¿Qué es la Teoría de Cuerdas? Definición y principios

La Teoría de Cuerdas propone unificar todas las leyes del Universo a través de la hipótesis de que todas las partículas que conforman el Cosmos son, en realidad, cuerdas en vibración.
Teoría Cuerdas

Todos hemos oído hablar de ella. La Teoría de Cuerdas es, seguramente, una de las hipótesis científicas más de moda en todo el mundo. Y ya no porque es lo que estudia Sheldon Cooper en la serie de The Big Bang Theory, sino porque es, de largo, la teoría más ambiciosa de la historia de la humanidad.

A lo largo de la historia de la Física, siempre hemos podido ir explicando las cosas hasta niveles cada vez más profundos. Y así hasta llegar al nivel que parecía más pequeño: el atómico. Sin embargo, vimos que todavía había un nivel más pequeño: el subatómico.

El problema es que las leyes de la Física que explicaban lo que pasaba a nuestro alrededor no se cumplía cuando llegábamos al mundo cuántico. Pero, ¿cómo es posible que en el Universo no haya una conexión entre la relatividad general y las partículas subatómicas?

Desde mediados del siglo pasado, esta cuestión ha perturbado a los físicos, hasta que, en la década de los 60, se formó una teoría que, por fin, parecía unificar todas las leyes en una. Estamos hablando de la Teoría de Cuerdas, la hipótesis que está ganando más fuerza para explicarlo absolutamente todo. Si quieres aprender acerca de las cuerdas, las 11 dimensiones del Universo, la naturaleza cuántica de la gravedad y el multiverso, quédate. En este artículo intentaremos explicar de la forma más sencilla posible una de las teorías físicas más complicadas de la historia.

La Teoría Cuántica y el problema de la gravedad

Antes de adentrarnos en la Teoría de Cuerdas en sí, es imprescindible ponernos en contexto para entender por qué se tuvo que formular. Como venimos comentando, los físicos siempre han querido encontrar el origen de todo. Es decir, van en búsqueda de una teoría que lo explique todo, desde por qué los cuerpos tienen masa hasta por qué existe la electricidad.

Sabemos desde hace tiempo que en el Universo hay cuatro fuerzas básicas. Todo, absolutamente todo, lo que pasa en el Universo, se debe a las interacciones de la materia con estas fuerzas, las cuales son la masa, la fuerza nuclear, el electromagnetismo y la gravedad.

Una vez estaba claro esto, los físicos quisieron encontrar de dónde venían estas fuerzas. Y para hacerlo, era evidente que debían desplazarse al nivel más básico de la materia, es decir, a aquello que fuera indivisible.

¿El átomo? No. Hace tiempo que sabemos que el átomo no es la unidad más básica del Universo. Hay cosas por debajo, es decir, más pequeñas. El problema es que, al cruzar la frontera del átomo, nos desplazamos a un nuevo “mundo” que no somos capaces de percibir.

Un átomo es tan pequeño que en un solo milímetro podrían caber 10 millones de ellos. Pues bien, imagina ahora que conviertes este átomo en un campo de fútbol. El siguiente nivel (el subatómico) está formado por partículas (o eso parecía) que tendrían, en comparación con el estadio, el tamaño de una cabeza de alfiler.

Para entender y explicar cómo funcionaba el mundo subatómico, se fundó la Física Cuántica, la cual, entre muchas otras cosas, propuso la existencia de distintas partículas subatómicas que, yendo por libre o juntándose para formar los átomos, parecían explicarlo casi todo.

Pero este “casi” se convertiría en la pesadilla de los físicos. Gracias a los aceleradores de partículas, descubrimos partículas (repetimos, cosas que parecen partículas, pues son imposibles de ver) que explicaban prácticamente todas las leyes del Universo.

Estamos hablando de, además de los electrones, fotones, quarks, neutrinos, etc, de los bosones, unas partículas subatómicas que transmiten las fuerzas de interacción entre las otras partículas. Es decir, a grandes rasgos, son una especie de “transportadores” de fuerzas que mantienen unidos a los protones y a los neutrones, que posibilitan la transmisión de la fuerza electromagnética y que explican las emisiones radioactivas.

