Qué es la teoría de cuerdas y en qué consiste

La teoría de cuerdas es un marco teórico en física que intenta conciliar la relatividad general y la mecánica cuántica. Este postulado científico propone que las partículas fundamentales no son puntos sin dimensiones, sino objetos unidimensionales llamados cuerdas. Estas cuerdas pueden vibrar y plegarse de diferentes maneras, cada una de las cuales corresponden a partículas diferentes con propiedades diversas.

En términos simples se puede imaginar estas cuerdas de materia similares a las cuerdas de una guitarra, capaces de producir vibraciones distintas, y cuyo tamaño es tan ínfimo que la prueba experimental de esta se aprecia como un punto de materia. Algo similar a lo que ocurre si observamos un cable de telefonía a una larga distancia. Sobre el cable, podría correr una hormiga, pero nosotros no podríamos percibirla desde nuestra escala de observación.

De forma más precisa, imaginemos la longitud típica de una cuerda del orden de la longitud de Planck, aproximadamente 10^-35 metros, millones de veces más pequeña que un electrón, lo que está muy por debajo del alcance de cualquier tecnología de observación actual. Aun así, esta teoría es una opción válida para conseguir la unificación de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil.

Este éxito se debe a la particularidad de la teoría de cuerdas para plantear una solución válida que incluya la teoría de la relatividad general y las peculiaridades de la mecánica cuántica eliminando ciertas anomalías. En el caso de la gravedad, la teoría de cuerdas desmantelaría el problema de generación de infinitos que producen las teorías que consideran las partículas como un punto, ya que la vibración de la cuerda evitaría tales complicaciones.

La teoría de cuerdas surgió en la década de 1970 por casualidad, en un intento de describir la fuerza nuclear fuerte. Originalmente, fue una propuesta para entender los mesones como estados excitados de cuerdas unidimensionales. Sin embargo, esta idea no tuvo éxito inmediato en la física de partículas y fue relegada por otros enfoques como la cromodinámica cuántica.

En el año 1974, los científicos Jöel Schrek y John Schwarz demostraron que una cuerda cerrada tiene estado sin masa y con spin igual a 2, comportándose de la misma forma que los gravitones. Se había encontrado sin proponerlo una manera de vincular la relatividad con la teoría cuántica, de manera natural a través de la teoría de cuerdas. Esto da pie a la teoría de que una única cuerda fundamental daría lugar a todas las partículas del universo, de cuya vibración dependerían sus posteriores diferencias.

Aunque al inicio, no se le dio la importancia merecida, en 1984, la teoría de cuerdas resurgió como una teoría prometedora para unificar todas las fuerzas fundamentales, suprimiendo otras anomalías adicionales. Para entender la teoría de cuerdas y lograr la unificación de las partículas es importante comprender el papel de la supersimetría y simetría conforme.

La supersimetría es una extensión simétrica de la teoría de cuerdas que plantea la relación entre dos tipos de partículas: los bosones y los fermiones. Las interacciones dentro de las teorías cuánticas de campo se deben al intercambio de estas partículas. La supersimetría proporciona la relación entre los dos tipos de partículas y aporta la existencia de un compañero fermiónico a cada bosón y viceversa.

Un ejemplo práctico y que permite entender mejor esta parte serían las perchas de los niños en las aulas de prescolar. Los niños o fermiones tendrían adjudicado un compañero bosónico, la percha. En el campo de la física, una partícula de materia, electrones, tendría su supercompañero en el gremio de las partículas de interacción, los selectrones.

En cuanto a la simetría conforme, comprendería todas las transformaciones sencillas y complejas de la materia incluyendo traslaciones, rotaciones y dilataciones. Situaciones que pueden provocar cambios en algunas propiedades de la materia y no en otras. Si dibujamos una figura en una hoja y la arrugamos, veremos como la figura se deforma. En cambio, otras propiedades como los ángulos seguirán siendo constantes.

Ambos conceptos surgen de la necesidad de unificar las interacciones planteadas en las teorías cuánticas de campos y dotar al postulado de coherencia matemática. Simetría conforme, supersimetría, mecánica cuántica y relatividad se unen dentro de la teoría de cuerdas para unificar las fuerzas de la naturaleza.

La principal aplicación de la teoría de cuerdas es intentar proporcionar una descripción unificada de todas las fuerzas fundamentales y las partículas elementales. El objetivo es ofrecer una solución potencial al problema de la gravedad cuántica, integrando la teoría general de la relatividad con la mecánica cuántica.

Además, la teoría de cuerdas predice la existencia de dimensiones adicionales más allá de las cuatro dimensiones del espacio-tiempo convencional. Estas dimensiones adicionales podrían explicar algunas de las propiedades más enigmáticas de las partículas y las fuerzas en el universo​.

Aunque resulte difícil de creer, la teoría de cuerdas plantea la existencia de 10 dimensiones, 11 dimensiones si contemplamos la teoría M. La teoría M mantiene la creencia de que todas esas realidades diferentes existen dentro de un único postulado, de la misma forma que todas las paredes, aunque sean diferentes, forman parte de la misma habitación.

De aquí surge la pregunta, si existen 10 dimensiones, ¿por qué no las percibimos? Esto se debe a que estas dimensiones están compactadas, de maneras enormemente complejas y pequeñas, imperceptibles por la tecnología actual. Sin embargo, para esas partículas pequeñas de la materia, como los protones, estás dimensiones estarían dispuestas para interactuar con ellas. Por tanto, en el mundo cuántico estás dimensiones dan la suficiente coherencia para explicar la complejidad y unificación del universo.

A pesar de su elegancia matemática y su potencial unificador, la teoría de cuerdas enfrenta varias controversias. Una de las principales críticas es su falta de predicciones experimentales concretas que puedan ser verificadas con la tecnología actual. Las dimensiones adicionales predichas por la teoría están fuera del alcance de la observación directa, lo que dificulta su confirmación empírica.

Además, existen múltiples versiones de la teoría de cuerdas, lo que ha llevado a algunos científicos a cuestionar si se trata realmente de una teoría unificada o simplemente de un marco teórico amplio sin una única solución definitiva​. No obstante, la teoría de cuerdas plantea soluciones interesantes que podrían probarse en el futuro. En cualquier caso, indagar diversas teorías en el mundo cuántico y relativista siempre servirá para avanzar en la escala de conocimiento.

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