Teoría M para niños
La teoría M es una idea en la física que busca unir todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza en una sola explicación. Fue propuesta por el científico Edward Witten y combina cinco teorías de supercuerdas diferentes y la supergravedad en un universo que tendría once dimensiones. Esta teoría se basa en la teoría de cuerdas, que sugiere que todas las partículas que conocemos son en realidad diminutas cuerdas que vibran. Según esta idea, las partículas son como cuerdas que vibran de diferentes maneras en un espacio que necesita al menos once dimensiones para ser descrito.
Aunque la teoría M tiene mucho apoyo, todavía es una propuesta en desarrollo. No hay pruebas directas que la confirmen, ya que sería muy difícil de verificar con la tecnología actual. Además, aún tiene algunos desafíos matemáticos por resolver.
Contenido
¿Cómo surgió la teoría M?
Durante mucho tiempo, hasta el siglo XIX, se pensaba que el átomo era la parte más pequeña de la materia. Se creía que era indivisible. Pero a principios del siglo XX, los científicos descubrieron que los átomos tienen partes aún más pequeñas, como los protones, neutrones y electrones. A estas se les llama partículas subatómicas. Más tarde, en los años 80, se descubrió que los protones y neutrones están hechos de partículas aún más diminutas llamadas quarks. La mecánica cuántica es el conjunto de reglas que explican cómo interactúan estas partículas.
La idea de las cuerdas
En los años 80, surgió un nuevo modelo matemático llamado teoría de cuerdas. Esta teoría sugiere que todas las partículas y todas las formas de energía en el universo podrían ser en realidad pequeñas "cuerdas" o "hilos" muy, muy pequeños. Son tan diminutas que solo se podrían ver a escalas de longitud extremadamente pequeñas, como la longitud de Planck.
Además, la teoría de cuerdas propone que el universo tiene más dimensiones espaciales de las que podemos ver. Estamos acostumbrados a las tres dimensiones del espacio (alto, ancho y largo) y el tiempo, lo que suma cuatro dimensiones observables. Sin embargo, la teoría de cuerdas sugiere que podría haber once dimensiones en total, aunque las siete restantes son tan pequeñas que no podemos detectarlas directamente. Estas "cuerdas" vibrarían en todas estas dimensiones, y la forma en que vibran determinaría si las percibimos como materia, luz o gravedad. Es decir, la vibración de la "cuerda" es lo que le da su apariencia de materia o energía.
Pero la teoría de cuerdas se encontró con un problema: después de una primera versión, se descubrieron otras cuatro versiones de ecuaciones que también parecían correctas. Así, había cinco grandes teorías de cuerdas, todas basadas en un universo de once dimensiones. Los científicos no estaban contentos con tener cinco explicaciones diferentes para el mismo fenómeno.
La unificación de la teoría M
A mediados de los años 90, Edward Witten, un físico teórico, y otros investigadores importantes, pensaron que las cinco versiones diferentes de la teoría de cuerdas podrían ser solo distintas formas de ver la misma cosa. Propusieron unirlas en una sola teoría llamada "Teoría M". La "M" no tiene un significado único, pero se suele entender como "membrana". La teoría M unió todas las teorías de cuerdas al sugerir que las cuerdas son en realidad como "anillos" de una "membrana" bidimensional que vibra en un espacio de once dimensiones.
Para entender la teoría M, es útil saber un poco sobre la teoría de cuerdas. Durante cientos de años, la física consideró que las partículas fundamentales, como el electrón, eran como puntos sin tamaño. La teoría de cuerdas cambia esto, proponiendo que el universo está hecho de objetos unidimensionales, como cuerdas. Estas cuerdas son tan pequeñas que, incluso a la escala de las partículas, parecerían puntos. En la teoría de cuerdas, cada partícula se forma por diferentes patrones de vibración de estas cuerdas.
El desarrollo de la teoría de cuerdas se debe en gran parte a un problema importante en la física: la relatividad general de Albert Einstein, que explica el universo a gran escala, no se lleva bien con la mecánica cuántica y el modelo estándar, que explican el universo a escala subatómica. La teoría de cuerdas, al usar objetos unidimensionales en lugar de puntos, resuelve muchos de estos problemas. Por ejemplo, los teóricos de cuerdas descubrieron que su teoría incluye de forma natural los gravitones, que son las partículas que causan la gravedad. Por eso, la teoría de cuerdas logra unir la Relatividad General con la Mecánica Cuántica.
Sin embargo, la teoría de cuerdas tiene sus propios desafíos. Primero, necesita 10 dimensiones para que las cuerdas vibren, a diferencia de las 4 dimensiones que observamos. Esto puede parecer extraño, pero es posible que las 6 dimensiones adicionales sean extremadamente pequeñas y curvadas, como si miraras un tubo desde lejos y pareciera una línea, pero de cerca ves que tiene dos dimensiones (largo y alrededor).
