100 años después de que Einstein cambiara la física para siempre, Alok Jha, cronista de The Guardian, visita un frondoso rincón de Princeton para conocer a sus herederos intelectuales, los que todavía están a la caza de una “teoría del todo”.

Edward Witten habla con tal suavidad que a veces su voz amenaza con desvanecerse completamente. Su escritorio es un revoltijo de papeles y su pizarrón un embrollo de ecuaciones. Pero las palabras que musita van directamente al punto e infunden entendimiento y pasión.

Edward Witten.

Las tranquilas maneras de Witten no demuestran su status. En su papel de científico en jefe de facto de la teoría de las cuerdas, este Profesor Charles Simonyi de física matemática del Instituto de Estudios Avanzados (IAS = Institute of Advanced Study) de Princeton, es indudablemente el heredero del título de Albert Einstein como el más grande de los físicos vivos. Si Einstein viviera hoy, sería probablemente un teórico de cuerdas, comprometido con una notable pero todavía muy controvertida teoría que reclama ser capaz de explicar absolutamente todo lo que nos rodea.

“Los críticos de la teoría de las cuerdas dicen que podría ser un paso demasiado grande. La mayoría de los físicos de otros campos es simplemente agnóstica, y hace bien”, dice Witten. “No es una teoría establecida. Mi opinión personal es que existen razones circunstanciales que permiten sospechar que estamos en el camino correcto”.

Por el valor que puedan tener las opiniones personales, Witten hace que otros científicos se detengan y escuchen. Sus ideas en el desarrollo de la teoría de las cuerdas son legendarias.

“No hay dudas sobre la extraordinaria calidad de los logros intelectuales de Witten”, dice el renombrado físico Roger Penrose en su último libro, “El Camino Hacia la Realidad”. “Hacia donde vaya Witten, no pasa mucho tiempo para que el resto lo siga”.

El propio Witten no aprueba este culto a la celebridad, y mantiene un perfil público relativamente bajo. Fuera del arcano mundo de la física teórica, son pocos los que han oído de él. Pero ha sido clave en el desarrollo de una teoría que algún día puede ser la forma en que los libros de texto describan al universo. Lo que selló su reclamo a la corona de la física teórica fue una exposición en la Universidad de California del Sur en 1995, donde presentó al mundo la teoría-M.

Llegó en un momento en que la teoría de las cuerdas estaba muy alicaída Propuesta inicialmente como una forma de describir la interacción nuclear fuerte en la década de 1960, pero luego abandonada, la teoría de las cuerdas había sido desarrollada por varios físicos en cinco ideas competidoras, cada una de las cuales declaraba ser la teoría fundamental de la naturaleza.

Con los consiguientes argumentos y críticas provenientes de fuera de que la teoría sencillamente no era parte de la ciencia, la comunidad de la cuerda quedó quebrada y desmoralizada por décadas.

La exposición de Witten llegó como una muy necesitada inyección en el brazo. Arguyó que las cinco teorías contendientes no eran nada más que aspectos diferentes de una idea única, aún más fundamental. Su Teoría-M unió inmediatamente a los físicos y llevó a un interés hacia la teoría de las cuerdas que nunca antes había existido. Incidentalmente, Witten dejó sin definición a la "M", y los teóricos de las cuerdas han pasado muchas horas libres especulando sobre qué quiere decir: han concluido con una gran variedad de posibilidades que incluyen a matriz, misterio, membrana, monstruosa, madre o magia... incluso algunos científicos creen que es la W de Witten puesta cabeza abajo.

Nathan Seiber, un colega de Witten en el IAS, utiliza la analogía de los hombres ciegos que examinan a un elefante, para explicar el curso de la teoría de las cuerdas hasta 1995. “Uno lo describe tocando una pata, otro lo hace tocando el tronco, y otro describe las orejas”, dice. “Concluyen con descripciones diferentes, pero son incapaces de ver la imagen total. Hay un elefante único y ellos están describiendo diferentes partes del mismo”.

Como era predecible, Witten es modesto sobre su logro. “Es una exageración decir que yo creé la Teoría-M”, dice. “Logramos pequeños trozos, pero hay una larga historia detrás de ella”. Dondequiera que corresponda el crédito, no hay duda de que la Teoría-M llevó el ya extraño mundo de la teoría de cuerdas hasta un territorio aún más desconcertante.

Antes de la Teoría-M, las cuerdas existían en un mundo de 10 dimensiones. Estas incluían una dimensión de tiempo, las tres dimensiones espaciales familiares, y además otras seis dimensiones extra, enrolladas tan compactamente que son invisibles. La Teoría-M demandaba una dimensión espacial extra, llevando el total a 11.

Estas dimensiones extra eran necesarias para satisfacer las ecuaciones diseñadas por Witten en su formulación de la Teoría-M. Pero hubo sorpresas: la teoría sugería, por ejemplo, que este mundo de 11 dimensiones no contenía solamente cuerdas sino también objetos que se parecían más a superficies o membranas. Estas “branas” podían existir en tres o más dimensiones y, con la energía suficiente, podían crecer hasta alcanzar tamaños enormes, quizás tan grandes como el mismo universo.

