¿Es la teoría de cuerdas una teórica científica?
La teoría de cuerdas pretende proporcionar una descripción unificada de todas las partículas e interacciones fundamentales a partir de ciertas entidades microscópicas llamadas cuerdas y sus modos de vibración. Promete solucionar la aparente incompatibilidad de las dos teorías mejores teorías que tenemos hoy, la mecánica cuántica y la relatividad general.
De la teoría se desprende la existencia de un “paisaje” de un número casi infinito de universos. Esos otros universos presentarían características diferentes al nuestro: albergarían otro tipo de partículas elementales, se regirían por otras fuerzas fundamentales y, con gran probabilidad, en muy pocos de ellos habría observadores que se cuestionasen la estructura del cosmos. Ahora bien, si preguntamos a los teóricos de cuerdas cuándo podremos observar dichos universos, nos responderán que el asunto se muestra más que difícil.
Pero, ¿cómo es posible que haya físicos que, sin crítica alguna, renuncien a aplicar el criterio de falsabilidad exigido por Karl Popper a toda teoría física? ¿Cómo pueden tomar en serio conclusiones a las que sólo se llega mediante el formalismo matemático y no a través de la observación de la naturaleza? La respuesta reside, sobre todo, en el enorme potencial de la teoría. No existe hoy un día una teoría tan abarcatica y que aspire a convertirse en la teoría del todo, como la teoría se Cuerdas.
Hasta ahora, el modelo estándar de partículas ha resistido todas las exigencias impuestas por el principio de falsabilidad. Sin embargo, existen en dicho modelo numerosos parámetros libres, como las masas de las partículas elementales o la constante que rige la intensidad de la interacción electromagnética. El modelo estándar no dice nada sobre por qué su valor es el que observamos y no otro. Pero se cree que la teoría de cuerdas logrará, algún día, predecir dichas magnitudes; algo que, sin duda, cimentaría con gran solidez su estatus de teoría fundamental.
Sin embargo, cada vez se alzan más voces críticas. Desde luego, quien no renuncie al principio de falsabilidad de Popper nunca podrá comulgar con la teoría de cuerdas. En particular, la teoría predice la existencia de 6 dimensiones espaciales extra, por lo que el espaciotiempo tendría 10 dimensiones en vez de 4. Pero es muy posible que jamás lleguemos a observar dichas dimensiones. A ello hay que sumar los universos paralelos que surgen de la teoría. De hecho, la teoría de cuerdas no sólo admite la existencia de múltiples universos, sino que, además, parece exigirlos. Y esto ciertamente será aún más difícil de demostrar que las dimensiones extra. Es por ello que sus detractores tildan de metafísica a la teoría del multiverso.
Ante tal dilema, nos enfrentamos hoy a un cambio de paradigma que lleva sugiriéndose desde hace años: el referente a las exigencias que debe satisfacer cualquier teoría física. Ello implica cuestionar el principio de falsabilidad de Popper y recurrir a otros argumentos filosóficos, como el principio antrópico.
Hacia mediados de los años ochenta se confirmó que, en un espacio-tiempo de 10 dimensiones, resulta posible formular hasta 5 teorías de cuerdas diferentes, cada una de ellas con el mismo potencial para describir nuestro mundo. Semejante proliferación era todo menos deseable, ya que la candidata a una teoría unificada debía ser, además, única. Sin embargo, en los años siguientes se avistó una solución al problema: las 5 teorías de cuerdas podían interpretarse como límites matemáticos de una teoría única, a la que dio en llamarse “teoría M”.
Esta notable circunstancia dio alas a los físicos teóricos. ¿Podría la teoría de cuerdas hacer predicciones unívocas sobre nuestro universo a partir de un conjunto de ecuaciones fundamentales? ¿Sería posible calcular, a partir de ella, las constantes fundamentales de la naturaleza y describir el espectro de partículas elementales que conocemos?
