La Teoría de las Supercuerdas

La Teoría de las Supercuerdas
Resumen
Desde hace tiempo se conoce una teoría llamada "teoría de campos cuánticos" que describe el
funcionamiento de tres de las cuatro fuerzas que se conocen en el universo: la fuerza nuclear fuerte, que
mantiene unidos los núcleos de los átomos, la fuerza nuclear débil, que gobierna la radioactividad, y el
electromagnetismo, encargado de la electricidad y el magnetismo. La que nunca logró incorporarse a este
esquema es la fuerza de gravedad. Es decir, desde niveles cósmicos hasta los moleculares, las cosas
funcionaban de acuerdo a la teoría general de la relatividad, pero a niveles atómicos y subatómicos, esta ya
no funciona, y se tienen que aplicar otras leyes, las de la mecánica cuántica.
Buscando una explicación para la fuerza fuerte, se desarrolló la teoría de cuerdas, que habla de partículas
formadas por pequeñas cuerdas vibrando en múltiples dimensiones. Luego la teoría cuántica logró la
inclusión de la fuerza fuerte en sus cálculos, por lo que la teoría de las cuerdas quedó un poco de lado. Pero
algunos físicos la siguieron desarrollando, y encontraron que podía servir para describir la fuerza de
gravedad en vez de la fuerza fuerte. Le agregaron a la teoría un nuevo elemento: las p-branas, que son lo
que es una membrana en un espacio tridimensional, pero en un espacio p-dimensional. Un tipo especial de
estas branas, son las D-branas, que actúan como los límites de las cuerdas vibrantes, con características
similares a las de un agujero negro, succionando los extremos de las cuerdas. (¿No es más delirante que
cualquier ciencia ficción? =)
Estas D-branas son el elemento fundamental del trabajo de Maldacena. Con ellas construyó una teoría de
cuerdas de 10 dimensiones (con 5 ocultas y las otras 5 reflejadas en el espacio-tiempo cuatridimensional tal
como una imagen holográfica refleja un objeto tridimensional en una superficie plana), que describe el
funcionamiento de la fuerza de gravedad. Y basándose en las mismas D-branas, construyó una teoría
equivalente a la cuántica en las cuatro dimensiones ordinarias, que describe las otras 3 fuerzas.
El poder explicar todo "en un mismo idioma", es un gran paso hacia la unificación total que fue el sueño de
Einstein, la "Teoría de Todo".
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Casi Con Un Miedo Reverencial, Físicos Estudian "La
Teoría Definitiva"
Por George Johnson, New York Times
La última vez que muchos fanáticos escucharon esta sintonía, los físicos que están en la búsqueda de los
secretos más profundos del universo ponían sus esperanzas en una deslumbrantemente hermosa y
sorprendente invención llamada teoría de supercuerdas. Se prometía la explicación definitiva de la
naturaleza si uno se imaginaba los cientos de partículas subatómicas como notas musicales producidas por
cuerdas increíblemente pequeñas vibrando en un espacio de 10 dimensiones. No importa que el universo
parece estar compuesto por solo cuatro dimensiones (contando el tiempo). Las otras seis se decía que
estaban convenientemente enroscadas dentro de pelotitas tan pequeñas que se desvanecen, fuera del
alcance de la vista y del pensamiento.
Desde sus silenciosos comienzos en la década de 1960, la idea brilló y se opacó a través de una primera
"revolución de las supercuerdas" a mediados de los 80, y una segunda revolución una década más tarde.
En los últimos meses, una nueva ola de descubrimientos está fomentando lo que algunos físicos
entusiastamente saludan como una tercer revolución, que nos guiará al día en que todas las leyes de la
creación encajen en un único y elegante marco.
Pero el tema del último entusiasmo ya no es más la teoría de supercuerdas. En el camino, el nombre ha
cambiado a teoría M, donde M representa "mágica", "misteriosa", "madre" (como madre de todas las
teorías) o, más prosaicamente, "meta", "matriz", o "membrana". A las temblorosas supercuerdas, que eran
al menos vagamente visualizables, se le unieron (y posiblemente las suplanten) unas entidades aún más
abstractas: membranas, o "branas", que vienen en tanto como nueve dimensiones.
