Un universo de más de tres dimensiones

La teoría de cuerdas, ¿es teoría física o es filosofía?
Sheldon Glashow, premio nobel de física en 1979
¿Habéis escuchado alguna vez que el universo tiene más de 3 dimensiones físicas? ¿Qué en realidad dentro de estas tres dimensiones existen hasta una decena de dimensiones internas? Eso es lo que dice la teoría de cuerdas. Hoy veremos en que consiste y, lo más importante, ¿de donde ha salido esta idea de un universo multidimensional? También trataremos de imaginar un universo así.

Los límites de la física de Newton

Los límites de la física de Newton
Empecemos por el principio. En el siglo XVII Newton redactó sus principios matemáticos. En ellos recopilaba la mayoría de los conocimientos físicos de la época y les deba una estructura coherente. Estas leyes de Newton cubrían la mayor parte de los fenómenos físicos conocidos y, en general, los explicaban correctamente. Las leyes de Newton eran los sólidos cimientos sobre los que la física reposaba tranquila.

Pero los cimientos empezaron a tambalearse. Algunos fenómenos lumínicos no podían ser explicados con las teorías físicas de la época, como la propia velocidad de la luz, o su comportamiento dual, a veces como una partícula y otras veces como una onda. Igualmente había algunas inconsistencias en las órbitas planetarias, que la gravitación universal de Newton no era capaz de explicar.

Parecía que las teorías conocidas, cuando se llevaban al extremo, no funcionaban correctamente. Inicialmente los físicos pensaron que los experimentos se estaban haciendo mal. Pocos pensaron que las teorías pudiesen ser inexactas. Pero finalmente Einstein, Schrödinger, Heisenberg o Planck, entre otros, desarrollaron teorías completamente nuevas que solucionarían estos problemas

De una teoría básica a dos teorías

De una teoría básica a dos teorías
Los científicos anteriormente nombrados desarrollaron dos teorías. Por un lado la Teoría de la Relatividad wa capaz de explicar los fenómenos que ocurren cuando tenemos fuertes campos gravitatorios o velocidades próximas a la luz. Por otro lado, la Teoría Cuántica explica los problemas con los que se encontraba la física de Newton al trabajar con partículas extremadamente pequeñas, a niveles subatómicos.

En un artículo anterior comenté que en el universo existen 4 fuerzas. Nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnetismo y gravedad. La física cuántica explica las interacciones entre las tres primeras y la relatividad nos aclara el funcionamiento de la gravedad. Ambas teorías, cuántica y relatividad han sido confirmadas experimentalmente en muchas ocasiones.

¿Cuál es el problema? Que de una teoría global que lo explicaba todo, ahora tenemos dos. Cada teoría explica los fenómenos que ocurren a una determinada escala y con unas ciertas interacciones. Y además, para mayor problema, son incompatibles entre sí. La cuántica no es capaz de explicar los fenómenos gravitatorios y al contrario

Más información: Interacciones fundamentales

Buscando la Teoría del Todo

Buscando la Teoría del Todo
Durante gran parte del siglo XX y lo que va del XXI los físicos teóricos han tratado de resolver este problema. De ofrecer una única teoría, que sea capaz de explicar todos los fenómenos del universo y en todas sus escalas. Una teoría como la que pensaban tenían sus compañeros físicos del XIX. Una de estás posibles teoría es la Teoría de cuerdas. Pero, ¿en que consiste?

Una aclaración antes de seguir. Al principio los físicos realizaban experimentos y a partir de ellos realizaban conclusiones con las que escribían teorías. A día de hoy el nivel de complejidad es tal, que se trabaja de otra forma. Primero los físicos teóricos desarrollan una hipótesis. A partir de ella desarrollan un modelo matemático Y finalmente se comprueba que dicho modelo es correcta. Obviamente el modelo debe ser coherente con todo lo que ya está comprobado (Relatividad y Cuántica)

Pues bien, la teoría de cuerdas es un modelo matemático que trata de unificar cuántica y relatividad. La idea básica es que las partículas que forman este universo son cuerdas vibrando

Imaginando el mundo con N dimensiones

Imaginando el mundo con N dimensiones
AVISO: Esta parte del artículo es una mera aproximación a las cuerdas usando la imaginación. No afirmo que el universo sea así, ni siquiera que la teoría de cuerdas diga que el universo sea así. Es simplemente una manera sencilla de tratar de «ver» una cuerda de n dimensiones vibrando en un espacio tridimensional.

