Teoria De Cuerdas

Desenredando las (teorías de) cuerdas

Saúl Ramos­Sánchez

Investigador del Instituto de Física, UNAM

Los orígenes

Hace casi cuatro siglos, la teoría de la gravedad de Newton revolucionó nuestra comprensión de la naturaleza.

Newton encontró una forma de describir exactamente la razón por la que todos los objetos sienten una inconfundible

atracción hacia la Tierra. Nuestro planeta jala a todas las cosas y seres que habitan en él con una fuerza específica,

por   el   hecho   de   ser   mucho   más   grande   (y   masivo).   Su   idea,   aunque   sencilla   en   apariencia,   tiene   profundas

consecuencias. Con su teoría, Newton explicó también que la atracción que la Tierra ejerce sobre una manzana para

hacerla caer es la misma que provoca que los planetas giren alrededor del Sol y la Luna alrededor de nuestro planeta,

y es el motivo de las mareas y de la existencia de las galaxias. De un solo golpe, Newton unificó las leyes terrestres

con las del cosmos, el cielo con la Tierra. Hoy parece un logro pequeño, pero era la primera vez en la historia de la

humanidad que alguien concluía que dos fenómenos, aparentemente muy distintos, tienen un único origen. Newton,

uno de los padres de la Física como la conocemos, hizo así la primera contribución a la comprensión unificada del

universo. Pero no sería la última.

Hace   poco   más   de   un   siglo   se   reconoció   con   gran   sorpresa   que   el   magnetismo   y   la   electricidad   son

fundamentalmente distintas manifestaciones de una sola entidad de la naturaleza. Grandes pensadores tales como

André­Marie Ampère, Michael Faraday y James Clerk Maxwell llegaron a la sorprendente conclusión de que las

cargas eléctricas crean algo que rellena todo el espacio y que permite que éstas se perciban mutuamente a grandes

distancias. Esa “sustancia” especial fue bautizada campo eléctrico. Similarmente, los polos de un imán extienden un

campo magnético por todo el universo. Más sorprendente aún fue hallar que las cargas eléctricas en movimiento, o

sea las corrientes, son capaces de crear magnetos. Por eso, para evitar que la fuerza de atracción magnética provoque

incidentes, los cables eléctricos que penden de los postes están separados por una distancia específica. La única

explicación   de   esta   observación   es   que   los   dos   tipos   de   campo   provienen   de   una   mezcla   llamada   campo

electromagnético. Poco después se comprobó no con menor entusiasmo que la luz es una onda electromagnética

comunicada a través de ese campo, y que, por ejemplo, las ondas de radio no son sino luz que nuestros ojos no

pueden ver.

Para finales del siglo XIX, se creía que la teoría de la gravedad y la del electromagnetismo contenían todo el

conocimiento necesario para entender  completamente los detalles de todo lo que nos rodea. Ante la fascinante

tendencia de la naturaleza de regirse con el menor número de reglas, una pregunta aparecía en la mente de algunos

curiosos: ¿sería posible comprobar que estas dos fuerzas fundamentales, la gravedad y el electromagnetismo, son

parte de una fuerza madre única y más grande?

Albert  Einstein, el científico más grande  del  siglo pasado,  mientras  trabajaba  en  una humilde oficina de

patentes, nos reveló aún más secretos. Supuso que la luz es una sustancia muy especial que prefiere viajar siempre a

una misma velocidad finita. Einstein notó que esta simple suposición tiene un impacto profundo en las reglas de la

física. En particular, gracias a esta idea sabemos que el espacio y el tiempo se combinan indistinguiblemente cuando

un objeto o una onda viaja a velocidades tan altas como la de la luz, velocidad que nada puede rebasar. En otras

palabras, a velocidades muy altas, la naturaleza no puede distinguir entre espacio y tiempo. Para entonces, Einstein

no tenía en mente la unificación de las fuerzas fundamentales, pero había descubierto la unidad del “cuándo” y el

“dónde” en una entidad llamada espacio­tiempo. Einstein fue más lejos aún: él supo ver que el campo gravitacional

generado por cualquier objeto con peso se distribuye por todos los puntos de ese espacio­tiempo, es decir, hacia todas

partes y hacia cualquier momento en el tiempo.

