Teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas, o cómo explicar el azul del cielo del modo más complejo posible

“La Teoría del Todo”… a algunos les sonará por la reciente película que narra la vida del astrofísico Stephen Hawking. Lo cierto es que la historia se desarrolla desde la perspectiva de la esposa del científico, de modo que no profundiza realmente en la teoría en sí. El título de la película, por lo tanto, nos sirve para remitirnos a las bases de la favorita entre las teorías de los físicos teóricos actuales: la teoría de Supercuerdas, o la teoría de cuerdas, para abreviar.

La teoría de cuerdas representa el punto de partida que aspira a la unificación teórica de los dos pilares de la física moderna: la física cuántica y la relatividad.

En esto consiste lo más interesante de la teoría que, en esencia, afirma que todo cuanto existe, desde las partículas subatómicas fundamentales hasta los astros más distantes, todo se compone de hebras de energía, humanamente imposibles de observar. Es decir, no existe realmente una distinción física entre materia y energía, porque la base de la existencia es la misma allá donde miremos.

En primer lugar, que todo cuanto existe en el universo se constituya de microscópicos hilos enlazados de energía parece bastante lógico de aceptar. Pese a la carencia de demostración física, contamos con una evidencia matemática compleja de desarrollar, pero matemática, al fin y al cabo, que la respalda.

Resulta fácil de asumir porque, como sabemos, toda la materia se compone de átomos y estos, a su vez, de partículas más pequeñas llamadas fermiones (neutrones, protones y electrones). Si consideramos una cuerda simple, por ejemplo, las de una guitarra, comprendemos que cada vibración, asociada a una frecuencia y a una longitud de onda concretas, produce una nota musical. Así, infinidad de frecuencias generan infinitas notas.

Ahora bien, si estas cuerdas fueran billones de veces más pequeñas que un átomo, una frecuencia de vibración produciría un electrón, otra un protón, y otra un neutrón. Es decir, una partícula subatómica resulta del comportamiento oscilatorio de una cuerda microscópica de energía.

Además, estas partículas esenciales se relacionan entre sí mediante un proceso denominado decaimiento beta, por el que un neutrón se descompone en un protón, un electrón y un neutrino. De esta relación se derivan los bosones, que no son más que la manifestación de estas cuerdas en la forma de interacciones físicas observables: la gravedad, el electromagnetismo, las fuerzas nucleares débiles y las fuertes.

Llegados a este punto, los físicos recurrieron a las matemáticas para expresar el comportamiento de estas ondas energéticas. Entonces comprendieron que, además de las tres dimensiones espaciales que componen nuestro mundo (ancho, alto y profundidad), y de la cuarta dimensión perceptible, el tiempo, se requería de siete dimensiones superiores adicionales. Esto se traduce en un universo de once dimensiones difícil de imaginar. Sin embargo, las matemáticas, es decir, el lenguaje en que se expresa la naturaleza, trasmiten que efectivamente las partículas subatómicas habitan un mundo de dimensiones superiores.

Experimentalmente captamos cuando una partícula se mueve en una de estas dimensiones adicionales si posee carga o un sentido determinado de rotación, entre otras evidencias físicas mesurables. La física cuántica nos permite deducir y predecir el comportamiento de las partículas en algunas de las dimensiones. Al mismo tiempo, la energía asociada a la frecuencia de vibración de estas cuerdas le aporta una masa cuantificable a la partícula. Esta relación, masa/energía, viene dada por la ecuación de Einstein, donde la velocidad de la luz es una constante universal. Por lo tanto, con la teoría de cuerda se crea, idealmente, un puente entre dos teorías alejadas por su enfoque. La relatividad de Einstein, que aborda la comprensión del universo macroscópico, y la física cuántica, que estudia el mundo subatómico.

De esta manera se aspira a sentar las bases de un modelo que unifique todos los fundamentos de la física en una teoría universal y eterna del Todo. A pesar del innegable atractivo de la teoría de cuerdas, esta posee detractores que atacan a formalismos y, en particular, al hecho de que implica una elevada probabilidad de que existan al menos 10 elevado a 500 universos compatibles con el nuestro (un diez seguido de quinientos ceros, millones de millones) que, a su vez, alude al término acuñado por William James en 1895, la teoría Multiverso, que a día de hoy pocos físicos se toman en serio. Pero, como siempre, el principal objetivo de la física consiste en responder a preguntas prácticas sobre el funcionamiento de la naturaleza, y esto lo satisface.

Pues bien, la frecuencia de oscilación de una onda, que es cómo se comportan las partículas, y su energía asociada, nos permite comprender cómo funciona el mundo que nos rodea. Recordemos que todo lo que existe es energía, y sin energía no se puede existir. Tratemos por ejemplo el caso de nuestro cielo, ¿por qué es azul?

Radica en la energía. Los colores que percibimos son, por supuesto, una consecuencia de estas frecuencias de oscilación para el fenómeno particular de la interacción electromagnética que, como hemos explicado antes, se debe a la actuación de los bosones, en concreto, un tipo de ellos, denominados fotones.

Los fotones, de forma sencilla, podríamos definirlos como paquetes de energía, y son los componentes básicos de la luz. Y la luz, precisamente, determina el color de la bóveda celeste en función de la energía con que se irradia. ¿Qué es la luz para nosotros, sino una forma de radiación electromagnética visible al ojo humano, capaz éste únicamente de distinguir longitudes de onda entre los 400 y los 700 nanómetros?

Aunque, para ser exactos, el cielo despejado no siempre luce su color azul característico. Por la noche se ve oscuro, en ausencia de luz solar; y al amanecer y al atardecer muestra tonos rojizos y anaranjados. Entonces, digamos que el cromatismo del cielo oscila entre las frecuencias limítrofes del intervalo visible en el espectro electromagnético.

En este espectro, las ondas más energéticas, de mayor frecuencia y longitud de onda corta, se corresponden con el color azul dentro del intervalo que el ojo humano es capaz de percibir. Por otro lado, de los procesos nucleares que tienen lugar en el sol nos llega, entre otras cosas, luz, es decir, fotones. Así que, durante el día, cuando el sol se encuentra alto en el cielo, el ángulo de inclinación con el que se irradian los fotones, o paquetes de energía, determina que nos alcancen ondas más energéticas y, por lo tanto, vemos el cielo azul. Mientras que al atardecer, el ángulo disminuye y nos llegan ondas menos energéticas, que aportan al cielo esos encendidos matices rojizos.

Tal vez no supone un modo demasiado romántico de aludir al color del alba, al azul celeste o a las notas violáceas del ocaso pero, sin duda, resulta físicamente sencillo de explicar gracias a que mentes geniales supieron describir con fórmulas y esclarecer de forma experimental la cuantificación de la energía y la relatividad de los sistemas físicos. En el futuro, otras mentes brillantes conseguirán demostrar que todo cuanto existe se debe a diminutos lazos vibrantes de energía encerrados en dimensiones compactas.

Bibliografía recomendada:

“El Universo Elegante”, Brian Greene

“Breve Historia del Tiempo”, Stephen Hawking