Quizá es culpa de los griegos antiguos el espíritu destructor que invade los corazones de muchos estudiosos de la composición de la materia. Fue Demócrito quien en la antigua Grecia antes que nadie concibió que todo lo que nos rodea está compuesto de pedacitos básicos e indivisibles de materia. Hubo un tiempo en el que se creyó que los átomos eran esos pedacitos. Después, los pequeños componentes de los núcleos atómicos (protones y neutrones) y los electrones (que transportan la electricidad en los cables) tomaron su lugar. Hoy creemos que los quarks que componen a los protones y neutrones, junto con los electrones, son las piezas fundamentales de todo lo que habita en nuestro universo. A esas piezas las llamamos partículas elementales. Según la experiencia científica del último siglo, no existe nada más pequeño. Sin embargo, la historia nos ha enseñado que es sabio dudar. Es posible que las partículas elementales contengan, a su vez, estructuras aún más pequeñas y básicas.

Algunos científicos curiosos han concebido la idea de que es posible que, en realidad, los componentes fundamentales de todo no sean las partículas elementales, sino cuerditas vibrantes mucho más pequeñas que todo lo conocido. Para ellos, las diferentes partículas elementales, representadas a veces como minúsculas canicas, son sólo un “efecto óptico”, producido por las distintas vibraciones de cuerdas mucho más pequeñas que las partículas. Así como las cuerdas de una guitarra pueden producir distintas notas, las cuerdas que construyen el universo producen distintas partículas que a su vez forman átomos que se combinan en moléculas, y luego en células vivas o estructuras cristalinas que, al acumularse, crean árboles y rocas, lunas y planetas, agujeros negros y galaxias. El universo para esos científicos curiosos es una magnífica sinfonía en la que las notas de las cuerdas son la materia que podemos palpar, idéntica a toda la materia conocida en el universo.

Ciertamente, la conjetura de que son cuerdas en lugar de partículas las que componen toda la materia del Universo es una idea aventurada. No obstante, para empezar no es más aventurada que la concepción de los átomos de Demócrito, y en segundo lugar, no es del todo injustificada, pues sabemos que podría resolver enigmas en donde otras teorías han fracasado. El primer misterio que resolvería tiene que ver con Albert Einstein, su teoría de la gravedad y la increíble mecánica cuántica.

Einstein, con su teoría de la relatividad, no sólo enunció su famoso principio de que la energía equivale a cierta cantidad de materia (lo que llamamos masa), sino que nos enseñó que la gravedad nos hace caer al piso y no hacia arriba porque la masa y la energía de la Tierra deforman el espacio en el que vivimos hacia abajo, o sea que, aunque no lo percibamos, estamos atrapados en un agujero creado por la simple existencia de nuestro planeta. Todas las cosas caen hacia abajo a menos de que lleven un impulso suficientemente poderoso hacia arriba, como las naves espaciales. Todas las cosas. Todas, aunque las partículas más ligeras prácticamente no caen, pues la gravedad jala con mayor fuerza cuanto más pesado sea el objeto involucrado. Y es aquí cuando aparece un problema: las partículas elementales son ligerísimas y casi no perciben la gravedad. Pero, sí la sienten; de otra forma, ¿cómo se llegarían a formar montones de partículas tan grandes como los planetas y las estrellas?

Los físicos del siglo pasado nos enseñaron que las reglas que controlan el movimiento de objetos tan o más pequeños que un átomo (que es alrededor de un millón de veces más delgado que un cabello) no pueden ser las mismas que son válidas para los objetos que nos rodean en nuestra vida cotidiana, sino que deben ser sustituidas por las leyes de la mecánica cuántica, basada en reglas de probabilidades que rigen el movimiento de todo. Estas reglas han sido corroboradas al estudiar las otras fuerzas de la naturaleza, las que afectan los fenómenos electromagnéticos y nucleares (tales como una explosión atómica o la generación de la energía del Sol). Lo malo es que, cuando intentamos entender la gravedad de Einstein a estas diminutas escalas “cuánticas”, es decir, al combinar completamente la mecánica cuántica con la relatividad de Einstein, los cálculos conducen a resultados sin sentido (números infinitos por todas partes) que sólo significan que las teorías fallan rotundamente.