Sin embargo, el resultado fue otro. A día de hoy, sólo estamos capacitados para describir nuestro mundo de 4 dimensiones si 6 de las dimensiones espaciales extra adoptan una configuración compacta (finita) y muy pequeña. En cada punto del espaciotiempo de 4 dimensiones que conocemos, “cuelga” un espacio de 6 dimensiones espaciales compactas y diminutas. Si bien éstas han de ser lo bastante pequeñas como para explicar que no podamos observarlas ni acceder a ellas, su efecto sobre la física en 4 dimensiones es considerable: en función del tipo de compactación, o “compactificación” (según la geometría que exhiba ese espacio de 6 dimensiones) el universo emergente de 4 dimensiones posee más o menos partículas elementales y se rige por unas interacciones fundamentales u otras.
Resulta entonces que existe un número exorbitante de espacios compactados que aparecen como soluciones de la teoría de cuerdas. Unas mismas ecuaciones permiten un número enorme de universos posibles, cada uno con diferentes propiedades. Pero ninguna de esas soluciones se destaca sobre el resto; ninguna nos da motivo alguno para preferirla frente a las demás. Carecemos de un principio de selección. No podemos argumentar por qué justo nuestro universo (una solución entre otras muchas) debería ser real y el resto no. ¿Existe entonces más de un universo?
El conjunto de todas las soluciones posibles de las ecuaciones de la teoría constituye lo que los físicos han bautizado como “paisaje”. Semejante paisaje teórico resulta, desde luego, un espacio extremadamente abstracto. Su nombre obedece a que, en una escala de energías adecuada, resulta posible imaginar ese espacio como una colección de montañas, colinas, valles y depresiones.
Las depresiones corresponderían a universos con una energía del vacío muy pequeña, y las cumbres, a universos con una alta energía. Nuestro universo se hallaría en una depresión, es decir, un estado fundamental con una energía del vacío muy baja.
La sorpresa fue aún mayor cuando se descubtió que la teoría de cuerdas no sólo permite la existencia de unos pocos valles y colinas, sino la de un número casi infinito de ellos (entre 1E100 y 1E1000)
Por si fuera poco, el paisaje de la teoría de cuerdas se halla sujeto a un constante cambio. Las ecuaciones que describen que los universos pueden, a través de diferentes procesos hacer transiciones espontáneas, es decir, ganar energía potencial y elevarse desde un valle hacia una colina. Una vez que se encuentran en una cumbre, su tendencia natural es caer hacia un valle o, lo que es lo mismo, a un estado de menor energía (al igual que en la física clásica, los estados con una baja energía potencial son más probables que aquellos con una energía alta).
Durante una transición entre dos niveles energéticos, el propio universo sufre transformaciones que, bajo determinadas circunstancias, son tan radicales que se podría hablar del nacimiento de un nuevo universo. Es probable que la gran explosión que dio origen a de nuestro universo no fuese más que su transición desde un estado energético superior hacia un valle energético.
Parece que debemos concluir que la búsqueda de una “teoría del todo” que describa un universo único y que haga predicciones sobre todos los experimentos futuros ha sido demasiado ingenua. La misma idea de un multiverso, que implica un gran número de constantes e incluso leyes de la naturaleza, despoja a la física de una gran parte de su capacidad predictiva. Diríase que la teoría de cuerdas predice todo y, como corolario de ello, nada al mismo tiempo.
Es más. Dentro del paisaje de la teoría de cuerdas, resulta harto complicado rastrear qué solución representa nuestro propio universo; es decir, cuál describe nuestro espectro de partículas elementales y sus interacciones fundamentales. Y, aunque desde hace poco se han multiplicado las señales que indican que la tarea de encontrar nuestra particular aguja en semejante pajar podría tener éxito, los físicos han de preguntarse si es lícito hablar de “ciencia” cuando una teoría no hace predicciones unívocas, ni contrastables, ni falsables.
Dicha pregunta suscitó hace algunos años un verdadero debate. Los ataques más feroces a la teoría de cuerdas se lanzan contra sus afirmaciones indemostrables acerca de un número indeterminado de universos, así como contra su incapacidad para explicar por qué las constantes y las interacciones de la naturaleza son tal y como las conocemos. A este respecto, la comunidad científica se ha dividido en tres corrientes de opinión.