El mundo subatómico y, por lo tanto, la Teoría de Partículas, había conseguido explicar el origen más fundamental de la masa, la fuerza nuclear y el electromagnetismo. Habíamos encontrado las partículas que lo explicaban casi todo. Pero en física, un “casi” no vale.

Fallaba la gravedad. La Teoría de Partículas no explicaba el origen de la gravedad. ¿Qué es lo que transmite la gravedad entre galaxias separadas por miles de años luz? ¿Qué había entre ellas? ¿Por qué los cuerpos con masa se atraen? ¿Qué es lo que genera la atracción? Justo cuando casi habíamos unificado todo el Universo en una teoría, la gravedad nos demostraba que andábamos equivocados. El mundo subatómico no podía (ni puede) explicarlo.

Se necesitaba una teoría que hiciera encajar la gravedad en la mecánica cuántica. En cuanto consiguiéramos eso, estaríamos mucho más cerca de la tan ansiada “Teoría del Todo”. Y en este contexto apareció, casi por casualidad, la Teoría de Cuerdas.

¿Qué es la Teoría de Cuerdas?

La Teoría de Cuerdas es una hipótesis (no está, en absoluto, confirmada) que busca unificar todas las leyes del Universo, partiendo de la suposición de que el nivel de organización más básico de la materia son, en realidad, cuerdas en vibración.

Es normal que no se haya entendido nada. Vayamos paso a paso. Lo primero que hay que entender es que esta teoría nace de la necesidad de incluir la gravedad en la física cuántica. Al no encajar, como hemos visto, con la naturaleza de las partículas subatómicas, en el año 1968 y 1969, distintos físicos plantearon la idea de que la materia no consistía (en su nivel más bajo) de partículas subatómicas, sino de cuerdas que vibraban en el tejido espacio-tiempo.

Dependiendo de cómo vibran estas cuerdas, dan lugar a las distintas partículas subatómicas que conocemos. Es decir, se desecha la idea de que las partículas son esferas que viajan por las tres dimensiones (luego hablaremos de dimensiones) y se defiende la hipótesis de que lo que da lugar a las fuerzas son cuerdas unidimensionales que vibran.

String theory
Las cuerdas serían hilos unidimensionales que conformarían el nivel más bajo de organización de la materia.

Pero, ¿qué significa que sea una cuerda unidimensional? Buena pregunta. Y es que, como pasa con muchas teorías, hay que hacer un acto de fe. Y aquí viene lo complicado. Porque desde ya, es necesario que nos olvidemos de nuestras tres dimensiones. Las cuerdas son hilos que tienen profundidad (una dimensión), pero no tienen altura ni anchura.

De nuevo, insistimos en que en ese “mundo”, las cosas no suceden como en nuestro día a día. Entramos en un mundo tan increíblemente pequeño que debemos confiarlo todo a las matemáticas, pues nuestras herramientas no pueden llegar a este nivel.

Las hipotéticas cuerdas serían hilos millones de millones de veces más pequeñas que un electrón. De hecho, se cree que serían apenas 100 veces mayores que la conocida como densidad de Planck, que quizás te suene más por ser una singularidad en el espacio-tiempo, que es lo que hay en el centro de los agujeros negros. En otras palabras, es lo más pequeño que puede existir en el Universo. Todo estaría hecho de cuerdas pero las cuerdas no estarían hechas de nada.

Pero, ¿qué ganamos pensando en la materia como cuerdas o hilos? Pues, por fin, entender la naturaleza de la gravedad. Y, aunque no lo parezca, dejar de pensar en las partículas subatómicas como puntos de materia y empezar a hacerlo como hilos con extensión, lo cambia absolutamente todo.

De hecho, trabajar con partículas esféricas llevaba a los físicos a resultados absurdos desde el punto de vista matemático. En este sentido, pasamos de un enorme conglomerado con cientos de partículas subatómicas (pocas de ellas con existencia confirmada) independientes para explicar las leyes del Universo a un único elemento: una cuerda que, dependiendo de cómo vibre, se comportará como una partícula u otra.