Lo que resultó más peculiar fue que Witten sugirió que nuestro universo podía estar ubicado sobre una brana en algún espacio dimensional superior. Brian Greene, un teórico de cuerdas de la Universidad de Columbia, describe su idea como algo similar a sentarse en una rebanada de pan contenida en una hogaza. “Esa es nuestra candidata para la súper-unificación de las leyes de la naturaleza”, dice Witten. “No la comprendemos, no podemos jurar que sea correcta, todavía estamos andando a tientas en la oscuridad. Es muy emocionante comprender que aquí tenemos esta teoría fascinante que posee todas estas propiedades increíbles. Cuando suceden cosas agradables como ésta, hace que uno se convenza de que está en el camino correcto”.

Witten puede darse el lujo de tener incluso sus ideas más esotéricas, una libertad consagrada, en parte, por el IAS, un instituto de investigación casi único basado en lo que parece ser un tranquilo hogar campestre frente a un bosque de 800 acres en Princeton. Armado en 1930 como un lugar para que los investigadores realizaran su trabajo sin la distracción de la enseñanza o de la burocracia de la universidad, es probablemente muy famoso por haber sido el lugar donde Einstein pasó sus últimos años.

Albert Einstein, cuando todavía era un empleado de la oficina de patentes en Berna, Suiza.

Luego de pasar la primera parte del siglo XX presentando la relatividad general y sembrando las semillas para la física cuántica, Einstein se convenció de que había una teoría fundamental única que debía describir la naturaleza. Muchos de sus colegas de todo el mundo sintieron que él estaba perdiendo su tiempo pero la investigación inteligente, aún cuando no produzca ningún resultado útil, es parte de los principios fundadores del instituto.

Einstein murió en 1955 sin haber cumplido su sueño, pero la pregunta que estuvo haciendo fue la inspiración de lo que ahora ha llegado a ser la teoría de las cuerdas.

“Ahora comprendemos que en los tiempos de Einstein era realmente prematuro embarcarse en un proyecto de tan largo plazo, en parte por las cosas que sucedieron en las décadas siguientes”, dice Seiberg. “Una gran cantidad de desarrollos que él no pudo haber visto dio forma a nuestra comprensión sobre la física de las partículas, principalmente las fuerzas que actúan dentro del núcleo y lo que son las partículas elementales. Estas son ideas que se desarrollaron luego del trabajo de Einstein”.

El mismo Einstein no tenía idea de que las fuerzas fundamentales de la naturaleza todavía esperaban ser descritas totalmente, y que mucho menos podían ser unidas en una teoría única. Gastó su tiempo intentando unir el electromagnetismo con la gravedad; las interacciones nucleares fuerte y débil fueron formalizadas por los teóricos y descubiertas por los aceleradores atómicos recién después de que hubiera fallecido.

Por lo tanto, la mayor parte de su trabajo fue en la dirección equivocada, pero el espíritu del físico indudablemente continúa viviendo. “Estar en el lugar en que estuvo Einstein fue realmente una idea inspiradora”, dice Seiberg.

Sin embargo, el IAS no es un museo. “Si no hubiera habido una buena pregunta con la que trabajar, entonces no habría habido aquí un equipo trabajando en el asunto”, dice Seiberg. “Creo que este sitio permanecerá enfocado en lo más emocionante que esté sucediendo, en lugar de estar preservando un legado”.

Roger Penrose

La teoría de las cuerdas se ha estado moviendo particularmente rápido a lo largo de la década transcurrida desde que la Teoría-M apareció en escena. Hace justo un año, Witten volvió con otra gran idea: utilizando otra idea de 40 años de antigüedad llamada la teoría de los “twistores” originalmente desarrollada por Penrose en la Universidad de Oxford, mostró que podía ser que después de todo las cuerdas no necesitaran todas esas dimensiones extra. Motivó un montón de artículos por parte de sus compañeros teóricos y el interés continúa creciendo. La semana pasada, los teóricos de las cuerdas de todo el mundo se encontraron en Oxford para discutir sus progresos. Witten todavía no está convencido. “Creo que la teoría de las cuerdas-twistores es algo que solamente funciona de modo parcial”, dice.

El futuro de los teóricos de las cuerdas parece brillante, pero todavía quedan algunas preguntas básicas que esperan ser respondidas por los físicos. La primera es simple: ¿qué describe la teoría?. “Esto no es como la relatividad general, en la que Einstein delineó los principios y luego derivó las consecuencias”, dice Seiberg. “Estamos en una situación muy extraña y sin precedentes en la que sabemos como derivar algunas de las consecuencias, pero no conocemos cuáles son los principios fundamentales”.

