viernes 6 de diciembre de 2019

Ciencia |

Los detalles sobre la Teoría de Cuerdas, las diez dimensiones y los infinitos Universos que predice

¿Cómo tuvo origen el Universo? ¿De dónde salió tanta materia, tanta inmensidad? El Universo alguna vez fue muy pequeño, más pequeño que un átomo (reino cuántico). Allí el inmenso espacio-tiempo (reino de la Gravedad) que lo conforma estaba muy comprimido. Los científicos han estado buscando en las últimas décadas la respuesta a este misterio y es la famosa Teoría de Cuerdas la aproximación a la Gravedad Cuántica que goza de mayor consenso.

La Teoría de Cuerdas surgió de las insistentes preguntas que los científicos se hacen para poder entender el Universo. Un Universo que en un principio era muy pequeño, en donde el espacio-tiempo estaba muy comprimido pero que no deja de expandirse. Esta maravillosa teoría es la mejor respuesta que tiene la física hoy.

El físico teórico argentino, José Edelstein, que se desempeña como profesor en el Departamento de Física de Partículas de la universidad de Santiago de Compostela, en España, habló con Aire Digital en su primera visita a la ciudad de Santa Fe, y explicó todos los desafíos de esta “Teoría del Todo”, título que no le gusta mucho, que refiere a la Teoría de Cuerdas.

Esta teoría, por lo que revela, llamó la atención no sólo de los físicos sino de quienes nada tienen que ver con este campo ¿Sugiere un Universo con diez dimensiones? ¿Predice la existencia de más Universos? ¿Da respuestas sobre el origen del Universo que habitamos?

Edelstein, que publicó más de medio centenar de artículos en las principales revistas científicas del mundo y llevó a cabo estancias postdoctorales en Harvard, lo explicó para los lectores de este medio. Como buen divulgador, supo trasladar los conceptos de la física más difícil a los ejemplos más sencillos.

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Edelstein visitó la ciudad de Santa Fe por primera vez para participar de la 104° Reunión de la Asociación de Física Argentina en el Paraninfo de la UNL. Además, presentó su libro Einstein para Perplejos en el Teatro Luz y Fuerza. Foto: Gonzalo Gorosito.

Edelstein visitó la ciudad de Santa Fe por primera vez para participar de la 104° Reunión de la Asociación de Física Argentina en el Paraninfo de la UNL. Además, presentó su libro Einstein para Perplejos en el Teatro Luz y Fuerza. Foto: Gonzalo Gorosito.

Para entender la Teoría de Cuerdas, es necesario conocer que las ideas que llevaron a los físicos a desarrollar esta insospechada formulación, tienen su esencia en la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein y la Mecánica Cuántica, cuyo padre -puede decirse- es Max Planck.

—¿Qué pasa con el espacio-tiempo a escalas tan pequeñas, como las que había antes del Big Bang? Edelstein respondió a Aire Digital.

—Sabemos que el Universo en el pasado fue más pequeño y más caliente. Toda la masa del Universo estaba albergada en ese espacio muy pequeño con una temperatura enorme. No podemos ver más allá. Sólo podemos ver la luz (que es lo que nos permite ver ese pasado, la luz del fondo cósmico de microondas) que se emitió desde los 300 mil años del Universo porque antes no podía escapar. Entonces ya desde que lo vemos tiene un tamaño relevantemente grande. Sabemos que (el tejido del espacio-tiempo) ya estaba en expansión. Entonces tenía que haber sido más chico. Ayer era más chico y antes de ayer más chico. ¿En dónde acaba esa “chiquitez”? No lo sabemos. Ahí hay especulaciones y teorías. Lo que está claro es que el Universo en algún momento contuvo toda la masa que tiene hoy en un espacio pequeño.

Con la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein podemos mezclar el espacio-tiempo con la materia, porque la materia es la que hace deformar el espacio tiempo. Cuando miramos las ecuaciones de Einstein vemos espacio-tiempo, un signo igual y materia del otro lado. Entonces si nos imaginamos escalas muy pequeñas, lo que está a la derecha de la ecuación (la materia) tiene un comportamiento exótico gobernado por la mecánica cuántica… y lo que está a la izquierda ¿qué? Esa es la pregunta.

El espacio-tiempo existe, lo hemos visto vibrar, entonces ¿qué pasa si empiezo a mirar el espacio-tiempo a escalas pequeñas? Quiero fraccionar un metro, un centímetro, un milímetro, un micrómetro… ¿Hay un momento en que ya no puedo fraccionar más, donde hay un mínimo de espacio y un mínimo de tiempo? No lo sabemos.

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El espacio-tiempo se curva en presencia de masa-energía. Imagen: ESA–C.Carreau

El espacio-tiempo se curva en presencia de masa-energía. Imagen: ESA–C.Carreau

A esas escalas las ecuaciones de Einstein es dudoso que tengan validez porque el espacio-tiempo era tan pequeño que, a esas escalas, la materia tenía un comportamiento cuántico.El espacio-tiempo entonces debería tenerlo. Esto es un argumento.