Otro problema es que la teoría de cuerdas tenía cinco versiones diferentes. Estas cinco teorías (llamadas Tipo I, Tipo IIA, Tipo IIB, SO(32) y E8×E8) difieren en el tipo de cuerdas que permiten y cómo aplican la supersimetría. Como una "teoría del todo" debería ser única, los científicos buscaban una forma de unificarlas. Aquí es donde entra la teoría M.
¿Qué significa la "M"?
Según su creador, Edward Witten, la "M" en teoría M puede significar "magia", "misterio" o "membrana", dependiendo de lo que prefiera cada uno. También bromeó diciendo que algunos cínicos sugieren que significa "turbio" (murky en inglés), porque aún no se comprende completamente. Otros significados que se han propuesto son "Matriz", "Madre de todas las cuerdas" o "Locura" (Madness).
¿Qué describe la teoría M?
La Teoría M es una propuesta para una "Teoría universal" que unifique las cinco teorías de las supercuerdas. Basada en el trabajo de varios científicos, Edward Witten sugirió su existencia en una conferencia en 1995. La teoría M ayudó a explicar varias conexiones entre las teorías de cuerdas que ya se habían observado, lo que impulsó una nueva etapa de investigación en la teoría de cuerdas, conocida como la segunda revolución de supercuerdas.
Esta teoría identifica 11 dimensiones, donde la supergravedad interactúa entre "membranas" de 2 a 5 dimensiones. Esto podría sugerir la existencia de infinitos universos paralelos, algunos parecidos al nuestro y otros muy diferentes. También podría explicar por qué la gravedad es una fuerza tan débil: la partícula que transmite la gravedad, el gravitón, podría ser la única que puede viajar a través de todas estas membranas, perdiendo fuerza en el proceso.
A principios de los años 90, se descubrió que las diferentes teorías de supercuerdas estaban conectadas por "dualidades". Estas dualidades permitían a los físicos describir un objeto de una teoría de supercuerdas de una manera diferente en otra teoría. Esto significaba que cada teoría de supercuerdas era solo una forma distinta de ver una única teoría subyacente, que Witten propuso llamar "Teoría M".
La teoría M aún no está completa. Sin embargo, se puede aplicar a muchas situaciones. Es similar a cómo estaba la teoría del electromagnetismo a mediados del siglo XIX: había teorías separadas para el magnetismo y la electricidad, y aunque se sabía que estaban relacionadas, la conexión exacta no se aclaró hasta que James Clerk Maxwell publicó sus ecuaciones. Witten ha sugerido que para tener una fórmula completa de la teoría M, probablemente se necesitará desarrollar un nuevo tipo de lenguaje matemático.
Características de la teoría M
La teoría M incluye más que solo cuerdas. Contiene objetos de diferentes dimensiones, llamados "P-branas" (donde "P" indica su número de dimensiones, por ejemplo, una 1-brana es una cuerda y una 2-brana es una membrana) o "D-branas" (si son cuerdas abiertas). Estos objetos de dimensiones mayores siempre estuvieron presentes en la teoría de cuerdas, pero no se pudieron estudiar bien hasta la Segunda Revolución de las Supercuerdas. Incluso se ha sugerido que el Big Bang (el inicio de nuestro universo) pudo haber sido causado por la colisión de dos de estas membranas.
¿Por qué hay escepticismo sobre la teoría M?
La teoría M ha recibido algunas críticas. Algunos científicos, como Peter Woit y Lee Smolin, argumentan que los teóricos de cuerdas han exagerado las fortalezas de la teoría y han subestimado sus debilidades.
- Un argumento es que la teoría de cuerdas no ha hecho ninguna predicción "clara" (que se pueda medir con números) que se haya confirmado con experimentos.
- Los críticos también señalan que, debido a la complejidad de la teoría de cuerdas, podría ser incapaz de hacer estas predicciones, lo que la haría difícil de probar o refutar.
- Otro argumento es que la teoría de cuerdas no mantiene algunas propiedades de la Relatividad General, como la independencia del fondo.
- Finalmente, hay un argumento social que dice que la teoría de cuerdas ha dominado la financiación y los puestos de trabajo en la física de altas energías, lo que dificulta la investigación de otras ideas.
Los defensores de la teoría de cuerdas responden que estas críticas solo muestran que la teoría aún no está completamente desarrollada.
Galería de imágenes
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Representación de la variedad de Calabi-Yau, una de las formas posibles para las dimensiones extra que no podemos ver directamente.
Véase también
En inglés: M-theory Facts for Kids
