El universo elegante (43 page)

Algunas formas de Calabi-Yau tienen esta propiedad geométrica, mientras que otras no la tienen, y por esta razón la posibilidad de fracciones de carga eléctrica inusuales no es tan genérica como la existencia de partículas superparejas. Por otra parte, mientras que la predicción de superparejas no es una propiedad única de la teoría de cuerdas, décadas de experiencia han demostrado que no hay ninguna razón por la que obligatoriamente dichas fracciones exóticas de carga eléctrica tengan que existir en
cualquier
teoría de partículas puntuales. Se podrían introducir a la fuerza en cualquier teoría de partículas puntuales, pero eso sería tan natural como meter un elefante en una tienda de porcelanas. El hecho de que estas cargas eléctricas inusuales pudieran surgir a partir de unas sencillas propiedades geométricas que las dimensiones adicionales puedan tener, hace que dichas cargas sean un sello distintivo experimental natural de la teoría de cuerdas.

Lo mismo que sucede con las superparejas, nunca se ha observado ninguna de estas partículas provistas de cargas exóticas, y nuestros conocimientos relativos a la teoría de cuerdas no nos permiten obtener una predicción definitiva de sus masas, en el caso de que las dimensiones adicionales tuvieran las propiedades adecuadas para generar dichas masas. Una razón que explicaría por qué no se ven es que, si realmente existen, sus masas deben desbordar la capacidad de nuestros medios tecnológicos actuales —de hecho, es probable que sus masas sean del orden de la masa de Planck—. No obstante, si en el futuro algún experimento detectara estas cargas eléctricas exóticas, esto constituiría una prueba muy fuerte en el sentido de demostrar que la teoría de cuerdas es correcta.

Sin embargo, existen otras vías mediante las cuales se podrían descubrir pruebas de la autenticidad de la teoría de cuerdas. Por ejemplo, Witten ha apuntado la posibilidad, en un plano más lejano, de que los astrónomos pudieran ver algún día un sello distintivo directo de la teoría de cuerdas en los datos que obtienen observando los cielos. Como ya se vio en el capítulo 6, la medida de una cuerda es habitualmente la longitud de Planck, pero las cuerdas más energéticas pueden alcanzar un tamaño sustancialmente mayor. De hecho, la energía del
big bang
habría sido suficientemente alta para producir unas pocas cuerdas macroscópicamente grandes que, a través de la expansión cósmica, podrían haber llegado a alcanzar escalas astronómicas. Podemos imaginarnos que ahora o en algún momento del futuro, una cuerda de este tipo podría atravesar el cielo nocturno, dejando una huella inconfundible y medible en los datos recogidos por los astrónomos (como, por ejemplo, un pequeño desplazamiento en la temperatura media de las microondas cósmicas; véase el capítulo 14). Como dice Witten: «Aunque algo fantasioso, éste es mi escenario favorito para confirmar la teoría de cuerdas, puesto que nada plantearía el tema tan espectacularmente como la visión de una cuerda mediante un telescopio».
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Más cercanos a la Tierra, se han propuesto otros posibles sellos distintivos experimentales de la teoría de cuerdas. He aquí cinco ejemplos. En primer lugar, a propósito de la Tabla 1.1, ya habíamos indicado que no sabemos si los neutrinos son precisamente muy ligeros o, de hecho, tienen exactamente una masa nula. Según el modelo estándar, no tienen masa, pero esto no se debe a ninguna razón particularmente profunda. Uno de los desafíos que se plantea a la teoría de cuerdas consiste en aportar una explicación irrefutable de los datos presentes y futuros relativos a los neutrinos, especialmente si los experimentos demuestran por fin que los neutrinos poseen una masa muy pequeña, pero no nula. En segundo lugar, hay ciertos procesos hipotéticos que el modelo estándar prohíbe, pero que pueden estar permitidos por la teoría de cuerdas. Uno de ellos es la posible desintegración del protón (no hay que alarmarse; esta desintegración, si fuera cierta, se produciría muy lentamente) y otros son las posibles transmutaciones y desintegraciones de varias combinaciones de quarks, en violación de ciertas propiedades, aceptadas desde hace tiempo, de la teoría cuántica de campos aplicada a las partículas puntuales.
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Estos tipos de procesos son especialmente interesantes porque su ausencia de la teoría convencional los convierte en señales sensibles de que no se puede explicar la física sin invocar nuevos principios teóricos. Si se llegaran a observar, cualquiera de estos procesos proporcionaría un campo abonado para que la teoría de cuerdas ofreciera una explicación. El tercer ejemplo es que, para ciertas formas de Calabi-Yau, existen patrones particulares de vibración de cuerdas que pueden aportar de una manera efectiva nuevos campos de fuerzas diminutos y de largo alcance. Si se descubrieran los efectos de alguna de estas nuevas fuerzas, es posible que reflejaran algunas de las nuevas propiedades físicas de la teoría de cuerdas. El cuarto ejemplo, como indicamos en el capítulo próximo, dice que los astrónomos han recogido pruebas de que nuestra galaxia, y posiblemente todo el universo, están inmersos en un baño de
materia oscura
, cuya identidad aún no se ha determinado. Mediante sus muchos patrones posibles de vibración resonante, la teoría de cuerdas sugiere cierto número de candidatos que podrían ser la materia oscura; el veredicto sobre estos candidatos tendrá que esperar a futuros resultados experimentales que establezcan las propiedades detalladas de la materia oscura.