Toda la creación, de acuerdo a algunas especulaciones recientes, puede forjarse a partir de estos
difícilmente imaginables objetos: los rastis de Dios. Si esta concepción es correcta, los físicos están más
cerca que nunca a redactar la elusiva teoría de la gravedad cuántica, una hazaña que unificaría la mecánica
cuántica y la relatividad general (los hasta ahora irreconciliables dos pilares de la física moderna), y
explicaría todas las fuerzas de la naturaleza en los mismos términos.
"La gente mirará hacia atrás a este como uno de los periodos más importantes de la física del siglo XX, tan
significativo como el desarrollo de la mecánica cuántica y la relatividad", predijo el Dr. John Schwarz, un
físico del Instituto de Tecnología de California y uno de los primeros pioneros de la teoría de cuerdas.
Los pronunciamientos entusiastas de los mismos teóricos de las cuerdas no son nada nuevo. Pero la
exaltación también está contagiando a otros dominios, como la cosmología.
El Dr. Andrew Strominger, un físico de la Universidad de Harvard que recientemente usó la teoría M para
saltar de una disciplina a otra y resolver un problema que involucraba agujeros negros, dijo: "Nosotros
éramos considerados semi-chiflados trabajando en una idea extravagante. Aunque eso aún puede ser
cierto, al menos ya no somos vistos de esa manera".
Una tarde este pasado verano en la fiesta anual de las supercuerdas, String ’98, en Santa Barbara,
California, unos 200 físicos proclamaban los últimos descubrimientos bailando La Macarena, o más bien,
una nueva versión llamada La Maldacena, en honor a un joven teórico argentino, el Dr. Juan Maldacena de
la Universidad de Harvard, cuya nueva teoría es el origen de la última conmoción:
You start with the brane
and the brane is B.P.S.
Then you go near the brane
and the space is A.D.S.
Who knows what it means
I don"t, I confess
Ehhhh! Maldacena! Comienzas con la brana
y la brana es B.P.S.
Luego vas cerca de la brana
y el espacio es A.D.S.
Quién sabe que significa
Yo no, lo confieso
¡Ehhhh! ¡Maldacena!
Mientras el Dr. Jeffrey Harvey, un teórico de la Universidad de Chicago, rapeaba la letra, un esotérico verso
tras otro, los físicos intentaban seguir los 14 pasos del baile.
El mensaje es el siguiente: los físicos tienen una exitosa arquitectura llamada teoría de campos cuánticos
que describe tres de las cuatro fuerzas. La fuerza fuerte mantiene unido el núcleo atómico; la fuerza débil
gobierna procesos radioactivos, y el electromagnetismo combina efectos electrónicos y magnéticos. Las tres
pueden describirse como campos transmitidos por partículas llamadas quanta. Para el electromagnetismo
los portadores son los fotones, para la fuerza fuerte los gluones, y para la fuerza débil las partículas W y Z.
Pero nadie ha sido capaz de meter la gravedad en este cuadro. Se asume que esta fuerza debe ser
transportada por partículas llamadas gravitones, pero hacer que estos obedezcan las leyes de la teoría de
campos cuánticos ha resultado imposible.
Sin embargo, la gravedad puede describirse con la teoría de las supercuerdas, o teoría M, usando el
vocabulario completamente diferente de cuerdas y branas. La hipótesis de Maldacena, elaborada en una
explosión de más de 100 escritos recientes de los teóricos de las supercuerdas, sugiere la posibilidad de
una profunda, oculta conexión entre la teoría de campos cuánticos y la teoría de cuerdas, estas dos
aparentemente incompatibles visiones del mundo.