—¿Cuál es el otro argumento?

El otro argumento es que en el mundo cuántico las partículas y antipartículas (que son antimateria) pueden aparecer de la nada. Lo hacen todo el tiempo en una fracción de segundo muy pequeña sin que haya ninguna manera de que puedas ver eso directamente, pero sí deja efectos: un burbujeo microscópico de materia en el vacío. Aunque vos quites toda la materia del Universo, ese vacío está lleno y es burbujeante. Todo el tiempo están apareciendo y desapareciendo pares de partículas. Cuanto más pequeño sea el tiempo que duraron este par de partículas es mayor la masa que tuvieron, por razones que están en el Principio de Incertidumbre, una ley de la mecánica cuántica.

Entonces si no tiene ningún límite la pequeñez del tiempo, podría imaginarme un par de estos que se producen en un intervalo de tiempo ridículamente chiquitito. La masa que creas podría ser del tamaño de un planeta. ¿Puede ser que en un lugar tan chiquitito aparezca un planeta y un anti planeta y desaparezcan? No sólo parece absurdo, sino que además si apareciera algo de una masa mayor que un cierto número que es mucho más pequeño que el de un planeta, en un lugar muy pequeño del espacio se formaría un agujero negro. Cuando hay una masa muy grande en un lugar muy pequeño se forma un agujero negro. Si esta idea fuera cierta se estarían produciendo todo el tiempo agujeros negros.

Tiene que haber algo que impida que uno pueda tener tamaños arbitrariamente chicos de espacio o de tiempo. Entonces la primera idea que a uno se le ocurre es un átomo de espacio-tiempo, un bloquecito mínimo de espacio-tiempo. Pero el problema acá es que no hay manera de compatibilizar esto con algo que observamos: que el Universo es idéntico en todas las direcciones.

La Teoría de Cuerdas resuelve todo esto de una manera insospechada.

—¿De qué trata la Teoría de Cuerdas?

Solemos pensar que todas las partículas (como el electrón, por ejemplo) son puntuales (es decir, carentes de dimensiones). Luego hacemos una teoría cuántica de estas partículas puntuales que tiene un montón de consecuencias como las mencionadas. ¿Qué pasa si fueran cuerdas, con una extensión espacial? Una cuerda de espesor cero. Es decir, ¿qué pasa si le aplico las leyes de la mecánica cuántica a una cuerda microscópica? De ahí salen varios resultados sorprendentes.

Uno de ellos es que la cuerda (que tiene lugar a escalas muy pequeñas) va a vibrar, pero las leyes de la cuántica hacen que no vibre de cualquier manera sino con ciertas notas o tonos. Si uno mirara la cuerda en el espacio-tiempo desde lejos, increíblemente lo que la teoría te dice es que uno de estos tonos se comporta como una partícula que tiene masa cero y espín (rotación de la partícula sobre sí misma) dos. Esto es sinónimo de gravitón para cualquier persona que trabaja en física de partículas. Es decir, la partícula cuántica del campo gravitatorio.

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Según la teoría de cuerdas, en el nivel más fundamental, el mundo no está compuesto de partículas sino de pequeños hilos: las cuerdas.

Según la teoría de cuerdas, en el nivel más fundamental, el mundo no está compuesto de partículas sino de pequeños hilos: las cuerdas.

No sólo aparece un gravitón sino que además las leyes que sigue ese gravitón son las de las ecuaciones de Einstein. Y aparece un tercer resultado que te dice que el número de dimensiones que tiene que tener el espacio-tiempo es diez.

—Entonces ¿El Universo tiene más de cuatro dimensiones?

Las ecuaciones de Einstein no resuelven cuántas dimensiones tiene el Universo. Si vengo de otro Universo y me mostrás las ecuaciones de Einstein para hablarme del tuyo, yo todavía tendría que preguntarte cuántas dimensiones tiene. Eso parece algo negativo porque si estas ecuaciones gobiernan el Universo desde su tiempo más temprano hasta hoy, ¿cómo puede ser que tengan esa libertad y no predigan que el Universo tiene cuatro dimensiones?

La unificación de la Relatividad General y la Cuántica sería LA TEORÍA. A esa teoría le querés pedir todo, no que falten datos a determinar.

—¿Cómo se explican entonces las demás dimensiones? ¿En dónde están?

—Para organizar las partículas (que conforman todo el Universo) cuando ves la tabla de las partículas elementales, tenemos que apelar a simetrías de esferas que son imaginarias. No existen en ninguna parte pero explican cómo está organizada la materia a nivel microscópico. Parecen ser simplemente un lenguaje matemático que funciona muy bien.

