“La teoría de cuerdas es la mejor candidata para ofrecer una teoría unificada”

¿Por qué cree que es necesaria una teoría única?

En realidad los físicos no insistimos en buscar teorías unificadas. Es la naturaleza la que parece insistir en que esa dirección es la correcta. Hasta mediados del siglo XIX se pensaba que la electricidad, el magnetismo y la luz eran fenómenos totalmente diferentes, pero en el siglo XIX se vio que eran tres aspectos de una sola teoría, el electromagnetismo clásico. La historia se ha vuelto a repetir a finales del siglo XX con la comprobación de que el electromagnetismo y las llamadas interacciones débiles –las causantes de la radioactividad natural– son dos aspectos de una sola teoría, la teoría electro-débil. Hoy en día hay indicaciones que apuntan a que todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluida la gravitación, son parte de una sola teoría unificada. La teoría de cuerdas es la candidata más seria.

¿Y por qué es la mejor candidata?

La mayoría de la comunidad científica lo considera así porque la teoría de cuerdas no solo hace consistente los dos paradigmas de la mecánica cuántica y la relatividad general, sino que en el mismo paquete te ofrece una teoría que contiene el resto de las interacciones fundamentales de la naturaleza. Es una teoría cuántica y relativista, los dos pilares siguen intocables. La principal novedad es que todas las partículas fundamentales corresponden a diferentes modos de vibración de cuerdas extremadamente diminutas.

¿Qué quiere decir que las partículas fundamentales no son puntuales, sino modos de vibración?

Hay cosas que, miradas de lejos, parecen un punto. Esto puede ocurrir por ejemplo con una hormiga, pero cuando te acercas ves que tiene una estructura más complicada. Hasta la aparición de la teoría de cuerdas se pensaba que toda la materia estaba hecha de partículas puntuales que no contenían nada dentro de sí. La teoría de cuerdas nos dice que las partículas elementales son en realidad modos de vibración de cuerdas diminutas. La razón por la que hasta ahora no las hemos detectado se debe a que trabajamos con un régimen de energías muy bajo, que solo nos permite ver partículas puntuales.

Si tuviéramos un acelerador de partículas muchísimo más potente que el que tenemos ahora en el CERN, podríamos ver que las partículas puntuales en realidad corresponden a las vibraciones de cuerdas extendidas entre dos puntos. Este cambio de paradigma permite resolver el problema fundamental de hacer compatible teoría cuántica con gravitación.

¿Puede dar un ejemplo de un experimento donde se necesiten estas dos teorías y aparezca su inconsistencia?

La verdad es que no. Lo curioso de la gravitación es que es muy, muy débil, y sin embargo fue la primera que vio el hombre, y la percibimos cada día cuando se nos cae algo. Como es la más débil de todas las interacciones, necesita una gran cantidad de masa, por ejemplo, la de la Tierra, para poder ser detectable. Un objeto que sea cuántico y en el que la gravitación sea relevante a la vez es muy difícil de construir en el laboratorio. Hay teorías que dicen que la escala de la gravitación no está tan lejos y podría ser accesible al LHC, pero todos pensamos que es improbable. Todo indica que desgraciadamente la escala fundamental de la gravitación no va a ser tan baja para ser accesible al acelerador actual del CERN.

Aún así estoy seguro de que la teoría de cuerdas llegó para quedarse. Su consistencia matemática es absolutamente increíble. Contiene dentro de sí todos los ingredientes que permiten describir todo lo observado. La probabilidad de que exista, porque sí, una estructura matemática como esta, que describa el conjunto de las propiedades de la naturaleza, es muy pequeña. No puede ser una casualidad que exista una construcción como esta con una consistencia interna tan sorprendente y la capacidad de describir todo lo observado.

La teoría de cuerdas postula la existencia de 11 dimensiones ¿Esto no complica los cálculos?

Vamos a concentrarnos en 10 dimensiones, que es lo que se usa en las teorías más estudiadas. Estas teorías asumen las tres dimensiones espaciales conocidas, el tiempo y otras seis que se supone que forman un espacio muy, muy pequeño. Las propiedades que tienen estas seis dimensiones extra, son las que marcan las propiedades de las partículas, como la carga o la masa. Esto da lugar a montones de posibles variedades: a espacios con seis dimensiones, con agujeros, sin agujeros, con todo tipo de propiedades geométricas, topológicas, etc.

Pensamos que la teoría de cuerdas tiene una enorme cantidad de soluciones, pero que solo muy pocas de ellas son consistentes con el desarrollo de elementos químicos como los que conocemos, que dan lugar a la existencia de materia e incluso de vida. Es obvio que nuestra propia existencia requiere que solo las soluciones consistentes con nuestra existencia subsistan. Esto es un ejemplo de lo que se llama ‘razonamiento antrópico’.

Todavía hay mucho debate al respecto. Hay investigadores que se resisten a estas ideas. Hay muchos otros, como yo, que jamás pensamos en la existencia de una única solución de las ecuaciones describiendo el universo. Esto nos parece una carta a los Reyes Magos. Igual que las leyes de Newton nos llevan a montones de posibilidades de planetas, la teoría de cuerdas da lugar a enormes cantidades de posibles universos; entre ellos, uno como en el que vivimos.

¿En qué consiste el proyecto Fenomenología de cuerdas en la era del LHC para el que el Consejo Europeo de Investigación le concedió la Advanced Grand?

La teoría de cuerdas no solo es capaz de hacer compatibles gravitación y mecánica cuántica, sino que potencialmente contiene dentro de sí una unificación de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la interacción electromagnética, la débil, la fuerte –o Nuclear– y la gravitatoria. El proyecto pretende estudiar en detalle cómo esta teoría contiene estas diversas interacciones.

En particular, lo que buscamos es identificar soluciones de la teoría que den lugar a partículas elementales e interacciones en precisa correspondencia con lo observado experimentalmente, aquellas que describen precisamente el universo observado. La idea es ver si, una vez construidas las soluciones, esas teorías dejan alguna signatura especial a energías a las que tenemos acceso actualmente. Por ejemplo, en muchas de las soluciones de teoría de cuerdas hay lo que se llama teorías con supersimetría. La supersimetría predice que en el LHC se tienen que encontrar nuevas partículas, squarks, sleptons, etc., es decir, unos compañeros de las partículas usuales, que no han sido observadas todavía.

También pretendemos describir datos que ya sabemos, por ejemplo, las masas de las distintas partículas de la naturaleza, o por qué existen tres generaciones de partículas de quarks y leptones de las que se compone la materia y todo lo que conocemos, etc. Y otro de nuestros objetivos es estudiar cómo el bosón de Higgs restringe las posibles soluciones de teoría de cuerdas. Todos esperamos que el LHC encuentre nuevas partículas fundamentales que nos darán nuevas pistas sobre cómo es la teoría fundamental. Estamos viviendo en estos momentos una época extraordinariamente interesante en el campo de la física fundamental.

¿Cómo afronta la Física esta transición entre teorías?

No hay una regla única. En unos casos, una nueva teoría se introduce para poder describir nuevos resultados experimentales incompatibles con una teoría anterior. En otros, una nueva teoría se adopta porque da una estructura lógica más completa y permite resolver paradojas aparentes. Así ocurre con la teoría de cuerdas, que permite la consistencia entre gravitación y mecánica cuántica. La nueva teoría puede dar lugar a nuevas predicciones que se puedan verificar experimentalmente. En general, en Física una nueva teoría no invalida las anteriores, sino que las completa en nuevos rangos de energía o distancias, o la completa conceptualmente.