"Esta es una pretensión muy dramática", dijo el Dr. Nathan Seiberg, un teórico del Instituto para el Estudio
Avanzado en Princeton, New Jersey. Además de acercar la gravedad y las otras fuerzas, el vínculo tentativo
que Maldacena ha encontrado puede proporcionar una nueva y poderosa herramienta de cálculo para
resolver difíciles problemas en la física de partículas.
El Origen: Una Nueva Visión Para Una Incertidumbre
La teoría de las cuerdas apareció por primera vez a finales de la década de 1960 y principio de los 70’s
como un malogrado intento por entender la fuerza fuerte. Analizar el mundo en términos de partículas y
campos ya había llevado a la espectacularmente exitosa teoría del electromagnetismo, y la fuerza nuclear
débil estaba al borde de sucumbir ante una explicación similar.
Pero la fuerza fuerte parecía, en esos momentos, tercamente resistente. Algunos físicos estaban tomando
esto como un signo de que la teoría de campos necesitaba ser extirpada y reemplazada con una visión
totalmente nueva. Lo que surgió fue la posibilidad de que las partículas fueran realmente diferentes notas
producidas por cuerdas vibrantes.
Los beneficios potenciales parecían inmensos. Uno de los grandes problemas al tratar con las partículas
infinitesimales de la teoría de campos, era que causaban la aparición de absurdos matemáticos en las
ecuaciones, equivalentes a tratar de dividir un número por cero. El resultado era términos infinitos que
volvían los cálculos algo sin sentido. El problema, que había sido resuelto para el electromagnetismo, hacía
infructuosos los intentos de explicar la fuerza fuerte. Si las partículas sin tamaño eran reemplazadas por
pequeñas cuerdas, algunos proponían que quizás los cancerosos infinitos desaparecieran.
Pero habían numerosos problemas por surgir. Si uno podía creer en las ecuaciones, las cuerdas deberían
estar vibrando en un espacio de 25 dimensiones (con una 26º representando el tiempo). ¿Dónde estaban
las 22 extras? Las ecuaciones también escupían permanentemente una extravagante partícula sin masa
cuyo spin (un elemento de la mecánica cuántica equivalente a la rotación) era de 2. La única partícula con
esas características de la que se tenía noticias era el puramente hipotético gravitón. Si alguna vez los
físicos logran desarrollar una teoría de campos cuánticos de la gravedad, el gravitón sería el portador. Pero
¿qué hacía en una teoría de la fuerza fuerte?
De todas formas, los físicos pronto tuvieron éxito en explicar la fuerza fuerte con una teoría de campos
llamada comodinámica del quantum, o Q.C.D. por sus siglas en inglés (Quantum Chromodynamics), y la
mayoría de los teóricos le dieron la espalda a las cuerdas.
De acuerdo a la Q.C.D., lo bloques elementales de construcción llamados quarks vienen en tres "colores"
(un tanto análogos a la carga eléctrica). Los quarks se mantienen unidos por gluones, los portadores de la
fuerza fuerte, para formar protones, neutrones y sus parientes subatómicos. Hacia el final de los 70’s, la
Q.C.D. había sido incorporada al Modelo Estándar, una amalgama de teorías de campos cuánticos que
describían la fuerza fuerte, la fuerza débil, y el electromagnetismo. Los teóricos más osados estaban
buscando una "gran teoría unificada" en la cual las tres fuerzas se mostrasen como manifestaciones de una
única superfuerza. Pero la gravedad permanecía totalmente fuera de este juego.
La Revolución: Atando La Gravedad Con Supercuerdas
Pero no todos se rindieron respecto a las cuerdas. A mediados de los 70’s, dos físicos, el Dr. Schwartz y el
Dr. Jöel Scherk, trataron de transformar uno de los defectos de la teoría de cuerdas en una virtud: quizás la
persistente aparición del gravitón en las ecuaciones no era accidental. Quizás lo que estaban viendo no era
un modelo de la fuerza fuerte, sino un modelo de la gravedad (una nueva forma de expresar la teoría
general de la relatividad de Einstein). Y si la gravedad se podía describir con la teoría de cuerdas, luego
quizás también las otras fuerzas podrían reformularse de la misma manera. Todo se unificaría en un mismo
paquete.
