¿Qué es la Teoría M? Definición y principios

Año 1968. Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen y Yoichiro Nambu, tres físicos teóricos, marcan, quizás sin saberlo, un punto de inflexión en la historia no solo de la física, sino de la ciencia general. Establecen los principios de la famosa Teoría de Cuerdas.

La Teoría de Cuerdas nace por la necesidad de unificar dos mundos, el de la relatividad general y el de la mecánica cuántica, que, hasta ese momento, parecían totalmente inconexos. La mecánica cuántica era capaz de explicar el origen cuántico de la gravedad. Y esta Teoría de Cuerdas era capaz de hacerlo.

Reducir la naturaleza elemental del Universo a cuerdas unidimensionales que vibran en un espacio-tiempo de 10 dimensiones era no solo elegante, sino que permitía asentar las bases de la tan ansiada unificación de las leyes del Cosmos: la Teoría del Todo.

El problema es que, cuando se avanzó en esta teoría, nos dimos cuenta de que lo que creíamos que era una sola teoría, eran en realidad cinco marcos teóricos diferentes. Y en este contexto, nació, en 1995, la teoría más asombrosa de la historia y, seguramente, la más complicada de entender. La Teoría M. Prepárate para que te estalle la cabeza, porque hoy te vamos a explicar los fundamentos de la hipótesis que quiere unificar las cinco teorías de cuerdas en una sola.

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¿Por qué nace la Teoría de Cuerdas?

Antes de entrar a analizar la fascinante Teoría M, debemos poner un poco de contexto. Y para ello, primero debemos entender qué es la Teoría de Cuerdas y por qué fue necesaria su formulación a finales de los años 60.

Como bien sabemos, las fuerzas fundamentales del Universo son cuatro: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la gravedad. La relatividad general de Einstein nos permite predecir a la perfección la naturaleza de dichas fuerzas a nivel macroscópico y hasta el atómico. Todas las fuerzas del Universo, siempre que no acudamos al nivel subatómico, se explican por las predicciones de la relatividad especial.

Pero, ¿qué pasa cuando viajamos al nivel subatómico? Básicamente, que todo se desmorona. Al entrar al mundo cuántico, nos desplazamos a un nuevo mundo que no sigue las leyes físicas que conocemos. Un mundo que juega con sus propias reglas. Y entender estas reglas ha sido y es una de las mayores ambiciones de la Física.

En este contexto, la física cuántica teorizó la existencia de unas partículas subatómicas elementales que, en principio, explican la naturaleza cuántica de las fuerzas fundamentales del Universo. Y decimos “en principio” porque el modelo estándar de partículas subatómicas las explica casi todas. Pero hay una que falla: la gravedad.

Hemos encontrado las partículas subatómicas responsables del electromagnetismo, de la fuerza nuclear débil y de la fuerza nuclear fuerte, pero no hay ni rastro de la partícula responsable de la gravedad. En otras palabras, no podemos explicar la naturaleza cuántica de la gravedad. Y si una de las cuatro fuerzas fundamentales no puede explicarse a través del modelo de partículas subatómicas, es porque seguramente estábamos equivocados. Había que empezar de cero.

Y esto es precisamente lo que hicieron Leonard Susskind, Holger Bech Nielsen y Yoichiro Nambu, los tres físicos teóricos que, entre 1958 y 1969, establecieron los fundamentos de la Teoría de Cuerdas, una de las hipótesis que nos hace estar más cerca de la Teoría del Todo. En cuanto se resuelvan sus problemas y podamos explicar la naturaleza cuántica de la gravedad a través de estas cuerdas, habremos unificado el mundo de la relatividad general con el de la mecánica cuántica. Por esta razón nace la Teoría de Cuerdas. Para entender la naturaleza elemental de la gravedad.

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La Primera Revolución de las Cuerdas: las 5 teorías

A finales de los años 60 y con la formulación de la Teoría de Cuerdas, empieza una auténtica revolución en el mundo de la física. Tanto es así que recibió su propio nombre: la Primera Revolución de las Cuerdas. No se trabajaron demasiado el nombre, no. Pero, ¿qué nos dice exactamente esta teoría?

Tenemos un artículo en el que contamos en profundidad los principios de la Teoría de Cuerdas. Te animamos a leerlo si quieres conocer más detalles porque en el artículo de hoy queremos profundizar en la Teoría M, así que solo explicaremos las cosas más fundamentales.

