estamos hablando. Es una ligera aproximación a una teoría tan compleja, nada más.

  9. Avatar
    Scruz abril 8, 2013 at 12:47 pm #

    http://xkcd.com/171/

    Brutal xDDD Gran artículo Victor 😀

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