En esta época, los teóricos de las cuerdas encontraron que podrían recortar las 26 dimensiones del
espacio-tiempo requeridas por la teoría original a solo 10. En el camino, la teoría vino a llamarse "de
supercuerdas" cuando fue dotada de una calidad hipotética llamada supersimetría, en la cual las partículas
portadoras de fuerzas como los gluones y las partículas que forman la materia como los quarks se
entrelazan íntimamente.
Diez dimensiones todavía eran demasiadas para tragar. Y, en un derroche sin igual, parecía que uno
potencialmente podría construir un número infinito de diferentes teorías de cuerdas 10-dimensionales.
¿Cómo podrían saber nunca los físicos cuál describía este universo? Una salida apareció a mitad de los
80’s cuando, en la primera revolución, se demostró que de todas las teorías de cuerdas posibles, solo cinco
eran sólidas; el resto se venía abajo debido a inconsistencias varias. Pero esto todavía era 4 teorías de
más. Aún peor, todavía había decenas de miles de formas diferentes de enrollar las seis dimensiones
extrañas para lograr que las teorías describieran un mundo cuatridimensional.
Una pequeña banda de obstinados se mantuvo optimista. El Dr. Edward Witten, una joven estrella
emergente de la teoría de cuerdas, la describe románticamente como "una pieza de la física del siglo XXI
que por casualidad cayó en el siglo XX".
Se mantuvieron bregando silenciosamente hasta la segunda revolución de mediados de los 90’s. Se
descubrió que las muchas formas de esconder las dimensiones extras estaban estrechamente relacionadas.
Y las cinco teorías 10-dimensionales resultaron ser simplemente diferentes vistas de una única teoría 11dimensional subyacente. Todo podría conectarse por "dualidades", lentes matemáticas a través de las
cuales lo aparentemente diferente resulta ser lo mismo.
"Me recuerda la historia de la gente ciega examinando el elefante", dijo Seiberg, el teórico de Princeton.
"Acostumbramos mirar diferentes partes y no vemos el cuadro completo".
Tratando de reducir la multitud de teorías a una sola, los físicos se dieron cuenta de que sus ecuaciones
hablaban de un mundo hecho no solo de cuerdas, sino también de cosas membranosas llamadas p-branas,
donde p representa el número de dimensiones. Lo que uno se imagina normalmente como una membrana
es una superficie bidimensional, como una sábana, desplegándose en un espacio tridimensional. Esto ahora
se llama una 2-brana. Un punto es una 0-brana, y una línea una 1-brana. Extendiendo la idea en la otra
dirección, uno puede tener 3-branas, 4-branas, 5-branas, y así hasta 9-branas: superficies 9-dimensionales
flameando dentro de un mundo 10-dimensional.
Especialmente importante para la teoría M es un tipo especial llamado D-brana, nombrada en honor al
matemático del siglo XIX Peter Dirichlet. En 1995, el Dr. Joseph Polchinsky de la Universidad de California
mostró en Santa Barbara que las D-branas, que también vienen en tanto como 9 dimensiones, describían
superficies en las cuales pueden terminar las cuerdas. Pero estas superficies son más que meros límites:
las D-branas son vistas ahora como entidades al menos tan fundamentales como las cuerdas. De acuerdo a
una controversial versión de la teoría M llamada teoría Matriz, las D-branas pueden ser los objetos
fundamentales a partir de lo que están hechas las cuerdas y todo lo demás.
En seguida, físicos como el Dr. Strominger de Harvard encontraban que algunos de los rompecabezas
acerca de los agujeros negros podrían ser mejor entendidos si se los imaginaba como hechos de D-branas.
De hecho, las D-branas mismas pueden concebirse como agujeros negros extremadamente pequeños. Una
cuerda termina porque el resto de ella fue succionado por uno de estos pozos infinitesimales. Una cuerda
cerrada, con forma de lazo, se vuelve una cuerda abierta, de dos extremos, cuando un pedazo de ella es
mordido por una D-brana.