La Teoría de Cuerdas es una hipótesis que defiende la idea de que la naturaleza más elemental del Universo no serían las partículas subatómicas del modelo estándar, sino que habría un nivel de organización inferior al subatómico: las cuerdas.

Pero, ¿qué son estas cuerdas? La teoría postula que las cuerdas serían hilos unidimensionales que vibran en el espacio-tiempo y que en función de su modo de vibrar, dan lugar a las partículas subatómicas. Es decir, el origen fundamental de las fuerzas del Universo se encuentra en el modo de vibrar de estos hilos de una sola dimensión.

Los cálculos matemáticos de la teoría permiten la existencia tanto de cuerdas abiertas (hilos extendidos) como de cuerdas cerradas (anillos). Las cuerdas abiertas permiten explicar la naturaleza cuántica del electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Pero, y aquí viene lo increíble, las cuerdas cerradas permiten hacer encajar, por primera vez, la gravedad dentro del mundo cuántico. La atracción gravitatoria estaría debida a anillos de cuerdas emitidos por los cuerpos con masa y que los entrelazan en el espacio.

Pues todo fantástico, ¿no? Bastante simple. “Simple”. Sí, pero hay una cosa a tener en cuenta. Y es que para que los cálculos matemáticos de la teoría funcionen, hay que presuponer que en el Universo existen 10 dimensiones. Las cuatro que conocemos (tres espaciales y una temporal) y otras seis extras que no podemos percibir pero por las que las cuerdas, en teoría, podrían desplazarse. ¿Te estalla la cabeza? Pues no te quejes porque cuando se formuló la teoría, era necesario presuponer la existencia de 26 dimensiones. Nos lo han reducido a 10. Somos unos afortunados.

Pero una vez aceptamos la existencia de diez dimensiones, ¿todo funciona? Ojalá. Pero no. Hay un pequeño problema. Y es que te hemos mentido. La Teoría de Cuerdas no es una teoría. Son, en realidad, cinco teorías.

Es decir, dentro del mundo de las supercuerdas (se llaman así tras la reducción de las 26 dimensiones a las 10), hay cinco marcos teóricos. Cinco modelos totalmente (bueno, tampoco totalmente, pero sí bastante distintos) diferentes que explican el funcionamiento de las cuerdas.

En este sentido, la Teoría de Cuerdas está formada por cinco teorías: TIPO I, TIPO IIA, TIPO IIB, Heterótica SO (32) y Heterótica E8E8. Por el nombre no te preocupes, porque su explicación es meramente histórica. Y si quieres entender las diferencias entre ellas, tampoco te preocupes. A no ser que seamos físicos teóricos, no vamos a entender nada. Simplemente quédate con que en cada una de ellas, las cuerdas se comportan de forma diferente e interaccionan de forma única entre ellas.

Teníamos, por lo tanto, cinco caras de la misma moneda. Pero, ¿significaba esto que solo había una correcta y había que desechar cuatro? No, pobres. Cada una de las cinco era perfectamente válida dentro de su modelo. Por lo tanto, los esfuerzos por encontrar la Teoría de Cuerdas “buena” eran inútiles. Y en este contexto, cuando Edward Witten, físico matemático estadounidense, dio una conferencia en 1995 hablando sobre una nueva teoría que unificaba a estas cinco teorías de cuerdas, el mundo de la ciencia cambió para siempre. Había nacido la Teoría M.

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La Segunda Revolución de las Cuerdas: la Teoría M

Después de que en 1968 se asentaran las bases de la (las) Teoría de Cuerdas, en 1995, Edward Witten, marcó la segunda revolución creando la Teoría M. Estaba consiguiendo algo increíble e impensable por aquel entonces: unificar las cinco teorías de cuerdas aparentemente inconexas en una sola.

Y antes de empezar a describir los fundamentos de la Teoría M, dejemos algo claro: en comparación, la Teoría de Cuerdas es algo del temario de preescolar. Sí. Como lo oyes. En comparación con la Teoría M, la Teoría de Cuerdas es la cosa más sencilla del mundo. Y si una teoría que nos obliga a pensar en cuerdas unidimensionales que vibran en un espacio-tiempo de diez dimensiones es cosa de niños, imagina cómo de complicada es la Teoría M.

Según Witten, el nombre de “M” está sujeto a interpretación personal. Hay quienes creen que la “M” viene de misterio, madre o magia. Yo, personalmente, creo que viene de Mordor. Pero consideraciones personales a parte, ¿por qué nace esta teoría?