A primera vista, la irrefutable gravedad de Einstein es incompatible con la comprobadísima mecánica cuántica. Sin embargo, quizá lo más fascinante de la teoría de cuerdas es que demuestra que las apariencias engañan: en un universo en donde la teoría de cuerdas gobierna, la gravedad y las fuerzas cuánticas que afectan a lo más pequeño son hijas de la misma reina. Es esta fusión de todas las fuerzas de la naturaleza en una sola teoría cuántica uno de los primeros y más sorprendentes descubrimientos de la teoría de cuerdas.

Originalmente, la teoría de cuerdas intentaba describir la composición de los núcleos atómicos y otras partículas muy parecidas a los componentes de los núcleos, pero, un día de 1984, apareció en la lista de las partículas creadas por la vibración de las cuerdas una partícula inesperada que de ninguna manera tiene algo qué ver con los núcleos atómicos: un gravitón. El gravitón es una partícula cuántica que, de existir, sería tan pequeña como todas las otras partículas elementales y se desplazaría a la velocidad de la luz, transmitiendo la presencia de campos gravitacionales entre objetos con masa y energía. El gravitón sería el mensajero de la gravedad. Con este descubrimiento, la teoría de cuerdas abandonó su objetivo original y abordó un propósito infinitamente más ambicioso: la descripción de todas las fuerzas de la naturaleza, la descripción de todo lo conocido en una sola teoría unificada, en una teoría de todo.

Einstein invirtió gran parte de su vida tratando de construir una teoría para describirlo todo. Y probablemente él tuvo todas las piezas en la mano, pero su profundo desprecio por la mecánica cuántica –cuya veracidad hoy ya no podemos cuestionar— lo condujo por la senda incorrecta. Las piezas fundamentales de la teoría de cuerdas son en realidad sólo dos: las cuerdas diminutas y la mecánica cuántica. Y de combinarlas surgen magníficas consecuencias, efectos que ya habían aparecido en otras teorías y que habían cautivado el interés de Einstein: la teoría de la gravedad como él la concibió sólo corregida por la presencia del gravitón cuántico y dos curiosas predicciones que a más de uno le han causado dolores de cabeza: la posible existencia de dimensiones espaciales adicionales y nuevas simetrías de la física de la naturaleza. Estas predicciones requieren una explicación detallada.

Empecemos por la idea de las dimensiones extra. Un buen día de 1919, Einstein recibió un mensaje de Theodor Kaluza. Este físico-matemático de apenas 33 años había tenido la osadía de intentar mejorar las ecuaciones inventadas por Einstein para describir la gravedad. Su contribución fue imaginar que la gravedad de Einstein no sólo era válida para las 3 dimensiones espaciales (ancho, alto y largo) de nuestra experiencia cotidiana, sino que valía también en una cuarta dimensión espacial desconocida. La cuarta dimensión sería para alguien como nosotros lo equivalente a la altura para dibujos confinados a vivir en una hoja de papel. El resultado de su aventura fue que, si esa dimensión adicional existiera, podríamos fácilmente explicar a partir de la gravedad en cuatro dimensiones espaciales, la aparición de la gravedad y de los fenómenos electromagnéticos en nuestras tres dimensiones. Seducido por la idea de Kaluza de fusionar la gravedad y el electromagnetismo, Einstein le respondió “Respeto enormemente la belleza y la osadía de sus ideas” y, no sólo apoyó la publicación del trabajo, sino que él mismo se involucró en el refinamiento de la conjetura.