Y las D-branas son una parte esencial de la coreografía del baile matemático llamado la Maldacena, en la
que la teoría de cuerdas y la teoría de campos danzan en el misma pista. El Dr. Maldacena usó D-branas
para construir una teoría de campos cuánticos similar a la Q.C.D., en las cuatro dimensiones ordinarias.
También usó D-branas para construir una teoría de cuerdas 10-dimensional (con 5 de las dimensiones
enrolladas y escondidas). Por naturaleza, las teorías de cuerdas incluyen la gravedad. De aquí la excitación
cuando Maldacena mostró que las dos teorías estaban íntimamente relacionadas. La unificación de las
cuatro fuerzas puede estar un paso más cerca de ser realidad.
El Universo: Uniendo El Espacio Interior Al Espacio Exterior
Pero el hallazgo es todavía una hipótesis, que vaga en un reino entre corazonadas y teorías totalmente
desarrolladas. Para hacer que este modelo funcione, Maldacena tuvo que hacer algunos sutiles trucos
teóricos. En la Q.C.D., los quarks vienen en tres "colores". A partir de una idea del físico holandés Gerard ‘t
Hooft, simplificó los cálculos usando una teoría ficticia con muchos más colores.
Y hasta ahora, la conexión que encontró Maldacena solo funciona en algo llamado espacio Anti-de Sitter (en
honor al astrónomo holandés Willem de Sitter). Un universo anti-de Sitter debería "curvarse" en una forma
tal que la expansión desde el big bang gradualmente se desaceleraría y colapsaría en un big crunch.
Evidencia reciente sugiere que en nuestro universo la expansión puede estar acelerándose eternamente.
Pero estamos lejos de tener una certeza.
Tomando en cuenta estos dos requisitos, la moraleja de la hipótesis de Maldacena es la siguiente: La
curvatura del espacio-tiempo descrita por la teoría de cuerdas es equivalente al número de colores de la
teoría de campos; más colores implican menos curvatura. Puede haberse encontrado un inesperado puente
entre dos diferentes mundos teóricos.
Los físicos están ahora tratando de extender el trabajo para que se aplique a situaciones más realistas. El
Dr. Strominger, por ejemplo, apuesta a que la relación se encontrará y se mantendrá en escena, mostrando
que "la teoría de cuerdas y la teoría de campos cuánticos son simplemente dos caras de la misma moneda".
"No hemos llegado a tanto aún", dice. "Todos estamos de buen humor porque pensamos que hay mucho
más para aprender".
El trabajo de Maldacena también sostiene una nueva teoría que se puso de moda, que dice que el universo
es holográfico. En holografía láser, un objeto tridimensional se proyecta en un plano bidimensional,
manteniendo la riqueza de la imagen original. En el modelo de Maldacena, la teoría de campos
cuatridimensional puede imaginarse como una proyección holográfica de la teoría de cuerdas 5-dimensional
(recuérdese que las otras cinco dimensiones están enrolladas y escondidas). En un universo holográfico, la
información acerca de todo en un volumen de espacio puede mostrarse de alguna manera en su superficie.
Las extravagantes consecuencias de esta noción recién se están empezando a descubrir.
El Significado : ¿Es Sólo Matemática Fantástica, O Ciencia
Real?
Maldacena admite que esta hipótesis carga con el peso de la crítica que se aplica a toda la teoría M: aún no
puede ser probada mediante experimentos.
"Hasta ahora, todo lo que se ha hecho es mayormente desde el punto de vista conceptual", dijo. "Por el
momento no hay predicciones experimentales, pero hay esperanzas de que las habrá en el futuro. No
sabemos si esto ocurrirá pronto o no. Qué tan lejos se puede llegar con un nuevo método es una pregunta
siempre difícil de responder".
Algunos físicos aún mantienen que a pesar de las revoluciones conceptuales en la teoría de cuerdas, no
hay mucho más que mostrar que sólo un montón de lindas matemáticas.
