Teoría de supercuerdas para niños
La teoría de supercuerdas es una idea científica que busca explicar todas las partículas y fuerzas fundamentales de la naturaleza en una sola teoría. Propone que las partículas y los campos físicos no son puntos diminutos, sino vibraciones de cuerdas muy delgadas y supersimétricas. Estas cuerdas se moverían en un espacio-tiempo con más de cuatro dimensiones, específicamente 10 dimensiones espaciales y una temporal.
Una de las razones principales para estudiar la teoría de supercuerdas es que es una de las mejores candidatas para crear una teoría cuántica de la gravedad. Esto significa que busca unir la gravedad (que explica cómo funcionan las cosas grandes como planetas y galaxias) con la mecánica cuántica (que describe el mundo de las partículas más pequeñas). La teoría de supercuerdas es una versión de la teoría de cuerdas que incluye la supersimetría, lo que permite incorporar a los fermiones (partículas que forman la materia).
Actualmente, el término "teoría de cuerdas" se usa a menudo como sinónimo de "teoría de supercuerdas". Esto se debe a que todas las teorías de cuerdas que se estudian a fondo hoy en día son, de hecho, teorías de supercuerdas.
La idea central es que las partículas son como cuerdas diminutas que vibran. Cada vibración, o "armonía", de estas cuerdas representa una partícula diferente. Por ejemplo, se cree que el gravitón, la partícula que transmitiría la fuerza de la gravedad, sería una cuerda con una vibración específica.
Recientemente, los científicos han descubierto que varias de estas teorías de supercuerdas son equivalentes. Esto sugiere que podría existir una teoría unificada más grande, a la que se le ha llamado provisionalmente Teoría M. Esta Teoría M intentaría explicar todas las partículas subatómicas y unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
El mayor desafío en la física actual es lograr que la fuerza de la gravedad, tal como la describe la relatividad general, encaje con las otras fuerzas físicas que ya están unificadas. La teoría de supercuerdas ofrece una forma de lograr esta unificación. Sin embargo, la teoría aún no está completa y tiene muchas partes por definir, por lo que existen varias versiones de ella.
Contenido
¿Por qué es importante la Teoría de Supercuerdas?
El gran desafío en la física teórica es cómo combinar la relatividad general con la mecánica cuántica. La relatividad general describe la gravedad y las estructuras muy grandes, como las estrellas y las galaxias. La mecánica cuántica, en cambio, describe las otras tres fuerzas fundamentales que actúan en el nivel más pequeño, el subatómico.
Cuando los físicos intentaron aplicar las reglas de la mecánica cuántica a la gravedad, se encontraron con problemas matemáticos que daban resultados infinitos. Han encontrado formas de solucionar estos problemas para las otras tres fuerzas (electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil), pero no para la gravedad. Por eso, se necesita una forma diferente de entender la gravedad a nivel cuántico.
La teoría de supercuerdas propone que los componentes más básicos de la realidad no son puntos, sino cuerdas diminutas. Estas cuerdas vibran a diferentes frecuencias. Cada vibración única, o "armonía", daría origen a una fuerza fundamental diferente. Por ejemplo, el gravitón (la partícula que se cree que lleva la fuerza de la gravedad) sería una cuerda que vibra de una manera específica.
Una idea clave de la teoría es que no se pueden distinguir diferencias entre cuerdas que se enrollan en dimensiones muy pequeñas y cuerdas que se mueven en dimensiones grandes. Esto ayuda a evitar problemas matemáticos que surgen en otras teorías. Por ejemplo, la teoría de cuerdas sugiere que el universo nunca podría ser más pequeño que el tamaño de una cuerda, incluso si se contrajera.
Las Dimensiones Extra en la Teoría de Cuerdas
Aunque nuestro universo observable tiene tres dimensiones espaciales (arriba/abajo, adelante/atrás, izquierda/derecha) y una dimensión temporal (el tiempo), las teorías científicas pueden describir universos con más dimensiones. La teoría de cuerdas y la teoría de supercuerdas proponen que existen dimensiones adicionales que no podemos ver fácilmente. Estas dimensiones estarían "enrolladas" o "compactificadas" de una manera tan pequeña que solo serían detectables en fenómenos con energías muy altas.
Para que la teoría de supercuerdas funcione matemáticamente, necesita un espacio-tiempo de 10 o 26 dimensiones. El hecho de que no veamos estas dimensiones adicionales se explica porque están compactificadas. Esto significa que son tan pequeñas que no las percibimos en nuestra vida diaria. La idea de dimensiones extra no es nueva; a principios del siglo XX, la teoría de Kaluza-Klein ya proponía un espacio-tiempo de 5 dimensiones para unificar el electromagnetismo y la gravedad.
Es difícil para la mente humana imaginar más de tres dimensiones espaciales. Una forma de entenderlo es pensar que, al hacer ecuaciones para describir un fenómeno, simplemente se necesitan más ecuaciones de lo habitual. Las formas de seis dimensiones llamadas Calabi-Yau son un ejemplo de cómo podrían ser estas dimensiones adicionales en la teoría de supercuerdas.