La segunda falla (y para algunos críticos la mayor) es la carencia de datos experimentales para probar la teoría de las cuerdas. Para ésto, Witten y sus colegas están esperando el nuevo acelerador de partículas que está en construcción en Cern, Suiza. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC = Large Hadron Collider) operará con energías tan grandes que podrían aparecer algunas de las cosas predichas por la teoría de las cuerdas. Una es la supersimetría, la idea de que las partículas fundamentales (tales como los electrones y los quarks) tienen todos ellos compañeros supersimétricos a altas energías (en estos casos, los llamados selectrones y squarks). Si el LHC los encuentra, indudablemente por todo el mundo saltarán los corchos de champagne en los grupos de investigación de la teoría de las cuerdas.

Pero en última instancia la naturaleza es una bestia engañosa. Aún si se demostrara que la teoría de las cuerdas es correcta, ¿podría quizás haber todavía algo más fundamental?.

“La mayoría de los teóricos de cuerdas somos muy arrogantes”, dice Seiberg con una sonrisa. “Si hay algo más allá de la teoría de las cuerdas, lo llamaremos teoría de las cuerdas”.

Sin embargo, la teoría de las cuerdas podría ser lo más fundamental. Tradicionalmente, los físicos encontraron fuerzas más fundamentales en acción, cuando más cortas eran las distancias que estudiaban. Con la teoría de las cuerdas, el concepto de distancias se rompe. El espaciotiempo es un concepto asumido, la arena de la mecánica cuántica y de la relatividad general, pero la teoría de las cuerdas no asume nada. Nuestra noción de espacio y tiempo deberá ser un resultado de ecuaciones posibles de la teoría de las cuerdas. A ese nivel, no hay ningún parámetro que pueda ser más pequeño, de modo que no existe la posibilidad de una teoría más fundamental.

Es posible que el futuro de la teoría de las cuerdas ni siquiera tenga cuerdas tales como fueron definidas al principio. Pero las branas, superficies y universos paralelos de la Teoría-M aseguran que el mundo de la física fundamental es realmente un lugar muy extraño, con las cuerdas o sin ellas.

La teoría de las cuerdas

Una idea para el mundo moderno

Teoría de las cuerdas es el nombre dado al arcano y endemoniadamente complicado mundo matemático que fue soñado por primera vez a fines de la década de 1960, como una forma de describir la interacción nuclear fuerte, la fuera que evita que los protones salgan disparados de los núcleos de los átomos.

Los protones están hechos de partículas aún más fundamentales llamadas quarks, y éstas se mantienen juntas gracias a otras partículas, llamadas gluones, que transmiten la interacción nuclear fuerte. El misterio era la razón por la cual los quarks y los gluones nunca eran vistos en sí mismos, aún cuando los átomos fueran destrozados en los aceleradores de partículas.

La teoría de las cuerdas fue acuñada como un modo de responder ésto (en términos simples, quizás los gluones y los quarks estuvieran en los extremos de una cuerda de energía, y no se pueden tener una cuerda con solamente un extremo), pero finalmente dio lugar a lo que llegó a ser conocido como cromodinámica cuántica, una descripción mecánico-cuántica de la interacción entre los quarks y los gluones.

Posteriormente, la teoría de las cuerdas fue utilizada no como simplemente una forma de explicar la interacción fuerte, sino para explicar todas las fuerzas fundamentales. La idea es que todo en el universo, desde la Tierra hasta el papel que está en sus manos en este momento, y todas las fuerzas que actúan sobre ellos, está hecho de diminutas hebras de energía llamadas cuerdas. La teoría es un intento de solucionar algo que ha preocupado a los científicos por todo un siglo: el hecho de que las dos grandes teorías de la naturaleza no concuerdan una con otra.

A comienzos del siglo XX, nuestro conocimiento del universo comenzó a ponerse de cabeza. Las nuevas ideas detrás de la mecánica cuántica decían que el mundo era imprevisible, que el comportamiento de todo se asentaba firmemente en las manos del azar. La relatividad general de Einstein describía cómo el espacio a nuestro alrededor era combado por la gravedad, convirtiendo a nuestras ideas sobre la fuerza en un ejercicio de geometría.

Pero estos dos conceptos comparten un problema: no están de acuerdo uno con el otro. Para responder algunas de las preguntas más importantes de la física, como por ejemplo qué sucedió en el Big Bang, este desacuerdo es un gran problema: ¿se utilizan las ecuaciones de la relatividad general porque hay una enorme cantidad de masa, o se utiliza la mecánica cuántica porque todo está en un espacio tan pequeño?.

La búsqueda de una forma de cruzar el abismo (la así llamada “teoría del todo”) ha consumido a los físicos teóricos, incluyendo a Einstein, durante décadas. Y no sin algunas controversias, la teoría de las cuerdas es el principal candidato para llevar a cabo el sueño de Einstein.

Si bien la teoría de las cuerdas es lo único que puede explicar a la vez la mecánica cuántica y la gravedad, todavía no ha sido comprobada experimentalmente. Y es tan lejana a nuestra experiencia física del mundo que algunos críticos dicen que debería ser considerada más bien un trabajo de filosofía que una definitiva descripción científica de la naturaleza.

Enlace con el artículo original en inglés..

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Web Site: Guardian Unlimited
Artículo: “String Fellows ”
Autor: Alok Jha
Fecha: Enero 20, 2005

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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