Retos del siglo XX

Todo parecía más claro que antes, pero aún quedaban misterios sin resolver. Era inexplicable que los metales

produjeran descargas eléctricas al iluminarlos con luz de cierto color. Este fenómeno conocido hoy como efecto

fotoeléctrico fue descrito por Einstein basándose en la idea de Max Planck de que la energía se almacena en

1pequeños paquetitos  energéticos llamados  cuantos.  Einstein supuso entonces que  la  luz  podía partirse  en esos

paquetitos y que la energía de cada cuanto dependía del color de la luz. Estos cuantos de luz o fotones pueden ser tan

energéticos, dependiendo del color de la luz, que son capaces de liberar a los electrones (partículas con carga

eléctrica negativa) que están atados en los átomos de los metales, produciendo corrientes. Hasta entonces, la luz

había sido comprendida como una onda viajando en el campo electromagnético de Maxwell, no como una partícula.

Sin embargo, la elegante descripción de Einstein del efecto fotoeléctrico no dejaba dudas: la luz estaba compuesta

por partículas, similares a los electrones, aunque, simultáneamente, viajaba como onda. Dos conceptos tan lejanos,

partícula y onda, fueron así unificados. Esta es una de las importantes contribuciones que dieron luz a la mecánica

cuántica.

Otro reto para los científicos del siglo XX era el origen de la energía del Sol. Si la luz del astro rey surgiera de la

quema de un combustible común, como aceite, carbón o gasolina, su vida hubiera sido muy corta y, por supuesto,

nosotros no existiríamos. La explicación de este fenómeno tan grande condujo a los investigadores por el camino de

lo más pequeño, por el sendero de los constituyentes primarios de todo lo que nos rodea. En la travesía, la mecánica

cuántica nació mostrando que lo que ocurre en ese minúsculo universo no siempre coincide con lo que la intuición

sugiere, es decir, que el tamaño sí importa. La más útil herramienta de un físico, su intuición, el sentido común,

necesitó revolucionarse para poder entender que la energía se divide en paquetitos, para entender que las partículas

no son “pelotitas” sino algo más complejo que a veces se ve como onda, para entender que un electrón, como una ola

en el agua, puede extender su presencia a través del enorme océano que forma nuestro universo. Comprender al Sol

requirió   más   de   20   años   de   mecánica   cuántica   y   resolver   el   rompecabezas   de   dos   fenómenos   del   universo

microscópico: el decaimiento beta y la existencia de la antimateria (explicaremos estos fenómenos a continuación).

Antes incluso de que Einstein se hiciera presente, ya se había notado que algo insospechado ocurría en el

interior   de   los   átomos.   Algunos   de   ellos   se   transformaban   en   otros   muy   distintos  disparando   electrones   con

velocidades muy variadas. Esa emisión fue bautizada como radiación beta, el primer tipo de radiación descubierto.

Tras entender que el átomo tenía un núcleo, se notó que la radiación beta provenía de éste, lo cual era muy extraño

dado que los núcleos están compuestos de partículas casi 2000 veces más pesadas que el electrón llamadas protones

(con carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga eléctrica). Se encontró que el origen de la radiación es que un

neutrón sin carga se puede dividir espontáneamente en tres trozos: un protón cargado positivamente, un electrón con

carga negativa, y una partícula ligerísima y sin carga que Enrico Fermi terminó llamando neutrino. Sin embargo, se

sabía   que   el   neutrón   no   estaba   compuesto   de   las   partículas   emergentes.   De   esta   forma   se   descubría   una

transformación entre partículas jamás imaginada: el decaimiento beta. Era un indicio de que, en el fondo, el neutrón y

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