Los físicos querían una teoría de cuerdas inevitable. ¿Qué significa esto? Querían una teoría de cuerdas de la que surgiera, sin buscarlo, la explicación a todas las otras leyes del Universo. Es decir, queríamos ser capaces de, desde dentro de las matemáticas de la teoría, predecir sucesos que conocemos. Cuando no podemos evitar que una teoría se cumpla (de ahí que sea inevitable), es que vamos por buen camino.

Y con la Teoría de Cuerdas (las Teorías de Cuerdas) íbamos realmente por muy buen camino, pero en los años 90 simplemente nos estancamos. Llegamos a un panorama en el que había cinco hermanos que no se llevaban bien. Cinco Teorías de Cuerdas que siempre discutían y, como todas tenían razón desde su perspectiva, era imposible encontrar la tan ansiada Teoría del Todo. Queríamos una teoría unificadora. Si había cinco teorías unificadoras, no estábamos unificando nada.

Y a pesar de que las teorías heteróticas eran las más queridas, las otras tres también funcionaban dentro de su marco teórico. Es decir, aunque dos de ellas eran las más prometedoras, no podíamos rechazar a las demás.

En lugar de quedarnos con una sola, teníamos que conseguir que las cinco hermanas dejaran de discutir. Teníamos que unificarlas todas en una sola teoría, algo que parecía imposible hasta que apareció la Teoría M. Y ahora sí que prepárate para que te estalle la cabeza.

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Branas, supercuerdas y multiverso: ¿qué nos dice la Teoría M?

Antes de empezar y a modo de excusa adelantada, nos gustaría poner una cita de Richard Feynman, uno de los fundadores de la física cuántica. “Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no entiendes la mecánica cuántica”. Habiendo dejado claro esto, podemos empezar. Habrá cosas que no entenderás. Nadie las entiende. No pasa nada.

La Teoría M es una hipótesis que unifica las cinco teorías de cuerdas en un solo marco teórico postulando la existencia de 11 dimensiones en el Universo dentro de las cuales unas hipersuperficies de entre 0 y 9 dimensiones conocidas como branas sirven como punto de anclaje para las cuerdas unidimensionales abiertas o cerradas.

¿Se ha entendido algo? No mientas. Es imposible. Pero vayamos paso a paso. Cuando estudiamos la Teoría de Cuerdas de TIPO IIA, de los modelos matemáticos se desprende la idea de que puede emerger una nueva dimensión en el espacio-tiempo. Es decir, en lugar de diez dimensiones, es matemática (de acuerdo al modelo) y físicamente posible que en el Universo haya 11 dimensiones.

“¿Y qué más da una más?” Ya. Puede parecer que ya puestos a tener 10 dimensiones, no pasa nada por tener 11. Error. Sí que pasa. Lo cambia absolutamente todo. Cuando las cuerdas se encuentran en régimen de complemento fuerte (interactúan muy fuertemente entre ellas), en el espacio-tiempo emerge la undécima dimensión.

Pero, ¿por qué lo cambia todo? Porque en la undécima dimensión, las cuerdas dejan de ser cuerdas. Lo que son cuerdas en la dimensión número 10, pasan a ser membranas en la dimensión número 11. Para entenderlo (“entenderlo”), cuando añadimos una dimensión más, las cuerdas de tipo IIA dejan de ser hilos unidimensionales y pasan a ser membranas bidimensionales (hemos añadido una) que viven enrolladas en estas dimensiones.

Por lo tanto, la Teoría M no es una teoría de cuerdas. Es una teoría de membranas. Bueno, no, realmente también hay cuerdas. Pero poco a poco. Estas membranas que emergen “por arte de magia” de la propia teoría cuando añadimos una dimensión reciben el nombre de branas.

Y las membranas bidimensionales (de dos dimensiones) que emergen de la teoría de cuerdas IIA se conocen como M-2 branas. Y estas membranas de dos dimensiones, que significa que tienen longitud y anchura pero son infinitamente delgadas (porque no hay la tercera dimensión de altura), pueden existir perfectamente en esta hipotético marco teórico de 11 dimensiones.

Pero, ¿solo hay branas de dos dimensiones? Hombre, las dos dimensiones están bien porque las podemos imaginar (aunque sea un poco), pero no. La Teoría M permite la existencia de branas en cualquiera de las 9 dimensiones espaciales (luego habría una extra que es la temporal pero no cuenta). Y estas branas son lo que se conoce como hipersuperficies.