"No se ha explicado ningún fenómeno físico observable", dijo el Dr. Steven Giddings, un teórico de la
Universidad de California de Santa Barbara. "Creíamos que todo en el universo, quarks, fotones, gravitones,
electrones, y demás, estaban todos hechos de cuerdas. La reciente revolución ha hecho pedazos esa
visión, y todavía tenemos que encontrar una estructura lógica convincente para reemplazarla".
Giddings continuó: "Ya no sabemos más cuáles son los constituyentes fundamentales de la teoría. Cuerdas
y D-banas parecen igualmente fundamentales, y no está claro si una de ellas está hecha de la otra. Quizás
ambas están hechas de algo aún más fundamental. Es como escalar una montaña para llegar a la cima y
descubrir que, vista desde lejos, es sólo una colina al pie de otra montaña. Hemos realizado un enorme
progreso en los últimos años, pero ahora nos damos cuenta de la gran profundidad de nuestra ignorancia".
Él se iba ese día a una cumbre en las Sierras, para hacer algo que consideraba fácil: escalar una pared de
50 metros de hielo vertical.
Fuente: http://www.eltacho.com.ar/maldacena.htm
Juan Martín Maldacena
Martín Maldacena (n. el 10 de septiembre de 1968 en Buenos Aires) es un físico teórico argentino. Entre
sus muchos descubrimientos, el más famoso es la más realista realización del principio holográfico
(holographic principle), llamado la correspondencia AdS/CFT , la exitosamente probada conjetura sobre la
equivalencia de la teoría de las cuerdas, o supergravedad en el espacio Anti de Sitter (w:en:Anti de Sitter
space), y la teoría conforme de campos (w:en:conformal field theory) definida en el límite del espacio AdS,
conocida como "conjetura Maldacena".
Investigaciones
Juan Maldacena ha realizado importantes avances relacionados con la teoría de cuerdas, un marco de
unificación teórica de los dos grandes pilares de la física contemporánea: la mecánica cuántica y la teoría
de la relatividad general, de Einstein. Maldacena ha propuesto una relación sorprendente entre dos
sistemas aparentemente diferentes:
La teoría de cuerdas IIB propagándose en un espacio-tiempo con una geometría dada por el producto de un
espacio anti de Sitter 5-dimensional y una 5-esfera.
Una teoría cuántica de campos en 4 dimensiones con simetría gauge SU(N) y supersimetría N=4.
Su descubrimiento es conocido como "la conjetura de Maldacena", la "correspondencia AdS/CFT" o la
"correspondencia gauge/cuerda". Se trata de una relación explícita del principio holográfico (de ´t Hooft y
Susskind), que relaciona una teoría con intracciones gravitationales con una teoría sin gravedad y en un
número menor de dimensiones. Tiene profundas implicaciones para el estudio de la gravedad cuántica. Por
ejemplo, la correspondencia permite en principio estudiar la descripción microscópica y la dinámica de un
agujero negro, y el problema de la pérdida de información en agujeros negros, utilizando el punto de vista
dual de un proceso en una teoría cuántica de campos. Esto implica automáticamente que la formación y
evaporación de agujeros negros es un proceso descrito de forma unitaria en mecánica cuántica, y que la
información no se pierde al caer a un agujero negro. Por otro lado, la correspondencia tiene también
aplicación al estudio de fenómenos de interacción fuerte en teorías gauge mediante el dual gravitacional. De
hecho, el uso de técnicas basadas en la correspondencia AdS/CFT han supuesto nuevos puntos de vista
sobre problemas de QCD como el del confinamiento, y están encontrando aplicación en el análisis de las
propiedades del plasma de quarks-gluones, experimentalmente obtenido en el experimento RHIC.
La propuesta de esta correspondencia por parte de Maldacena, y su amplia y profunda investigación sobre
sus diversas ramificaciones, le han significado un reconocimiento mundial de la comunidad científica.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Juan_Mart%C3%ADn_Maldacena