Cuerdas que aspiran a explicarlo todo

Todos se rieron mucho hace 20 años. Fue entonces cuando el físico John Schwarz se subió al estrado durante una representación festiva de cabaret en el Centro de Física de Aspen (Colorado) y empezó a balbucear que había descubierto una teoría que lo podía explicar todo. Poco después aparecieron unos hombres vestidos de blanco y se llevaron en volandas a Schwarz, que entonces era un investigador poco conocido del Instituto de Tecnología de California (Caltech). Sólo unos pocos de los espectadores que reían con ganas sabían que Schwarz no bromeaba del todo. Con su colaborador Michael Green (ahora en la Universidad de Cambridge), acababa de terminar un cálculo que cambiaría la forma de hacer física. Demostraron por primera vez que era posible escribir una única ecuación que explicaría todas las leyes físicas, todas las fuerzas de la naturaleza, la llamada teoría del todo, que cabría estampada en una camiseta.

Después de 20 años, todavía no saben cómo probar la teoría y ni siquiera lo que significa

Así salió a la luz un extraño nuevo concepto de la naturaleza, denominado teoría de cuerdas, llamada así porque pinta a los diferentes elementos constituyentes del universo como diminutas cuerdas en movimiento (de sólo 10 -32 centímetros de longitud), en vez de partículas puntuales. "Ése fue nuestro primer anuncio público", dijo recientemente Schwarz. Al unir todas las fuerzas, la teoría de cuerdas tiene la capacidad potencial de conseguir el objetivo que Einstein buscó sin éxito durante la mitad de su vida y con el que han soñado todos los físicos desde entonces. Si fuera cierta, podría ser utilizada para iluminar algunos de los misterios más profundos que cabe imaginar en física, como el origen del espacio y del tiempo en la gran explosión en la que surgió el universo y la supuesta muerte del espacio y del tiempo en los centros infinitamente densos de los agujeros negros.

En los últimos 20 años, la teoría de cuerdas se ha convertido en una rama importante de la física. Los físicos y los matemáticos que la trabajan son cortejados y reclutados como las estrellas futbolísticas por las universidades que quieren alcanzar una buena reputación en investigación. El pasado verano en Aspen, Schwarz y Green partieron una tarta de cumpleaños rodeados de colegas exultantes, pero incluso entonces los teóricos de las cuerdas admitieron que después de 20 años, todavía no saben cómo probar la teoría y ni siquiera lo que significa.

Así que el objetivo de explicar todos los rasgos del mundo moderno está tan lejos como siempre, admiten. Y algunos físicos que no han entrado en esta área están inquietos. En otra reunión en el Instituto de Humanidades de Aspen, unos días antes del cumpleaños, el cosmólogo Lawrence Krauss dijo que la teoría de cuerdas es "un fracaso colosal".

Los teóricos de cuerdas reconocen que ha sido un largo y extraño viaje y todavía confían en que lograrán completarlo. "Es decepcionante que a pesar de todos nuestros esfuerzos siga pareciendo tan lejana la verificación experimental o la refutación. Por otra parte, la profundidad y belleza del tema, y el modo en que ha alcanzado, influido y conectado otras áreas de la física y de las mátemáticas está más allá de lo que podía soñarse", comentó Andrew Strominger (Universidad de Harvard).

La teoría de cuerdas, como dijo una vez el físico italiano Daniele Amati, es una parte de la física del siglo XXI que cayó por accidente en la física del siglo XX. Así que requerirá para resolverla, siguiendo esta broma, matemáticas del siglo XXII. Uno de sus principales creadores, Edward Witten (Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, EE UU), la describió así: "La teoría de cuerdas no se parece nada a cualquier cosa antes descubierta. Es una increíble panoplia de ideas sobre matemáticas y física, tan vasta, tan rica que se puede decir casi cualquier cosa sobre ella".

Sus raíces están en un esfuerzo quijotesco de los años setenta para comprender la fuerza fuerte, que mantiene enlazados los quarks para formar los protones y los neutrones. ¿Por qué no se han podido ver nunca quarks individuales? Quizás porque están en el extremo de cuerdas, y no existe ninguna cuerda con un solo extremo. Las cuerdas sedujeron a muchos físicos con su elegancia matemática, pero tenían problemas, como requerir 26 dimensiones y una plétora de partículas misteriosas que no parecían tener nada que ver con los quarks o la fuerza fuerte.