Y finalmente, una quinta posibilidad de conectar la teoría de cuerdas con las observaciones experimentales involucra la constante cosmológica —recuérdese que, como ya se comentó en el capítulo 3, se trata de la modificación que impuso Einstein temporalmente a sus ecuaciones originales de la relatividad general para garantizar un universo estático—. Aunque el subsiguiente descubrimiento de que el universo está en expansión obligó a Einstein a retirar dicha modificación, posteriormente los físicos han constatado que no hay explicación para el motivo por el cual la constante cosmológica tendría que ser cero. De hecho, la constante cosmológica se puede interpretar como una especie de energía global almacenada en el vacío del espacio, y por consiguiente su valor tendría que ser calculable teóricamente y medible experimentalmente. Pero, hasta la fecha, tales cálculos y mediciones conducen a una contradicción colosal: las observaciones muestran que la constante cosmológica es, o bien cero (como sugirió finalmente Einstein), o bastante pequeña; los cálculos indican que las fluctuaciones desde el punto de vista de la mecánica cuántica en el espacio vacío tienden a
generar
una constante cosmológica distinta de cero cuyo valor es alrededor de 120 órdenes de magnitud (un 1 seguido de 120 ceros) mayor que lo que el experimento permite. Esto presenta un maravilloso desafío y una maravillosa oportunidad a los especialistas en teoría de cuerdas: ¿pueden los cálculos en la teoría de cuerdas mejorar esta situación de contradicción y explicar por qué la constante cosmológica es cero?, o, si los experimentos establecen definitivamente que este valor es pequeño pero distinto de cero, ¿puede la teoría de cuerdas proporcionar una explicación? Si los especialistas en teoría de cuerdas son capaces de superar este desafío —hasta ahora no lo son— esto aportaría una prueba irrebatible en apoyo de la teoría.

La historia de la física está llena de ideas que cuando se presentaron por primera vez parecían completamente imposibles de comprobar pero, a través de varios procesos imprevistos, llegaron a situarse finalmente en el ámbito de la verificabilidad experimental. La idea de que la materia está hecha de átomos, la hipótesis de Pauli relativa a la existencia de partículas fantasmagóricas llamadas neutrinos, y la posibilidad de que los cielos estén poblados de estrellas neutrón y agujeros negros son tres ideas importantes y precisamente de este tipo —ideas que hoy aceptamos plenamente, pero que, cuando fueron concebidas, parecían más ciencia ficción que aspectos del hecho científico—.

La motivación que llevó a que se introdujera la teoría de cuerdas es al menos tan irresistible como cualquiera de las tres ideas anteriores; de hecho, la teoría de cuerdas se ha acogido como el planteamiento más importante y emocionante de la física teórica desde el descubrimiento de la mecánica cuántica. Esta comparación es especialmente adecuada porque la historia de la mecánica cuántica nos enseña que dentro de la física las revoluciones pueden tardar muchas décadas en alcanzar la madurez. Además, en comparación con los especialistas en teoría de cuerdas actuales; los físicos que desarrollaron la mecánica cuántica tenían una gran ventaja: incluso cuando sólo estaba parcialmente formulada, la mecánica cuántica podía conectar directamente con los resultados experimentales. Aun así, fueron necesarios cerca de 30 años para que se desarrollara la estructura lógica de la mecánica cuántica, y alrededor de 20 años más para incorporar plenamente la relatividad especial dentro de esta teoría. Actualmente estamos incorporando la relatividad general, una tarea que es mucho más desafiante, y que, además, conecta con los experimentos con muchas más dificultades. A diferencia de los que desarrollaron la teoría cuántica, los especialistas actuales en teoría de cuerdas no tienen la brillante luz de la naturaleza —mediante resultados experimentales concretos— para que les guíe los pasos.