Ahora vamos a tratar de imaginar un mundo en más de tres dimensiones. Tratad de imaginar un sistema de coordenadas, con su eje X, su eje Y y su eje Z. Tres dimensiones físicas. Una partícula en este eje estaría representada con un punto. Por ejemplo en (1,1,1) tenemos un punto

Ahora convirtamos esta partícula en una pequeña linea. En (1,1,1) tenemos una linea. Nuestra linea tiene una cierta longitud, es decir, una dimensión más. Pero en el universo existen muchas lineas como ella, en otros lugares. Algunas de estas lineas tienen una orientación distinta, estando ladeadas hacia izquierda o derecha o hacia arriba y abajo. Dos dimensiones más. (Dicho de una manera más formal, hemos extendido el punto en un eje y lo hemos inclinado en función de los otros dos ejes)

Tratad de imaginarlo. Tenemos un universo en tres dimensiones, pero en cada uno de sus puntos existen «cuerdecitas» que, a su vez tienen otras tres dimensiones. En estos momentos estamos imaginando un universo en 7 dimensiones. 6 espaciales y una temporal. Vamos a por otras tres dimensiones.

Resulta que nuestras cuerdas vibran. Puede vibrar de 3 formas. Hacia adelante y hacia atrás, arriba y abajo o de derecha a izquierda. O una combinación de los tres. O dicho de otra forma, puede vibrar en 3 tres ejes. Ya tenemos 10 dimensiones. Y podríamos añadir más dimensiones.

De esta manera tenemos cuerdas de varias dimensiones que vibran. Pero todo ello dentro de un punto en el espacio tridimensional.

La teoría de cuerdas, presentación formal

La teoría de cuerdas, presentación formal
La Teoría de Cuerdas afirma lo siguiente. En vez de partículas tridimensionales, tenemos cuerdas de varias dimensiones extras. Estas dimensiones no las vemos, porque están contenidas dentro de las tres dimensiones habituales. Y nuestras cuerdas están vibrando.

La teoría de cuerdas trata a todas la partículas subatómicas como cuerdas. Según la vibración, cada cuerda se comportaría como una partícula u otra. Es decir, al vibrar de una determinada manera, la cuerda sería un electrón. Al vibrar de otra forma, sería un fotón. Las cuatro fuerzas también serían explicables en función de estas vibraciones.

La teoría de cuerdas es elegante, relativamente sencilla al tener pocos componentes y encaja con las dos teorías actuales. Matemáticamente es totalmente coherente y sobre el papel parece perfecta.

Pero tiene un problema muy grave.

¿Cómo se prueba la teoría de cuerdas?

¿Cómo se prueba la teoría de cuerdas?
A día de hoy, es imposible. La teoría afirma que deben existir dimensiones extras escondidas dentro de las 3 dimensiones normales. El problema es, ¿cómo detectar estas dimensiones? Pues bien, no se puede. No tenemos ninguna prueba de que dichas dimensiones existan, ninguna prueba de que las partículas subatómicas sean cuerdas vibrando.

¿Habría alguna manera de comprobarlo? En teoría si. Mediante un acelerador de partículas lo suficientemente potente podríamos tratar de romper las partículas y ver si realmente las cuerdas están ahí. El problema es que necesitaríamos un acelerador un par de millones de veces más potente que el actual LHC. No es solo algo que no podamos construir actualmente, es que puede que nunca podamos construir algo así.

Debido a esto algunos acusan a la teoría de no falsable. Es decir, que una teoría cuya veracidad no puede ser sometida a experimentación no puede ser siquiera clasificada como científica. Es cierto que matemáticamente es coherente, pero a fin de cuentas, ha sido diseñada para que así sea.

Conclusiones

Un universo de más de tres dimensiones
La teoría de cuerdas a día de hoy sigue sin poder ser verificada. Curiosamente su desarrollo ha servido para hacer avances importantes, pero principalmente en el campo matemático. Todavía no se ha demostrado que existan más de 3 dimensiones físicas y mientras no se haga no se podrá confirmar esta teoría.

Debido a esto, se está empezando a dejar la teoría de cuerdas por otras teorías que si sean más fácilmente demostrables, como el modelo de gravitación cuántica. El problema de estos modelos es que el número de partículas fundamentales implicadas es demasiado alto. Es decir, el universo tiene más «piezas básicas» de lo que sería de esperar. Demasiada complejidad.

Como veis, aún queda mucho camino por recorrer para llegar a entender las bases del universo.

Y un último detalle. Aunque he comentado que las leyes de Newton se consideran equivocadas, realmente siguen siendo válidas para la práctica totalidad de los fenómenos a escalas normales. Es decir, cuando se construye un puente, un rascacielos, o se manda un satélite al espacio, los cálculos físicos usados se basan en las leyes de Newton. De hecho, una vez leí que los cálculos de trayectoria que se necesitaron para enviar los módulos Apolo a la Luna los podría haber hecho Sir Isaac Newton usando papel y lápiz.

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