Pero fue el condecorado físico sueco Oskar Klein quien, en 1926, corrigió un error de la idea de Kaluza. Kaluza había olvidado que no somos dibujos atrapados en un universo tridimensional, sino que somos seres de gran curiosidad y que hacemos experimentos para explorar lo desconocido. Ningún experimento había mostrado indicios de dimensiones adicionales parecidas a las tres que nos son familiares (y tampoco lo ha logrado hasta ahora). Klein concluyó que esas dimensiones no existían, a menos que... ¡a menos de que fueran muy pequeñas! Klein pensó que las dimensiones adicionales no forzosamente debían ser como las que conocemos, sino que podrían ser tales que, por ejemplo, si camináramos sobre la cuarta dimensión, tras un muy breve tiempo regesaríamos al lugar del que partimos, como si la cuarta dimensión fuera redonda. Si la cuarta dimensión fuera un círculo mucho más pequeño que todo lo conocido –pensó Klein—, se logra la unión de la gravedad y el electromagnetismo propuesta por Kaluza y justificamos por qué no hemos visto dicha dimensión. A este golpe de genialidad le llamamos hoy “compactificación de Kaluza y Klein” de las dimensiones adicionales.

Para apreciar mejor cómo son las dimensiones compactificadas de Kaluza y Klein, pensemos en un niño y un bicho que caminan sobre un delgado cable. Mientras el niño sólo puede caminar hacia atrás y adelante, es decir en una dimensión, el bicho también se mueve de derecha a izquierda, rodeando la pequeña circunferencia del cable, percibiendo una segunda dimensión que el niño no ve debido a que es muy pequeña. El cable podría representar nuestro universo, en donde nos desplazamos en las dimensiones conocidas sin percatarnos de que podría existir una dimensión pequeña que sólo ven los bichos más chiquitos o las partículas elementales. Las ideas de Kaluza y Klein fueron olvidadas durante mucho tiempo debido a que, al combinarlas con la mecánica cuántica, conducían a los resultados sin sentido que siempre habían provocado los intentos de mezclar la cuántica con la gravedad.

La teoría de cuerdas predice la existencia no de una, sino de seis dimensiones adicionales, que han escapado a toda observación. Siguiendo las ideas de Kaluza y Klein, no parece insensato concebir que existen y que están compactificadas. La teoría de cuerdas ha eliminado el conflicto de unir la gravedad y la cuántica, así que ahora el único detalle pendiente para poder celebrar a la teoría de cuerdas como una teoría de todo es la detección experimental de las dimensiones adicionales predichas.

La segunda predicción de la teoría de cuerdas es la existencia de una simetría muy peculiar en la naturaleza, la “supersimetría”. Aclaremos primero qué es una simetría y después busquémosle lo súper a la nueva simetría. Las simetrías están en todas partes. Por ejemplo, tomemos una bola blanca de billar bien pulida. Pidamos a una amiga que la observe, luego que cierre los ojos y rotemos la bola arbitrariamente. Al abrir sus ojos, nuestra amiga no será capaz de notar si algo ha cambiado. Esto ocurre porque una esfera es simétrica bajo rotaciones. Existen muchas otras simetrías. Por ejemplo, si filmamos un mismo evento que ocurre a diario en un cuarto cerrado, sin un calendario de por medio, nos sería imposible decir cuándo ocurrió. Esta es una simetría temporal. Algo similar se concluye si filmamos la misma escena aquí o en otro lugar del planeta, debido a que el universo es simétrico con respecto a desplazamientos espaciales. Como vemos, una simetría está relacionada con observar lo mismo pese a que hayamos realizado ciertos cambios (rotaciones, reflexiones, desplazamientos espaciales o temporales, etc.).