Esto significa que es concebible que una o más generaciones de físicos dediquen sus vidas a la investigación y al desarrollo de la teoría de cuerdas sin conseguir ni una pizca de información experimental. El importante número de físicos que se dedican en todo el mundo a seguir activamente la pista de la teoría de cuerdas, sabe que está asumiendo un riesgo: que toda una vida de esfuerzos podría llevar a resultados no concluyentes. Sin duda, continuará produciéndose un progreso teórico significativo, pero ¿será suficiente para superar los actuales obstáculos y producir predicciones definitivas experimentalmente comprobables? ¿Darán las pruebas indirectas que hemos comentado anteriormente el resultado de un auténtico rifle humeante para la teoría de cuerdas? Estas cuestiones tienen una importancia fundamental para todos los especialistas en teoría de cuerdas, pero también hay preguntas a las que nadie sabe responder. Sólo el paso del tiempo dirá cuáles son las respuestas. La bella sencillez de la teoría de cuerdas, el modo en que pone bajo control el conflicto entre la gravedad y la mecánica cuántica, su capacidad de unificar todos los ingredientes de la naturaleza y su potencial ilimitado para realizar predicciones, todo ello sirve para aportar una fecunda inspiración que hace que valga la pena asumir el riesgo.

Estas nobles consideraciones se han visto reforzadas continuamente por la capacidad de la teoría de cuerdas para descubrir nuevas y sorprendentes características físicas de un universo basado en las cuerdas, características que ponen de manifiesto una coherencia sutil y profunda en el funcionamiento de la naturaleza. En el lenguaje que hemos presentado anteriormente, muchas de estas características son características genéricas que, independientemente de los detalles que por ahora son desconocidos, serán las propiedades básicas de un universo formado por cuerdas. Las más sorprendentes de estas características han causado un profundo efecto en nuestro modo —siempre en evolución— de comprender el espacio y el tiempo.

A
lo largo de aproximadamente una década, Einstein echó abajo él solo todo el marco newtoniano, que había estado vigente durante siglos, y proporcionó al mundo un modo más profundo, radicalmente nuevo, y demostrable, de entender la gravedad. No tardó mucho para que los expertos y no expertos parlotearan sobre la diáfana brillantez y la monumental originalidad de este logro de Einstein consistente en dar forma a la relatividad general. Sin embargo, no debemos perder de vista las circunstancias históricas favorables que contribuyeron fuertemente al éxito de Einstein. Entre estas circunstancias destacan en primer lugar los descubrimientos matemáticos realizados en el siglo XIX por Georg Bernhard Riemann, que construyó sólidamente el aparato geométrico necesario para describir los espacios curvos de dimensiones arbitrarias. En su famosa conferencia inaugural de 1854 en la Universidad de Gottingen, Riemann rompió las cadenas del espacio plano euclídeo, ideó y pavimentó el camino hacia un tratamiento matemático igualitario de la geometría en todo tipo de superficies curvas. Son estas ideas de Riemann las que proporcionaron las matemáticas necesarias para analizar cuantitativamente espacios alabeados como los que se ilustran en las Figuras 3.4 y 3.6. La genialidad de Einstein consistió en reconocer que este cuerpo de las matemáticas estaba hecho a medida para desarrollar su nueva visión de la fuerza de la gravedad. Declaró audazmente que las matemáticas de la geometría de Riemann se ceñían perfectamente a la física de la gravedad.

Pero ahora, casi un siglo después de la hazaña de Einstein, la teoría de cuerdas nos ofrece una descripción de la gravedad en el marco de la mecánica cuántica, que, necesariamente, modifica la relatividad general cuando las distancias implicadas se vuelven tan cortas como la longitud de Planck. Puesto que la geometría riemanniana es el núcleo matemático de la relatividad general, esto significa que esta geometría también ha de ser modificada para reflejar fielmente la nueva física de distancias cortas de la teoría cuerdas. Mientras la relatividad general afirma que las propiedades curvas del universo se describen mediante la geometría riemanniana, la teoría de cuerdas sostiene que esto es verdad sólo si examinamos la estructura del universo a escalas suficientemente grandes. A escalas tan pequeñas como la longitud de Planck, debe emerger una nueva geometría que se ciña a la nueva física de la teoría de cuerdas. Ese nuevo marco geométrico se llama
geometría cuántica
.