En 1974, Schwarz y Joek Scherk (École Normale Supérieure de Francia) se dieron cuenta de que una de las misteriosas partículas predichas por la teoría de cuerdas tenía las propiedades predichas para el gravitón, la partícula que sería responsable de transmitir la gravedad en una teoría cuántica de la gravedad, en caso de que existiera.

La teoría de cuerdas había cruzado el mayor abismo de la física, el que separa la mecánica cuántica, que gobierna el comportamiento atómico, de la teoría general de la relatividad de Einstein, que describe cómo la gravedad conforma el cosmos. Eso quería decir que si la teoría de cuerdas tenía razón, no era sólo una teoría de la fuerza fuerte sino una teoría de todas las fuerzas. Pasaron 10 años antes de que Schwarz y Green consiguieran escribir una teoría de cuerdas de una forma matemáticamente consistente y sin ciertos absurdos, como la violación causa-efecto.

La teoría de cuerdas es, desde luego, una de las explicaciones más musicales de la naturaleza que se haya ofrecido, pero no está hecha para el oído no educado. Por lo pronto, en la versión moderna existen 10 dimensiones del espacio y el tiempo, en vez de las tres del espacio y una del tiempo que parece haber en el mundo real. Las otras seis dimensiones, dicen ahora los físicos de esta área, están enrolladas en conformaciones submicroscópicas. Un ejemplo simple, dicen, es una manguera de jardín. Desde lejos es una simple línea sobre la hierba, pero de cerca tiene una sección circular. Una hormiga que esté sobre la manguera puede rodearla, así como circular a lo largo de ella. Para ver el mundo tal como lo ve la teoría de cuerdas uno sólo tiene que imaginarse una pelota muy, muy pequeña de seis dimensiones en cualquier punto del espaciotiempo.

En 1995, Witten fue más allá y elaboró la teoría M, según la cual el universo tiene 11 dimensiones: 10 en el espacio y una en el tiempo, y consiste no sólo de cuerdas sino también de membranas más extensas de diversas dimensiones, llamadas branas. Esta nueva teoría ha liberado la imaginación de los cosmólogos. Nuestro universo, sugieren algunos teóricos, puede ser una membrana cuatridimensional que flota en un espacio de un mayor número de dimensiones, como una burbuja en un acuario, quizás cerca de otras membranas -universos paralelos-. Puede que las colisiones y otras interacciones entre las membranas iniciaran el Big Bang (o Gran Explosión que hizo que nuestro reloj cósmico empezara a funcionar), o produjeran la energía oscura que ahora parece que está acelerando la expansión del universo, dicen.

Uno de los mayores triunfos de la teoría de cuerdas es el estudio de los agujeros negros. En la teoría de la relatividad general de Einstein, estos objetos son pozos sin fondo en el espaciotiempo, que se tragan todo, incluso la luz, que se acerca demasiado, pero en la teoría de cuerdas son una maraña densa de cuerdas y membranas. Mediante un prodigioso cálculo, dos científicos de Harvard consiguieron en 1995 calcular el contenido de información de un agujero negro, igualando el famoso resultado obtenido por Stephen Hawking de forma más indirecta en 1973. Este cálculo es considerado por muchos como el resultado más importante hasta la fecha de la teoría de cuerdas, dice Greene.

También fue un éxito, dicen Greene y otros, el descubrimiento de que la forma o topología del espacio no es fija, sino que puede cambiar, de acuerdo con la teoría de cuerdas. El espacio puede incluso rasgarse.

Pero los logros no son uniformes. Por ejemplo, hasta ahora la teoría de cuerdas ha tenido poco que decir sobre lo que pudo pasar en el instante del Big Bang. Además, la teoría parece tener demasiadas soluciones. Uno de los mayores sueños que los físicos tenían para la llamada teoría del todo es que especificaría una receta única de la naturaleza, una en la que Dios no tuviera posibilidad de elección, como dijo una vez Einstein, sobre detalles tales como el número de dimensiones o las masas relativas de las partículas elementales. Recientemente, sin embargo, los teorícos han estimado que podría haber al menos 10100 soluciones diferentes a las ecuaciones de cuerdas, que corresponden a las diferentes formas de plegar las dimensiones extra y rellenarlas con campos, es decir billones de billones de billones... de diferentes universos posibles.

Algunos teóricos se aferran al sueño de Einstein, confiando en que emergerá una respuesta única a las ecuaciones de cuerdas cuando por fin puedan desentrañar lo que la física del siglo XXI está tratando de decirles sobre el mundo. Pero ese día está todavía lejano. "No sabemos cual es el principio básico de la teoría de cuerdas", dice Witten.

© The New York Times