La extraña supersimetría predicha por la teoría de cuerdas corresponde a una simetría entre las partículas elementales. Todas las partículas tienen una propiedad intrínseca a la que llamamos espín o cantidad de giro. Es decir, aunque no estén físicamente girando, si midiéramos sin mirar qué tanto gira una partícula, siempre nos arrojaría un valor que interpretamos como su espín. Para hacer menos difícil la comprensión del espín, muchos representan a una partícula con espín distinto de cero, como una canica girando, mientras que una partícula con espín cero sería una canica que no gira. Esta imagen, aunque no del todo correcta, nos ayuda a darnos una buena idea de cómo funciona la supersimetría. Las partículas que componen los objetos de nuestro universo tienen espín, o sea que los podemos imaginar formados como bolitas rotantes. La supersimetría indica que podríamos sustituir esas partículas por otras que no tienen espín (por canicas que no giran) sin que notemos la diferencia. La mecánica cuántica que gobierna nuestro universo nos dice que, aunque fuera por un instante, las partículas de los objetos que nos rodean deberían perder su espín, permitiéndonos comprobar que la supersimetría existe. Lamentablemente, hasta hoy nadie ha notado semejante transformación.

Lo interesante de la supersimetría es que, de existir, nos ayudaría a comprender otros misterios de la naturaleza. Por ejemplo, desde las primeras observaciones cosmológicas de precisión realizadas en los ochentas por el satélite COBE y refinadas por el satélite Planck según su reporte del pasado 21 de marzo de este año, se sabe que sólo el 5% del universo está formado por objetos como los que observamos y sus partículas elementales. El resto es completamente desconocido. Al menos casi una tercera parte de ese 95% desconocido podría estar compuesto de una reliquia supersimétrica, una partícula sin espín, muy veloz y ligera que no emite ni refleja luz alguna. La supersimetría nos daría así una partícula a la que llamaríamos materia oscura (precisamente porque no vemos sus señales luminosas), cuya detección nos dejaría entender un papel de la teoría de cuerdas en nuestro universo.

Aunque interesantes, las dos principales predicciones de la teoría de cuerdas son actualmente muy difíciles de corroborar. A diario, en carísimos experimentos diseñados con otros propósitos se buscan indicios de las dimensiones adicionales y de las partículas supersimétricas. Los más optimistas opinan que estamos muy cerca de descubrirlos, pero otros opinan, con menos esperanza, que la teoría de cuerdas podría estar condenada a formar parte de la historia de fracasos científicos.

Sin embargo, no nos es posible predecir el futuro de esta teoría y, como dijera Carl Sagan, “la ausencia de evidencia no significa evidencia de ausencia”. De comprobarse que la teoría de cuerdas describe la naturaleza, ésta será la clave de muchos enigmas. En primer lugar, por tratarse de una teoría que describe todos los fenómenos físicos en un solo conjunto muy pequeño de reglas, nos ayudará a entender mejor nuestro universo, tal como hiciera James Clerk Maxwell con su teoría del electromagnetismo que unifica la descripción de los fenómenos lumínicos, eléctricos y magnéticos. Además, seguramente no sólo nos revelará los secretos de la mencionada materia oscura, sino que responderá otras preguntas cosmológicas, tal como ¿qué son los otros dos tercios que desconocemos en la composición del universo? Nos dirá si existen otras partículas elementales aún no descubiertas. Quizá nos contará más acerca de la famosa “gran explosión” o “big bang” que dio origen al universo como lo conocemos. Y nos podría traer, como toda buena teoría, nuevos retos, tales como la búsqueda de la utilidad de las dimensiones adicionales en nuestras vidas.

Hoy, científicos de todo el mundo trabajan arduamente en esta teoría, cuestionando a diario qué otras observaciones son posibles con la tecnología actual en un universo gobernado por cuerdas vibrantes. Buscan que el revolucionario éxito de fusionar la mecánica cuántica con el monumental trabajo de Einstein no sea relegado a una anécdota al pie de página, quieren, como todos los científicos con sus teorías, que esta conjetura de casi treinta años de edad ocupe los títulos del gran libro del conocimiento que la humanidad ha acumulado en su historia.

Dr. Saúl Ramos Sánchez, es investigador del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México.

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