¿Qué es la Teoría de Cuerdas? La hipótesis que une la física

La teoría de cuerdas es, sin duda, una de las ideas más intrigantes de la ciencia moderna. Se trata de un intento ambicioso de explicar cómo funciona todo lo que vemos en el universo, desde lo más grande hasta lo más pequeño.

Para entender cómo surgió esta teoría, hay que viajar en el tiempo hasta 1919, cuando el físico alemán Theodor Kaluza propuso algo revolucionario: que el universo podría tener más de tres dimensiones. ¿Cómo llegó a esa conclusión? Se inspiró nada menos que en Albert Einstein, quien en 1907 ya estaba dando forma a su famosa teoría de la relatividad.

Einstein buscaba comprender un misterio fascinante: ¿cómo es posible que el Sol, estando a 150 millones de kilómetros, influya en la Tierra con su gravedad? Descubrió que el espacio no es un vacío inerte, sino una especie de superficie flexible.

Según su teoría, cuando algo tiene masa, deforma el espacio a su alrededor, como si pusieras una bola sobre una cama elástica. Esa curvatura es lo que conocemos como gravedad, y es la responsable de que la Tierra orbite al Sol o la Luna a la Tierra.

Kaluza quedó tan impresionado con este concepto que pensó: “¿Y si también podemos explicar la fuerza electromagnética como curvas y deformaciones en el espacio-tiempo?”. Esa fue la semilla de lo que, décadas más tarde, daría paso a la teoría de cuerdas, la cual propone que, en el nivel más microscópico, todo está hecho de diminutas “cuerdas” vibrando en dimensiones ocultas.

La fuerza electromagnética como una curva… pero en dónde, se preguntaban los físicos. Einstein ya había usado el espacio-tiempo para explicar la gravedad, así que ¿qué podía ser responsable de transmitir la fuerza electromagnética? Ahí es donde Theodor Kaluza propuso algo que sonaba a ciencia ficción: dimensiones extra.

Según su idea, quizá el universo no tiene solo tres dimensiones físicas más el tiempo, sino cuatro dimensiones espaciales y el tiempo. Lo sorprendente es que, al escribir las ecuaciones que describían ese universo de cuatro dimensiones, Kaluza encontró las mismas ecuaciones que Einstein usó para explicar la gravedad. Hasta ahí, todo parecía ir bien… pero apareció una ecuación más: ¡era exactamente la que los científicos ya conocían para describir la fuerza electromagnética!

Claro, que todo cuadrara en el papel no significaba que la teoría fuera perfecta. Surgía la gran duda: ¿dónde están esas dimensiones extra? Si existen, no las vemos por ningún lado.

En 1926, el físico sueco Oskar Klein lanzó una idea fascinante: quizá hay dos tipos de dimensiones. Las grandes, que vemos todos los días, y unas minúsculas, rizadas y enrolladas sobre sí mismas, imposibles de detectar. Imagina un cable de lejos, parece una simple línea. Pero una hormiga puede caminar por su grosor y altura. Lo mismo pasaría con esas dimensiones: existen, pero a escalas tan diminutas que nos resultan invisibles.

¿Funcionaba la teoría de Kaluza al aplicarla al mundo real? Por desgracia, no. No lograba explicar, por ejemplo, la masa de un electrón, y así, la idea quedó en pausa… por un tiempo.

El renacer de la teoría de cuerdas

Aunque la idea de dimensiones extra y un universo unificado quedó un poco olvidada, no desapareció por completo. A finales del siglo XX, resurgió con más fuerza en forma de teoría de supercuerdas. Esta nueva teoría da un paso más allá de lo que propuso Kaluza, preguntándose: ¿cuál es la partícula más pequeña e indivisible que compone todo lo que conocemos?

Para entenderlo, pensemos en una pelota de fútbol. La vamos mirando cada vez más de cerca, hasta llegar a los átomos. Pero claro, sabemos que los átomos no son la unidad más básica: están hechos de partículas aún más pequeñas, como fermiones y bosones. Por ejemplo, un protón está compuesto por tres quarks: dos “arriba” y uno “abajo”. En un neutrón hay uno “arriba” y dos “abajo”.

Hasta ahora, no hemos podido observar nada más pequeño que un quark. Aquí es donde la teoría de cuerdas entra con fuerza, planteando que dentro de esos quarks hay algo aún más básico: un pequeño filamento de energía que vibra, como una cuerda diminuta.

