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Protón FISICA

¿Es nuestro universo un holograma?

Un físico explica la teoría de cuerdas, que supone una concepción totalmente novedosa de todo lo que existe.

Teoría de cuerdas

Teoría de cuerdas

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Por: Gastón Giribet*

Tal vez la pregunta más vieja de la historia de la filosofía y de la ciencia, que en su momento eran una y la misma cosa, es cómo y de qué está hecho el universo. Con el correr de los siglos, hemos llegado a tener una idea bastante aproximada, o al menos eso parece.  

El denominado “Modelo Estándar de las interacciones fundamentales”, edificio teórico de una precisión sorprendente, nos permite explicar absolutamente todo experimento de física de partículas que haya sido realizado por el hombre en términos de una idea presocrática: todo lo que existe está echo de partículas indivisibles.

Las partículas del modelo estándar.

Tanto la materia como las interacciones entre la materia (las fuerzas) están constituidas de partículas elementales, de objetos puntuales, infinitamente pequeños, que, al combinarse, forman todo lo que vemos. Es así como entendemos las fuerzas nucleares, los fenómenos electromagnéticos, los núcleos atómicos con sus enormes energías, los átomos, la química, la luz, todo. “Todo está hecho de partículas elementales”, dice la teoría; tanto la materia como las fuerzas que la aglutinan; todo; absolutamente todo... o casi.

Hay un único fenómeno físico que elude ser descripto en términos de partículas elementales; un único fenómeno que, paradojalmente, nos es evidente: la gravedad.

La fuerza gravitatoria, a diferencia de las fuerzas electromagnéticas y las nucleares, se resiste a ser pensada como mediada por partículas fundamentales. En otras palabras, la hipótesis de que todo es partículas falla al tratar de describir la omnipresente fuerza gravitatoria. Si lo intentamos, las ecuaciones chillan ante la pululación de resultados sin sentido, infinitos, indomables.

¿Debemos renunciar, entonces, a la idea de incluir a la gravedad en el mismo esquema teórico con el que pensamos el resto de la naturaleza? ¿Debemos, acaso, aceptar que la gravedad es de una naturaleza distinta? ¡No! ¡De ninguna manera! Para nosotros, físicos convencidos, la empresa de aprehender a la naturaleza en un esquema teórico unificado es inclaudicable. Es imperioso, por lo tanto, buscar una nueva teoría y descartar la anterior, una nueva teoría en la que tanto la gravedad como todos los otros fenómenos puedan ser descriptos de igual manera

Aparece esa teoría

Existe una teoría de tal suerte: la teoría de cuerdas, que logra el objetivo de describir a la gravedad y a las otras fuerzas de la naturaleza en un marco unificado. Y lo logra con la osada propuesta de que no existen partículas, sino cuerdas; que todo sería cuerdas, que todos lo seríamos.

Nos vemos, así, ante la hipótesis de partida: tanto los constituyentes fundamentales de la materia como las distintas formas de interacción entre ellos (partículas mediadoras de las fuerzas de la naturaleza) no serían entes puntuales, tal como la física de partículas elementales propone, sino objetos unidimensionales infinitamente delgados denominados “cuerdas” o “supercuerdas.

Estos objetos remedan pequeñísimos cordeles elásticos que, al igual que las partículas, pueden surcar el espacio y colisionar entre sí, pero que, además de ello, y diferenciándose así de las partículas, pueden también moverse en forma serpenteante, vibrar en diferentes frecuencias, enroscarse y rotar.

Las ventajas de reemplazar la noción de partícula elemental por la de cuerda fundamental son muchas, pero mencionemos las dos principales.

La primera es la posibilidad de dar una descripción de la gravedad compatible con las leyes de la física cuántica. Ya dijimos que el éxito que la teoría de partículas ha tenido a la hora de describir los constituyentes de la materia y las fuerzas nucleares y electromagnéticas es tan cierto como el fracaso rotundo que ésta ha sufrido siempre que ha intentado extender su dominio al terreno de la fuerza gravitatoria. En el marco de la teoría de cuerdas, por el contrario, la gravedad encaja perfectamente: es imposible hablar de cuerdas sin hacerlo de la gravedad cuántica.

La segunda ventaja que la hipótesis de “cuerda fundamental” tiene sobre la de “partícula elemental” es de carácter estético-conceptual, y no por eso menos apreciable. Se trata de su potencial carácter unificador, al lograr explicar cómo todas las distintas especies de elementos subatómicos existentes, fotones, electrones, quarks, neutrinos... podrían no ser sino diferentes modos de manifestación de un único ente fundamental, la cuerda, que, vibrando a distintas frecuencias o enrollándose de variadas maneras, cumple con expresar las diversas propiedades que asignamos a las partículas y sus interacciones.

Según la teoría de cuerdas, no habría distintos elementos fundamentales, sino distintas formas en las que el único elemento fundamental puede vibrar, enrollarse, girar o moverse. En un universo que, según todas las evidencias, nació hace 13 800 millones de años en una minúscula región del espacio, este carácter unificador se antoja algo más que un capricho estético: es casi un imperativo ontológico.

El movimiento de las cuerdas

La teoría de cuerdas es una generalización natural de la de partículas. Esto es decir que, aunque la teoría de cuerdas vaya mucho más allá, tanto en su poder de cálculo como en su contenido conceptual, no deja de estar definida de tal manera que resulta una extensión natural de ideas que están en germen en la teoría de las partículas elementales. Por ejemplo, de igual manera en que las trayectorias de las partículas corresponden a las curvas de distancia mínima entre dos puntos del espacio-tiempo, las estelas dibujadas por las cuerdas al surcar el espacio-tiempo resultan ser superficies de área mínima entre dos segmentos curvos del espacio-tiempo. 