Es decir, lo único que diferenciaría un electrón de un protón (y de todas las otras partículas como bosones, neutrinos, quarks, tau, omega, fotones…) sería cómo vibran estas cuerdas. En otras palabras, las fuerzas del Universo dependen únicamente de cómo estén vibrando las cuerdas.

Cuerdas y gravedad: ¿cómo interaccionan?

Ahora, tal vez te estés preguntando que qué se gana exactamente con esta teoría, pues por ahora, parece que no arroja nada nuevo. Pero no. Ahora viene lo importante. Y es que matemáticamente, esta teoría permite que las cuerdas, además de poder estar extendidas (lo que explica las fuerzas de masa, nuclear y electromagnéticas), se pueden cerrar.

Es decir, estas cuerdas pueden formar un anillo. Y esto lo cambia absolutamente todo. Y es que la teoría propone que los cuerpos con materia (con cuerdas abiertas) pueden plegar estas cuerdas (cerrarlas) y expulsar al espacio los conocidos como gravitones, que serían anillos de cuerda vibrantes.

Como vamos deduciendo, este fenómeno explicaría, por fin, cómo se transmite la gravedad. Y es que esta teoría, además de explicar que la masa, la fuerza nuclear y el electromagnetismo se deben a los distintos modos de vibrar de las cuerdas, afirma que la gravedad existe porque los cuerpos con masa liberan al espacio cuerdas cerradas, las cuales interactúan entre ellas y, de algún modo, unen los cuerpos celestes del Universo por “cuerdas invisibles”.

Gravitón
Una cuerda cerrada permitiría la existencia del gravitón, una hipotética partícula que transmitiría la gravedad, unificando todas las fuerzas.

Hasta ahora, todo parece fantástico. Tenemos una teoría que concuerda con la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica y que, además, explica la naturaleza fundamental de la gravedad. Ojalá todo fuera tan sencillo. No lo es. Y es que para que las predicciones de la Teoría de Cuerdas no se vengan abajo, hay que presuponer que en el Universo existen 10 dimensiones. Casi nada.

¿Por qué 10 dimensiones?

Justo cuando parecíamos entender la Teoría de Cuerdas, vienen los físicos y nos dicen que el Universo tiene 10 dimensiones. Nos lo creeremos. Ahora bien, veamos de dónde salen. Ya de primeras, 4 de ellas las podemos entender perfectamente pues son con las que convivimos.

Nosotros, como seres humanos limitados por nuestros sentidos, somos capaces de percibir (y desplazarnos) por cuatro dimensiones: tres materiales y una temporal. Es decir, para nosotros, la realidad tiene anchura, altura y profundidad. Y, evidentemente, nos desplazamos no solo por la materia, sino hacia adelante en el tiempo. Por lo tanto, nuestras cuatro dimensiones son la anchura, la altura, la profundidad y el tiempo.

Hasta aquí, todo bien, ¿verdad? El problema es que para que la Teoría de Cuerdas funcione tenemos que presuponer la existencia de 6 dimensiones más. ¿Dónde están? Buena pregunta de nuevo. No vamos a entrar en este tema porque, básicamente, a no ser que nos graduáramos en Física Cuántica, no entenderíamos nada.

Basta con quedarnos con la idea de que, entre nuestras cuatro dimensiones, se podrían mezclar otras. No se ha entendido nada, vale. Esto significa que las distintas dimensiones están enrolladas las unas sobre las otras. Tampoco, de acuerdo.

Imaginemos a una persona andando por la cuerda floja. Para esa persona, ¿cuántas dimensiones existen en la cuerda? Una, ¿verdad? En ese espacio (la cuerda) solo puede desplazarse hacia delante o hacia atrás. Por lo tanto, para ese espectador, la cuerda es una sola dimensión.

Ahora bien, ¿qué pasa si ponemos a una hormiga en esa misma cuerda? ¿Podrá desplazarse solo hacia delante o hacia atrás? No. Ella podrá ir por toda la extensión de la cuerda, dando vueltas alrededor de la misma. Para la hormiga (el nuevo espectador), la cuerda tiene tres dimensiones, pues se puede desplazar por todas ellas.

