Teoría de supercuerdas
La teoría de supercuerdas es un esquema teórico para explicar todas las partículas y fuerzas fundamentales
de la naturaleza en una sola teoría, que modela las partículas y campos
físicos como vibraciones de delgadas cuerdas supersimétricas, las
cuales se mueven en un espacio-tiempo de más de 4 dimensiones.
Una de las motivaciones esgrimidas por los teóricos de las
supercuerdas es que el esquema es una de las mejores teorías candidatas
para formular una teoría cuántica de la gravedad. La teoría de las supercuerdas es una taquigrafía de la teoría supersimétrica de cuerdas porque, a diferencia de la teoría de cuerdas bosónica, ésta es la versión de la teoría de cuerdas que, mediante la supersimetría, incorpora a los fermiones.
La teoría de las supercuerdas comprende cinco teorías o formulaciones
alternativas de teorías de cuerdas combinadas, en la que se han
introducido requerimientos de supersimetría. El nombre de teoría de
cuerdas se usa actualmente como sinónimo, ya que todas las teorías de
cuerdas ampliamente estudiadas son, de hecho, teorías de supercuerdas.
La idea fundamental es que en realidad son cuerdas que vibran en resonancia a una frecuencia de la longitud de Planck y en donde el gravitón sería una cuerda de espín 2 y masa nula.
Recientemente se ha podido probar que varias de estas formulaciones
son equivalentes y tras todas ellas podría existir una teoría unificada o
teoría del todo.
Las cinco teorías existentes no serían más que casos límite
particulares de esta teoría unificada, denominada provisionalmente como Teoría M. Esta teoría M intenta explicar a la vez todas las partículas subatómicas existentes y unificar las cuatro fuerzas fundamentales
de la naturaleza. Define el universo formado por multitud de cuerdas
vibrantes, ya que es una versión de la teoría de cuerdas que incorpora
fermiones y la supersimetría.
El principal problema de la física actual es poder incorporar la fuerza de la gravedad tal y como la explica la teoría de la relatividad general al resto de las fuerzas físicas ya unificadas. La teoría de las supercuerdas sería un método de unificación de dichas teorías. La teoría está lejos de estar acabada y perfilada, ya que hay muchísimas variables sin definir, por lo que existen varias versiones de la misma.
El problema de las dimensiones
Aunque el universo físico observable tiene tres dimensiones
espaciales y una dimensión temporal, nada prohíbe a una teoría describir
un universo con más de cuatro dimensiones, especialmente si existe un
mecanismo de "inobservabilidad aparente" de las dimensiones adicionales.
Ése es el caso de las teoría de cuerdas y la teoría de supercuerdas que
postulan dimensiones adicionales compactificadas y que sólo serían
observables en fenómenos físicos que involucran altísimas energías. En
el caso de la teoría de supercuerdas, la consistencia de la propia
teoría requiere un espacio-tiempo de 10 ó 26 dimensiones. El conflicto entre la observación y la teoría se resuelve compactando
las dimensiones que no se pueden observar en el rango de energías
habituales. De hecho, la teoría de supercuerdas no es la primera teoría
física que propone dimensiones espaciales extra; a principios del siglo
XX se propuso una teoría geométrica del campo electromagnético y
gravitatorio conocida como teoría de Kaluza-Klein que postulaba un espacio-tiempo
de 5 dimensiones. Posteriormente la idea de Kaluza y Klein se usó para
postular la teoría de la supergravedad de 11 dimensiones que también
utiliza la supersimetría.
La mente humana tiene dificultad visualizando dimensiones mayores
porque solo es posible moverse en 3 dimensiones espaciales. Una manera
de tratar con esta limitación es no intentando visualizar dimensiones
mayores del todo sino simplemente pensando, al momento de realizar
ecuaciones que describan un fenómeno, que se deben realizar más
ecuaciones de las acostumbradas. Esto abre las interrogantes de que
estos 'números extra' pueden ser investigados directamente en cualquier
experimento (donde se mostrarían resultados en 1, 2, 2+1 dimensiones a
científicos humanos). Así, a su vez, aparece la pregunta de si este tipo
de modelos que se investigan en este modelado abstracto (y aparatos
experimentales potencialmente imposibles) puedan ser considerados
'científicos'. Las formas de seis dimensiones de Calabi-Yau pueden contar con dimensiones adicionales por la teoría de supercuerdas.
Integración relatividad general / mecánica cuántica
La relatividad general normalmente se refiere a situaciones que envuelven objetos masivos grandes en lejanas regiones del espacio-tiempo donde la mecánica cuántica
se reserva para escenarios a escala atómica (regiones pequeñas de
espacio-tiempo). Las dos son muy difícilmente usadas juntas, y el caso
más común en donde se combina su estudio son los agujeros negros.
Teniendo "picos de densidad" o máximo cantidades de materia posible en
el espacio, y un área muy pequeña, las dos deben ser usadas en sincronía
para predecir condiciones en ciertos lugares; aun cuando son usados
juntos, las ecuaciones se desmoronan y brindan respuestas imposibles,
tales como distancias imaginarias y menos de una dimensión.
El mayor problema con su congruencia es que, a dimensiones menores a las de Planck,
la relatividad general predice una certeza, una superficie fluida,
mientras que la mecánica cuántica predice una probabilidad, una
superficie deformada; que no son compatibles. La teoría de supercuerdas
resuelve este requerimiento, remplazando la idea clásica de partículas
puntuales con bucles. Esos bucles tendrían un diámetro promedio de una
longitud de Planck, con variaciones extremadamente pequeñas, que ignora
completamente las predicciones de la mecánica cuántica a dimensiones
menores a las de Planck, y que para su estudio no toma en cuenta esas
longitudes.