Las cuerdas son objetos unidimensionales sin espesor. Vale decir que, a diferencia de las partículas elementales, que no son puntos pequeños sino puntos sin tamaño alguno, las cuerdas sí tienen una longitud aunque no tengan espesor. Son objetos elásticos, de cierta tensión, y pueden ser tanto abiertas como cerradas, como banditas elásticas mínimas. Al moverse en el espacio-tiempo, las cuerdas dibujan una estela bidimensional que se denomina «hoja de mundo» y que es el análogo de las trayectorias que las partículas dejan al surcar el espacio en el tiempo.

Por ejemplo, al moverse y vibrar, las cuerdas cerradas dibujan hojas de mundo tubulares, que se angostan y se ensanchan en función de si la cuerda se contrae o se expande en su vibrar. Por su parte, las cuerdas abiertas se mueven serpenteantes en el espacio y, así, las hojas de mundo por ellas dibujadas parecen cintas ondulantes.

La dinámica de las cuerdas, al comprender no sólo el movimiento de traslación que ya presentaban las partículas, sino también el ondulatorio-vibratorio propio de ellas, es rica y abstrusa: las cuerdas pueden vibrar mucho o casi no hacerlo, pueden rotar en torno a su eje o no hacerlo, pueden propagarse mientras tanto; dos cuerdas abiertas pueden unirse para formar una cerrada, una cuerda cerrada enrollarse sobre sí misma, etcétera.

Es precisamente debido a la gran versatilidad de movimientos del que una cuerda es capaz, que esta teoría resulta fortísima para describir todos los componentes de la materia y sus interacciones a partir de un único objeto primordial.

No obstante, a pesar de la complejidad de movimiento de las cuerdas, la ley física que lo describe es de una naturalidad y simpleza remarcables. Del mismo modo que la dinámica de las partículas elementales está descrita por la ley que establece que las trayectorias espacio-temporales de esos objetos han de ser aquellas que minimicen la distancia entre los puntos de partida y de llegada, la ley que describe la propagación de las cuerdas en el espacio-tiempo establece que sus trayectorias serán aquellas que minimicen las superficies de las hojas de mundo que, al propagarse, las cuerdas vinieran a dibujar.

No es que las cuerdas sean «muy» delgadas, sino que son «infinitamente» delgadas; no es que estén constituidas de elementos aún más pequeños, sino que las cuerdas fundamentales serían el menor elemento que lo constituye todo, incluso a ellas mismas que, libres de dividirse en más cuerdas, surcan el espacio en una danza que es composición de todo lo que vemos; y son, a su vez, la razón por la que lo vemos. Como en La Ciudad Ausente, en donde alguien cree recordar que Macedonio Fernández dijo que «es una idea interesante buscar en la música los acordes fundamentales de los cuales, tal vez, derivaría todo el universo».

El universo como un holograma

La teoría de cuerdas hace muchas predicciones interesantes sobre la naturaleza. Predice que, para cada especie de partícula elemental, existe un alter ego al que llamamos “compañero supersimétrico; también predice que a medida que vayamos aumentando la energía de nuestros aceleradores de partículas, iremos siempre encontrando nuevas partículas con masas más grandes y propiedades más curiosas; predice que el espacio tiene más dimensiones que las tres dimensiones en las que nos es dado movernos; y predice, también, que nuestro universo es un holograma. 

De todas estas predicciones de la teoría de cuerdas la última es, sin duda, la más sorprendente. Esta idea, que recibe el nombre de “Principio holográfico” fue concebida, aunque de manera imprecisa, por los físicos Gerard t’Hooft y Leonard Susskind a comienzos de la década de 1990’s.

Pero fue Juan Martín Maldacena, físico argentino que actualmente trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, quien, en diciembre de 1997, le dio forma precisa a la idea. No había cumplido los treinta años cuando revolucionó el mundo de la física teórica con su “conjetura de correspondencia AdS/CFT”, también conocida como “conjetura de Maldacena”.

Juan Martín Maldacena.

Este resultado establece que todo lo que ocurre en nuestro universo, en el que existen objetos estelares como los agujeros negros, está, en realidad, escrito en el borde del mismo, está de alguna manera codificado en esa abovedada superficie que es frontera de todo lo que experimentamos.

Como si se tratara de un holograma, nuestro espacio tridimensional sería una ilusoria redundancia de algo que está grabado en una superficie bidimensional que lo envuelve.

El universo podría ser como un holograma.

Esto nos permite pensar el mundo de una manera dual, como si hubiera dos formas equivalentes, aunque en apariencia muy distintas, de describirlo: una de esas descripciones del mundo incluye a la gravedad mientras la otra no lo hace; una de esas descripciones del mundo es clásica mientras que en la otra los efectos cuánticos son ineludibles.

Maldacena es, sin duda, uno de los físicos más importantes de lo que va de este siglo. Su resultado, que hoy es axial para la investigación en física teórica, se yergue como el camino más promisorio para abordar el problema abierto más importante de la física: la conciliación entre la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad.  


* Profesor de la Universidad de Buenos Aires e Investigador Principal del CONICET. Este texto es una adaptación para Filo.news de un fragmento de J.Edelstein y G.Giribet, Cuerdas y supercuerdas: la naturaleza microscópica de las partículas y el espacio-tiempo, RBA, 2016.

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