Esta es un poco la idea de la Teoría de Cuerdas. Estamos muy limitados por la percepción de la realidad, por lo tanto, es posible que haya otras dimensiones por las que nuestros cuerpos puedan desplazarse, pero sí estas cuerdas. Nunca podremos confirmar ni desmentir la existencia de estas 6 dimensiones extra, por lo que esta teoría seguirá siendo eso: una teoría.

Ahora bien, si presuponemos la existencia de 10 dimensiones, entonces ya todo queda claro, ¿verdad? Hemos conseguido la Teoría del Todo. Malas noticias otra vez: no. Incluso con la existencia de estas 10 dimensiones, los físicos se dieron cuenta de que las distintas teorías de la Teoría de Cuerdas (sí, hay varias teorías distintas, pero esto ya daría para un libro) no encajaban exactamente entre ellas. ¿Qué hicieron, pues? Lo de siempre: crear una dimensión extra. Con 11 dimensiones, se conseguían unificar todas las teorías de cuerdas en una sola: la famosa Teoría M.

La Teoría M y el Multiverso

Con “M” de Misterio (no, pero le va bastante bien), la Teoría M es un paso más allá de la Teoría de Cuerdas. Y aunque parezca algo sin importancia añadir una dimensión más (qué importa 10 que 11 dimensiones), lo cierto es que esto hace que, en comparación, la Teoría de Cuerdas sea la cosa más sencilla del mundo.

Esta teoría, que nació en los años 90, está muy lejos de completarse. Tiene su origen en una unificación de las 5 teorías de Cuerdas, defendiendo que las cuerdas vibran en un tejido espacio-tiempo con 11 dimensiones.

A pesar de que todavía no se ha aceptado oficialmente, es la hipótesis científica que está más cerca de conseguir una Teoría del Todo, pues unifica no solo todas leyes universales, sino las distintas teorías de cuerdas.

Una vez sus problemas matemáticos se hayan resuelto, la Teoría M haría empíricamente posible la existencia del conocido como multiverso. Y es que, sin querer (ni poder) entrar demasiado en profundidad, dependiendo de cómo se enrollen entre sí las 11 dimensiones, la naturaleza del Universo será una u otra.

La teoría defiende que hay 10 elevado a 500 (un 10 seguido de 500 ceros, sencillamente inimaginable) de combinaciones diferentes. Y cada una podría dar lugar a un Universo en el que las cuerdas vibran de una forma única, por lo que sus leyes serían también únicas.

Teoría M
Hay innumerables formas de enrollar las dimensiones y cada una de ellas daría lugar a un Universo único.

Conclusiones

La Teoría de Cuerdas es el intento más ambicioso de la historia de la ciencia para tratar de explicar la naturaleza más primitiva del Universo. Imaginar lo que nos rodea como cuerdas en vibración permite a los físicos unificar todas las leyes en una. Y a pesar de tener que suponer la existencia de dimensiones extra y de que todavía no se haya confirmado (seguramente nunca se pueda), es lo más cerca que estamos de dar con una Teoría del Todo.

Referencias bibliográficas

  • Jofre, O., Núñez, C., Maldacena, J.M. (2019) “Teoría de Cuerdas en Métricas de Ondas Planas Exactas”. Anales AFA.
  • Maldacena, J.M. (2010) “Agujeros Negros, Cuerdas y Gravedad Cuántica”. Institute for Advanced Study.
  • Matsubara, K., Johansson, L.G. (2018) “Spacetime in String Theory: A Conceptual Clarification”. Journal for General Philosophy of Science.
Pol Bertran Prieto

Pol Bertran Prieto

Microbiólogo y divulgador

Pol Bertran (Barcelona, 1996) es Graduado en Microbiología por la Universidad Autónoma de Barcelona. Máster en Comunicación Especializada con mención en Comunicación Científica por la Universidad de Barcelona. Apasionado por la divulgación de la salud y la medicina y aficionado del deporte y el cine.