Los éxitos de la teoría de cuerdas

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Por Andrew Zimmerman Jones, Daniel Robbins

La teoría de cuerdas ha pasado por muchas transformaciones desde sus orígenes en 1968, cuando se esperaba que fuera un modelo de ciertos tipos de colisiones de partículas. Inicialmente fracasó en ese objetivo, pero en los 40 años transcurridos desde entonces, la teoría de cuerdas se ha convertido en el candidato principal para una teoría de la gravedad cuántica. Ha impulsado importantes avances en matemáticas, y los teóricos han utilizado conocimientos de la teoría de cuerdas para abordar otros problemas inesperados de la física. De hecho, la presencia misma de la gravedad dentro de la teoría de cuerdas es un resultado inesperado!

Predicción de la gravedad fuera de las cuerdas

El primer y más importante éxito de la teoría de cuerdas es el descubrimiento inesperado de objetos dentro de la teoría que coinciden con las propiedades del gravitón. Estos objetos son un tipo específico de cuerdas cerradas que también son partículas sin masa que tienen un spin de 2, exactamente igual que los gravitones. Para decirlo de otra manera, los gravitones son una partícula sin masa de spin-2 que, bajo la teoría de cuerdas, puede ser formada por un cierto tipo de cuerda cerrada vibratoria. La teoría de las cuerdas no fue creada para tener gravitones – son una consecuencia natural y requerida de la teoría.

Uno de los mayores problemas de la física teórica moderna es que la gravedad parece estar desconectada de todas las demás fuerzas de la física que se explican en el Modelo Estándar de la física de partículas. La teoría de las cuerdas resuelve este problema porque no sólo incluye la gravedad, sino que la convierte en un subproducto necesario de la teoría.

Explicando lo que le pasa a un agujero negro (algo así como)

Un factor motivador importante para la búsqueda de una teoría de la gravedad cuántica es explicar el comportamiento de los agujeros negros, y la teoría de cuerdas parece ser uno de los mejores métodos para lograr ese objetivo. Los teóricos de las cuerdas han creado modelos matemáticos de agujeros negros que parecen similares a las predicciones hechas por Stephen Hawking hace más de 30 años y pueden estar en el centro de la resolución de un rompecabezas de larga data dentro de la física teórica: ¿Qué pasa con la materia que cae en un agujero negro?

La comprensión de los científicos de los agujeros negros siempre ha tropezado con problemas, porque para estudiar el comportamiento cuántico de un agujero negro es necesario describir de alguna manera todos los estados cuánticos (posibles configuraciones, tal como las define la física cuántica) del agujero negro. Desafortunadamente, los agujeros negros son objetos en relatividad general, por lo que no está claro cómo definir estos estados cuánticos.

Los teóricos de las cuerdas han creado modelos que parecen idénticos a los agujeros negros en ciertas condiciones simplificadas, y utilizan esa información para calcular los estados cuánticos de los agujeros negros. Sus resultados han demostrado que coinciden con las predicciones de Hawking, que hizo sin ninguna forma precisa de contar los estados cuánticos del agujero negro.

Esto es lo más cercano que la teoría de cuerdas ha llegado a una predicción experimental. Desafortunadamente, no hay nada experimental en ello porque los científicos no pueden observar directamente los agujeros negros (todavía). Es una predicción teórica que inesperadamente coincide con otra predicción teórica (bien aceptada) sobre los agujeros negros. Y, más allá de eso, la predicción sólo se aplica a ciertos tipos de agujeros negros y aún no se ha extendido con éxito a todos los agujeros negros.

Explicación de la teoría de campos cuánticos mediante la teoría de cuerdas

Uno de los mayores éxitos de la teoría de cuerdas es algo llamado la conjetura Maldacena, o la correspondencia AdS/CFT. Desarrollada en 1997 y pronto ampliada, esta correspondencia parece dar una idea de las teorías de los indicadores, como las que se encuentran en el corazón de la teoría de campos cuánticos.

La correspondencia original AdS/CFT, escrita por Juan Maldacena, propone que cierta teoría de medición tridimensional (tres dimensiones espaciales, como nuestro universo), con la mayor supersimetría permitida, describe la misma física que una teoría de cuerdas en un mundo de cuatro dimensiones (cuatro dimensiones espaciales). Esto significa que las preguntas sobre la teoría de cuerdas se pueden hacer en el lenguaje de la teoría de instrumentos, que es una teoría cuántica con la que los físicos saben cómo trabajar.

Como John Travolta, la teoría de cuerdas sigue reapareciendo

La teoría de las cuerdas ha sufrido más reveses que probablemente cualquier otra teoría científica en la historia del mundo, pero el hipo no parece durar tanto tiempo. Cada vez que parece que aparece algún defecto en la teoría, la resistencia matemática de la teoría de cuerdas no sólo parece salvarla, sino que la hace más fuerte que nunca.

Cuando se introdujeron dimensiones adicionales en la teoría en la década de 1970, la teoría fue abandonada por muchos, pero tuvo un retorno en la primera revolución de las supercuerdas. Entonces resultó que había cinco versiones distintas de la teoría de cuerdas, pero una segunda revolución de supercuerdas se desencadenó al unificarlas. Cuando los teóricos de las cuerdas se dieron cuenta de que un gran número de soluciones de teorías de cuerdas (cada solución de la teoría de cuerdas se llama vacío, mientras que muchas soluciones se llaman vacua) eran posibles, convirtieron esto en una virtud en lugar de un inconveniente. Desafortunadamente, incluso hoy en día, algunos científicos creen que la teoría de cuerdas está fracasando en sus objetivos.