Recapitulemos. La Teoría M nos dice que no solo habría cuerdas de una dimensión, sino unas membranas (o hipersuperficies) que pueden tener todas las dimensiones posible desde el 0 hasta el 9. Es decir, desde la dimensión espacial 0 (un punto) hasta la dimensión espacial 9 (nueve dimensiones enrolladas entre ellas).

Hablamos, pues, de las D-branas (y la D puede ser un número desde el 0 hasta el 9), que serían unas hipersuperficies en el espacio-tiempo. Pero, ¿qué tiene que ver esto con las cuerdas? Pues todo. Y es que estas membranas serían el lugar donde las cuerdas unidimensionales se anclan.

Es decir, la Teoría M nos dice que estas branas que emergen de forma natural al sumar una dimensión al modelo serían superficies de anclaje para las cuerdas. Los extremos de las cuerdas abiertas (hilos extendidos) viajarían a la velocidad de la luz, sí, pero siempre anclados fijamente en estas membranas. Los dos extremos pueden estar en una misma brana o un extremo en una brana y el otro extremo en la brana paralela.

Pero lo verdaderamente importante es no solo que este anclaje de las cuerdas en las branas haga posible entender la naturaleza de las partículas subatómicas elementales, sino que explica también el origen cuántico de la gravedad.

Y es que puede suceder que los extremos de una cuerda abierta se unan y que la cuerda cerrada resultante, al no poder seguir anclada en la hipersuperficie, abandone la brana. Y esto refuerza la idea de que la atracción gravitatoria se debe al “viaje” de anillos de cuerdas.

Si tomamos como punto de partida una D3-brana (de tres dimensiones espaciales, como el Universo que nosotros podemos percibir), “veríamos” a los anillos de cuerdas como entes que abandonan nuestro Universo. Tendríamos lo que en física cuántica se conoce como gravitón, que es la hipotética partícula subatómica que explicaría la naturaleza cuántica de la gravedad.

Esta salida de cuerdas cerradas de las branas permitiría explicar por qué la gravedad es una fuerza tan débil. Y es que marchar de las brana haría que su interacción se diluyera en las dimensiones transversales. Es decir, más allá de la brana de tres dimensiones donde se encontraba. En otras palabras, la gravedad sería el resultado de la energía residual que dejan las cuerdas al abandonar la brana. Y como se diluye en el espacio-tiempo, la atracción gravitatoria es la más débil de todas. Las otras tres (electromagnetismo y las dos nucleares) se deberían a cuerdas ancladas, por lo que serían más fuertes.

Pero, ¿cómo unifica las cinco teorías de cuerdas? Pues porque en cada una de ellas, al añadir una dimensión, es matemáticamente posible la existencia de unas branas de dimensiones concretas. Al unirlas todas, podemos disponer de branas que van desde la dimensión 0 hasta la 9. Es decir, al unificar los cinco marcos teóricos, tenemos las 9 hipersuperficies que necesitamos para los cimientos de la Teoría M.

¿Todavía no te ha estallado la cabeza? Bien. Porque ahora vamos a hablar de una última cosa. Y es que una vez sus problemas matemáticos se hayan resulto, esta teoría haría empíricamente posible la existencia del conocido como multiverso. Sí, podría haber más Universos a parte del nuestro.

La existencia de estas hipersuperficies o branas haría que hubiera 10 elevado a 500 (sí, un 10 seguido de 500 ceros) combinaciones diferentes de dichas branas (digamos que hay todas estas formas posibles en las que se enrollen las 9 dimensiones). Y cada una de ellas podría dar lugar a un Universo en el que las cuerdas están ancladas a unas membranas únicas. Por lo tanto, en cada combinación, las cuerdas vibrarían de una forma determinada, por lo que las leyes del Cosmos en cuestión serían también únicas.

Por lo tanto, en este “hiperespacio” de branas podrían haber tantos Universos como combinaciones de hipersuperficies sean posibles, lo que abriría, evidentemente, la puerta a Universos paralelos que, pese a estar ahí, entre las cuerdas, no podríamos nunca percibir.

En resumen, la Teoría M es una de las teorías más ambiciosas de la humanidad y que, a través de esta unificación de las cinco teorías de cuerdas, es lo más cerca que nos encontramos de dar con una Teoría del Todo. Lo más cerca que estamos de entender la naturaleza fundamental de todo está en la Teoría M, una hipótesis absolutamente fascinante y que nos demuestra hasta dónde es capaz de llegar el ser humano para comprender lo que le rodea.

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