Ahora bien, si el Universo que vemos tiene cuatro dimensiones (arriba y abajo, hacia adelante y hacia atrás, a los costados y el tiempo) te sobran seis dimensiones hasta llegar a las diez que sugiere la Teoría de Cuerdas. Las seis dimensiones restantes podrían formar estas esferas, explicando el porqué de la simetría de la física de partículas en las cuatro dimensiones.

Entonces esta estructura de simetría que vemos en la física de partículas podría deberse a esas seis dimensiones que no podemos ver porque son muy chiquititas. Esto podría explicar por qué aparecen esas esferas: ¡porque son esferas de verdad! Están ahí pero en escalas que no pueden ver nuestros ojos ni instrumentos actuales.

—¿Puede explicarlo con un ejemplo?

—Hay un cable. Si le preguntás al trapecista cuántas dimensiones tiene te va a decir una, puede ir para adelante o para atrás. Si va para el costado se cae. Pero la hormiga que está en el cable y le puede dar la vuelta te dice “no, hay dos”. Y si tuvieras algo que pudiera penetrar el cable vería tres, porque experimentaría la profundidad del cable.

Que las dimensiones dependan del tamaño, de las escalas en la cual vos explorás algo, no es tan raro. Entonces, que veamos un Universo cuatridimensional porque lo que vemos son escalas mucho más grandes que aquellas en las que la Teoría de Cuerdas despliega sus diez dimensiones, no es tan raro.

Las malas noticias son que nadie ha encontrado que las maneras de formar estas esferitas -que dictarían la estructura del modelo de partículas elementales- den exactamente lo que vemos, pero hay un uno con quinientos ceros de formas de hacerlo que dan algo parecido. A efectos prácticos, infinito.

—¿Entonces?

—Entonces encontraste una teoría que te predecía el número de dimensiones unívocamente. Parecía ser la respuesta final, única, y de repente te dice: “universos como el tuyo hay infinitos, elegí el que más te guste”. La teoría predice este Universo e infinitos más distintos a este.

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La respuesta final sería que Universos como el nuestro, hay infinitos.

La respuesta final sería que Universos como el nuestro, hay infinitos.

La magia del acelerador de partículas de Ginebra

En el estudio del reino de lo más pequeño, que compete a la física cuántica, el acelerador de partículas de Ginebra (LHC por sus siglas en inglés) es clave. Allí se realizan experimentos y se ponen a prueba las teorías de la Mecánica Cuántica arrojando resultados increíbles. Tal es así que en el 2012 llegó a comprobarse la existencia del Bosón de Higgs, la partícula elemental más buscada.

De esta manera, se confirmó que es el Campo de Higgs lo que le da la masa a las partículas. Sin embargo, había algo más.

El campo de Higgs está en el borde de tener una inestabilidad que podría ser que en cualquier momento la masa de todas las partículas cambiara, pasara a ser mucho mayor y de esta forma se desmoronaría el Universo entero.

Cuando Stephen Hawking estaba vivo dijo esto en una rueda de prensa antes de embarcarse a las Islas Canarias y produjo un gran alarme. Para colmo, estuvo en el barco 4 semanas y no podía aclararlo. La interpretación de Hawking fue ‘cuidado, en cualquier momento el Universo desaparece’.

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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza.

Edelstein contó esto a Aire Digital y aclaró que, cuando suceden estas cosas, lo que la física está diciendo eso es que hay algo más, algo que no está siendo tomado en cuenta y que hay que seguir investigando.

El experimento de la próxima década

En el 2016, al cumplirse un siglo de la publicación de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, se dio a conocer lo que fue una revolución en la ciencia del siglo XXI. Llegaron desde el espacio las primeras ondas gravitacionales y con ellas, la esperanza de tener más información sobre la Gran Explosión, o Big Bang.

Lamentablemente, no todas las ondas gravitacionales son detectables desde la Tierra debido a la frecuencia con la que llegan. Desde la Tierra existen muchas complicaciones que hacen que haya sólo una ventanita que nos permite “escucharlas” o detectarlas. En un ejemplo sencillo, Edelstein sugirió imaginarlas “como si tuviéramos un oído que sólo puede escuchar ‘La’ y no puede escuchar ninguna otra nota”. La onda del Big Bang no está en esa ventana por lo que habrá que buscar detectarla desde otro lugar que no sea la Tierra.

Esta será una tarea del Proyecto Lisa (Laser Interferometer Space Antenna). Se trata de un observatorio que estará en el espacio. Consiste en 3 satélites con espejos ubicados a cientos de millones de kilómetros unos de otros que se enviarán láseres entre ellos y de esta manera podrán detectar el paso de ondas gravitacionales de mucha menor frecuencia (como la del Big Bang).

La fecha prevista para lanzarlo es en el 2034. Una vez arrojados al espacio, según las predicciones del científico, antes del 2040 debería haber alguna novedad, si es que funciona.

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