Estas “cuerdas” no son cuerdas normales, sino entidades que vibran en distintas formas, y según cómo vibren, crean las partículas que conocemos. Así, la teoría de cuerdas propone un universo hecho de energía vibrante, un concepto que podría unificar toda la física y explicarlo todo desde la gravedad hasta la luz.

Las cuerdas de la realidad

Estas cuerdas, como las de un instrumento musical, pueden vibrar de distintas maneras. Así como una cuerda puede producir diferentes notas, las vibraciones variadas de estas cuerdas crean las distintas partículas que forman nuestro universo. En ese nivel microscópico, estas cuerdas serían la pieza fundamental del cosmos. Cada vibración, con su frecuencia única, da lugar a una partícula diferente, y esas partículas son las que vemos en todo lo que nos rodea.

Si esta idea es correcta, entonces tanto las partículas que forman la materia como las que transmiten las fuerzas fundamentales tendrían un origen común: esas cuerdas vibratorias.

Pero, ojo, para que esta teoría tenga sentido, hay que ponerla a prueba. Y aquí viene lo curioso: las matemáticas de la teoría de supercuerdas no funcionan en un universo con solo tres dimensiones. Tampoco en uno de cuatro, como pensaba Kaluza. Ni en cinco, seis o siete. Solo funcionan en un universo con diez dimensiones físicas más una temporal. Ese es el único escenario donde todo encaja.

Así que, aunque suene loco, para que estas vibraciones expliquen todo, nuestro universo tendría que ser mucho más complejo de lo que percibimos. Y ahí es donde la teoría de cuerdas desafía nuestra imaginación y las leyes conocidas.

El mundo de las dimensiones extra

¿Para qué podrían servir esas dimensiones adicionales? Muchos científicos creen que podrían ser la clave para responder preguntas fundamentales. Nuestro universo se rige por varios números: la masa de las partículas, la fuerza de la gravedad, la velocidad de la luz… Todos estos valores los hemos medido con increíble precisión.

Pero, ¿por qué tienen esos valores exactos? ¿Por qué la luz viaja a casi 300,000 km/s? ¿Y por qué la gravedad tiene justo esa intensidad? Es posible que esas dimensiones extra, y la forma en que estén “enrolladas” o configuradas, determinen cómo vibran las cuerdas de la teoría. En ese caso, la forma completa del universo, sumando todas esas dimensiones, sería la responsable de que todo sea tal como lo conocemos.

Esta pregunta es súper importante. Imaginemos que tuviéramos una máquina para ajustar esos parámetros uno por uno. Cambiar aunque sea un poquito alguno de esos valores podría dar lugar a un universo donde la vida, tal como la conocemos, no existiría. De hecho, sería sorprendentemente fácil que un pequeño cambio creara un universo totalmente incompatible con la vida, o incluso con su propio funcionamiento: un cosmos que jamás hubiera tenido un Big Bang, por ejemplo.

La llave a lo que no podemos explicar

La teoría de cuerdas podría ser la gran respuesta a esos misterios que hoy parecen imposibles. Con ella podríamos entender qué ocurre en el interior de un agujero negro o incluso qué sucedió antes del Big Bang. Según esta teoría, nuestro universo podría ser el resultado de una colisión o fusión entre otros universos, lo que abre la fascinante posibilidad de un multiverso.

Incluso, si la teoría es correcta, podrían existir atajos en el espacio-tiempo, conocidos como agujeros de gusano, que permitirían viajar a otros universos. Suena a ciencia ficción, pero los físicos están intentando comprobar si esta teoría funciona.

Una de las grandes esperanzas está en el Gran Colisionador de Hadrones, en Suiza. Allí se hacen colisionar haces de protones a velocidades cercanas a la de la luz, liberando enormes cantidades de energía. ¿Por qué? Si la teoría de cuerdas es cierta, parte de esa energía podría «escaparse» a las dimensiones extra que no podemos ver.

En busca de la señal de las cuerdas

¿Cómo se comprobaría? Si, después de la colisión, se detecta que falta energía respecto a la que había antes, sería una pista de que esa energía viajó a esas otras dimensiones. Hasta ahora, no se ha observado ese efecto, pero los científicos no se rinden. Quizá simplemente no hemos alcanzado la energía suficiente.

Si te interesó esta teoría, podés explorar más en el enlace Teoría de cuerdas, donde lo explica de forma simple el físico Brian Greene, con videos y ejemplos.