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Una breve historia de la teoría de cuerdas. 1.- Los primeros pasos.

En 1968, un joven físico teórico llamado Gabriele Veneziano se esforzaba por encontrar un sentido lógico para varias propiedades de la fuerza nuclear fuerte observadas experimentalmente. Veneziano, que entonces era un investigador del CERN, (…) había trabajado  durante varios años en distintos aspectos de este problema, hasta que un día tuvo una revelación impactante. Para su sorpresa, se dio cuenta de que una esotérica fórmula inventada dos siglos antes con fines meramente matemáticos por el renombrado matemático Leonhard Euler -la llamada función beta de Euler- parecía ajustarse de golpe a la descripción de numerosas propiedades de partículas que interaccionan fuertemente entre sí.

La observación de Veneziano proporcionó una poderosa envoltura matemática para muchas características de la fuerza nuclear fuerte y puso en marcha un intenso frenesí de investigaciones encaminadas hacia la utilización de la función beta de Euler, y diversas generalizaciones de ésta, para describir la inmensa cantidad de datos que se estaban recogiendo en varios aceleradores de partículas atómicas repartidos por todo el mundo.

Sin embargo, la observación de Veneziano era en un sentido incompleta. Como sucede cuando un estudiante utiliza fórmulas memorizadas sin entender su significado o su justificación, la función beta de Euler parecía funcionar, pero nadie sabía por qué. Era una fórmula en busca de su explicación. Eso cambió en 1970 cuando los trabajos de Yoichiro Nambu (nota: actual convocado al Novel de física), de la Universidad de Chicago, Holger Nielsen, del Niels Bohr Institute, y Leonard Susskind, de la Universidad de Stanford, revelaron los principios físicos, hasta entonces desconocidos, que se ocultaban detrás de la fórmula de Euler. Estos físicos demostraron que, si se construía un modelo de partículas elementales considerándolas como pequeñas cuerdas vibratorias unidimensionales, sus interacciones nucleares se podrían describir con toda exactitud mediante la función de Euler. Según su razonamiento, si los trozos de cuerda eran suficientemente pequeños, podrían seguir pareciendo partículas puntuales y, por consiguiente, podrían ser coherentes con las observaciones experimentales.

Aunque ésto proporcionaba una teoría intuitivamente sencilla y satisfactoria, no tardó mucho tiempo en llegar la demostración de que la descripción de la fuerza nuclear fuerte mediante cuerdas fallaba. A principios de la década de los 70, unos experimentos con altas energías capaces de comprobar el mundo subatómico más a fondo demostraron que el modelo de cuerdas realizaba cierto número de predicciones en contradicción directa con las observaciones. Al mismo tiempo, se estaba desarrollando la teoría cuántica de campos aplicada a las partículas puntuales, en el marco de la cromodinámica cuántica, y su abrumador éxito en la descripción de la fuerza nuclear fuerte hizo que se llegara al abandono de la teoría de cuerdas.

La mayoría de los físicos de partículas pensó que la teoría de cuerdas había quedado relegada al cubo de la basura de la ciencia, pero unos pocos investigadores se mantuvieron fieles a ella. Schwarz, por ejemplo, pensó que “la estructura matemática de la teoría de cuerdas era tan bella y tenía tantas propiedades milagrosas que tenía que apuntar hacia algo profundo.” Uno de los problemas que los físicos detectaron en la teoría de cuerdas era que parecía tener una auténtica profusión de riquezas desconcertantes. Esta teoría contenía configuraciones de cuerdas vibrantes que presentaban propiedades semejantes a las de los gluones, lo cual daba sentido a la afirmación previa de que se trataba de una teoría de la fuerza nuclear fuerte. Pero, además de ésto, contenía partículas adicionales que actuaban como mensajeras y no parecían tener ninguna importancia en las observaciones experimentales de la fuerza nuclear fuerte. En 1974, Schwarz y Joël Scherk, de la Escuela Normal Superior, dieron un intrépido salto adelante que transformó este vicio en aparente virtud. Después de estudiar las misteriosas pautas mensajeras de la vibración de cuerdas, constataron que sus propiedades encajaban perfectamente con las de la hipotética partícula mensajera de la fuerza gravitatoria: el gravitón.

Aunque estos “paquetes mínimos” de la fueza gravitatoria nunca han sido vistos hasta ahora, los teóricos pueden predecir, con toda confianza, ciertas características básicas que deben poseer, y Scherk y Schwarz descubrieron que estas propiedades se hacían realidad de una forma exacta en ciertos modelos vibratorios. Basándose en ésto, Scherk y Schwarz sugirieron que la teoría de cuerdas había fallado en aquel intento inicial por que los físicos habían reducido indebidamente su alcance. La teoría de cuerdas no es solamente una teoría de la fuerza nuclear fuerte, dijeron Scherk y Schwarz; es una teoría cuántica que incluye asimismo a la gravedad.

El conjunto de los físicos no recibió esta sugerencia con un gran entusiasmo. De hecho, Schwarz dice “nuestra obra fue ignorada a un nivel universal”. El camino del progreso ya estaba por entonces cubierto de numerosos intentos fallidos de unificar la gravedad y la mecánica cuántica, La teoría de cuerdas había demostrado estar equivocada en sus esfuerzos iniciales por describir la fuerza nuclear fuerte, y a muchos les parecía que no tenía sentido intentar utilizar esta teoría para perseguir un objetivo aun más amplio. Estudios posteriores llevados a cabo ente las décadas de los 70 y los 80 demostraron, de un modo todavía más desolador, que la teorá de cuerdas y la mecánica cuántica padecían sus propios conflictos sutiles. Resultó que, una vez más, la fuerza gravitatoria se resistía a incorporarse a la descripción microscópica del universo.

Así estuvieron las cosas hasta 1984. En una publicación decisiva que culminaba más de 12 años de intensa investigación largamente ignorada y a menudo rotundamente rechazada por la mayoría de los físicos, Green y Schwarz demostraron que el sutil conflicto cuántico que padecía la teoría de cuerdas se podía resolver. Además, también demostraron que la teoría resultante tenía capacidad suficiente para abarcar las cuatro fuerzas y todo tipo de materia. Cuando la notícia de este hallazgo se difundió entre los físicos a nivel mundial, cientos de físicos de partículas abandonaron sus proyectos de investigación para poner en marcha con todos sus recursos un asalto a lo que parecía ser el último campo de batalla teórico en la antígua búsqueda de un modo de comprender los mecanismos más profundos del universo.

Continuará…

Extracto del libro “El universo elegante”, de Brian Greene.

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