Existe una teoría más general llamada teoría de branas, donde las cuerdas son reemplazadas por objetos más grandes, como "membranas". La existencia de 10 dimensiones es necesaria matemáticamente para que estas teorías no tengan problemas.
Diferentes Tipos de Teorías de Supercuerdas
Al principio, los físicos se preocuparon porque existían cinco teorías de cuerdas diferentes. Sin embargo, en los años 90, durante la llamada segunda revolución de supercuerdas, se propuso que estas cinco teorías eran en realidad diferentes aspectos o "casos límite" de una única teoría más grande: la Teoría M.
Las cinco teorías de supercuerdas principales son:
- La Teoría de cuerdas de Tipo I: Tiene una supersimetría específica. Es única porque incluye tanto cuerdas "abiertas" (con extremos) como cuerdas "cerradas" (que forman bucles).
- Las Teorías de cuerdas de Tipo II: Hay dos tipos, IIA y IIB. Ambas tienen el doble de supersimetría que la Tipo I y solo incluyen cuerdas cerradas. Se diferencian en cómo se comportan las partículas sin masa que giran.
- Las Teorías de cuerdas heteróticas: Son un tipo especial que combina características de las supercuerdas y las cuerdas bosónicas. Hay dos tipos principales que se distinguen por sus propiedades matemáticas: la cuerda heterótica E8×E8 y la SO(32).
Estas teorías deben ser consistentes, lo que significa que no deben tener problemas matemáticos llamados "anomalías". Esto limita las posibles teorías de cuerdas que pueden existir.
Uniendo la Relatividad General y la Mecánica Cuántica
La relatividad general se usa para describir objetos muy grandes y masivos, como los planetas. La mecánica cuántica se usa para el mundo diminuto de los átomos y las partículas. Es muy difícil unirlas. Un ejemplo donde ambas son necesarias es en el estudio de los agujeros negros. En estos lugares, la materia está tan concentrada que las ecuaciones de ambas teorías deberían funcionar juntas. Sin embargo, cuando se intentan usar al mismo tiempo, las ecuaciones a menudo dan resultados imposibles.
El problema principal es que, a escalas muy pequeñas (más pequeñas que la longitud de Planck), la relatividad general predice una superficie suave y predecible, mientras que la mecánica cuántica predice una superficie irregular y llena de probabilidades. Estas ideas no son compatibles. La teoría de supercuerdas resuelve esto al reemplazar la idea de partículas como puntos con la idea de bucles o cuerdas. Estos bucles tendrían un tamaño promedio muy pequeño, lo que ayuda a evitar los problemas que surgen al intentar aplicar la mecánica cuántica a escalas extremadamente diminutas.
¿Es la Teoría de Supercuerdas una Teoría Probada?
Muchos científicos han expresado su preocupación de que la teoría de cuerdas sea difícil de probar o refutar con experimentos. Según el filósofo de la ciencia Karl Popper, una teoría científica debe poder ser "falsable", es decir, debe haber alguna forma de demostrar que es incorrecta si no lo es. Algunos críticos argumentan que la teoría de cuerdas, tal como se entiende hoy, tiene tantas soluciones posibles que podría adaptarse a casi cualquier observación, lo que la haría difícil de probar o refutar.
El filósofo de la ciencia Mario Bunge ha comentado sobre esto:
- La consistencia, la sofisticación y la belleza nunca son suficientes en la investigación científica.
- La teoría de cuerdas es cuestionable. Parece científica porque aborda un problema importante y difícil: crear una teoría cuántica de la gravitación. Pero la teoría propone que el espacio físico tiene seis o siete dimensiones, en lugar de tres, solo para que sea matemáticamente consistente. Como estas dimensiones extra no se pueden observar, y como la teoría no ha sido confirmada experimentalmente en más de treinta años, parece ciencia ficción o, al menos, ciencia que no ha tenido éxito.
- La física de partículas está llena de teorías matemáticas complejas que proponen la existencia de cosas extrañas que no interactúan mucho, o nada, con la materia común. Por eso, son indetectables. Como estas teorías no concuerdan con el resto de la Física y no cumplen con el requisito de ser falsables, se les puede llamar pseudocientíficas, aunque se hayan publicado en revistas científicas importantes por mucho tiempo.
Mario Bunge, 2006.
La crítica principal a la teoría de cuerdas es que es muy difícil de probar o refutar. Esto se debe a que tiene mucha flexibilidad matemática, lo que permite ajustar sus parámetros para que coincidan con casi cualquier cosa que se observe.
Para mostrar lo compleja que es esta área de investigación, ha habido casos de publicaciones que generaron debate en la comunidad científica. Algunos físicos han señalado que ciertos trabajos, aunque usaban un lenguaje técnico complejo, carecían de lógica interna. Esto llevó a discusiones sobre cómo se evalúan las nuevas ideas en la física teórica.
Véase también
En inglés: Superstring theory Facts for Kids
- Branas
- Física teórica
- Teoría de la gran unificación
- Teoría de cuerdas
- Teoría M
- Variedad de Calabi-Yau
- Juan Martín Maldacena