Una de ellas rechaza por principio la idea del multiverso. Sus partidarios creen en un único universo real que debe quedar descrito por una única teoría. David Gross, premio Nobel y descubridor de 2 de las 5 teorías de cuerdas en 10 dimensiones, dijo una vez: “¿La idea del paisaje? ¡La odio! ¡Nunca os rindáis ante ella!”.
Otro grupo de físicos acepta que existan varias posibilidades para describir un universo, pero considera dichas reflexiones un mero divertimento matemático. Sus defensores buscan un principio de selección que privilegie a nuestro universo frente a las restantes soluciones de la teoría de cuerdas. Suponen, o al menos esperan que, algún día, la teoría será capaz de explicar por qué nuestro universo es tal y como lo observamos.
Por último, existe un tercer grupo que acepta la idea de una multitud de universos como algo que en realidad existe. Fundamentan su postura en el principio antrópico. Dicho principio fue introducido por Brandon Carter en cosmología para explicar por qué surgió vida inteligente en el universo, si bien tal acontecimiento parece del todo improbable. Afirma que el universo en el que vivimos ha de ser el adecuado para el desarrollo de vida inteligente porque, de otro modo, no existiríamos para observarlo. Una variante de este principio asegura que pueden existir multitud de universos, y que no deberíamos asombrarnos de vivir justo en el nuestro, ya que es éste el que proporciona las condiciones para la existencia de vida inteligente.
Numerosos físicos rechazan el principio antrópico. Según ellos, no posee capacidad predictiva alguna, ya que de él no puede deducirse ningún valor para magnitudes físicas concretas ni explica ninguna característica de la naturaleza. Opinan que los teóricos de cuerdas no deberían hacer un mal uso del principio antrópico para justificar sus innumerables soluciones. Más bien, deberían intentar obtener una única solución, un único universo que se parezca al nuestro.
Dieter Lüst, autor de esta publicación sostiene que el principio antrópico representa algo más que una argucia filosófica o una excusa. De hecho, en el ámbito de la teoría de cuerdas, soluciona dos viejos problemas de la física: por qué las leyes físicas son las que observamos y por qué las constantes de la naturaleza parecen estar ajustadas con tanta exactitud para permitir la existencia de vida tal y como la conocemos. En ambos casos, el principio antrópico se apoya en la ley de los grandes números: en una muestra lo bastante grande tomada al azar, todo evento posible ha debido ocurrir en algún lugar. Así, todas las posibles leyes de la naturaleza han cobrado forma en sus respectivos universos; sin embargo, los observadores sólo existen en un universo favorable a la vida.
En lo que respecta a las constantes de la naturaleza, tal razonamiento resulta especialmente poderoso. En un multiverso, el principio antrópico logra explicar el excepcional ajuste fino del que hace gala nuestro universo; es decir, el aparente “milagro” que permite nuestra existencia, a pesar de que una mínima variación de las constantes de la naturaleza habría impedido la aparición de vida. El gran número de combinaciones posibles en el multiverso también debió haber engendrado nuestra diminuta “ventana de constantes”; así pues, no tendríamos que sorprendernos de estar observándola ahora mismo.
Además, nuestra ventana de constantes se torna estadísticamente necesaria. Ello aumenta el valor científico del razonamiento antrópico, ya que libera a nuestro cosmos de la mácula de ser un fenómeno curioso, ajustado al milímetro por la razón que sea.
A pesar de todo, argumentar con ayuda del principio antrópico resulta insatisfactorio pues supone aceptar el paso atrás de una teoría que, quizás, hubiera podido proporcionar explicaciones y predicciones claras sobre el mundo. Pero esto no tiene por qué ser siempre así, máxime si convenimos en que toda teoría requiere una confirmación, aunque sea parcial. Para escapar del dilema de los múltiples tipos de compactación, desde hace poco los expertos persiguen una nueva estrategia que se ofrece prometedora: se consideran diferentes categorías de compactación a 4 dimensiones con el fin de averiguar si poseen “buenas” propiedades físicas.
En particular, se estudian qué clases de compactación contienen el modelo estándar o implican la inflación cósmica (la fase de expansión exponencial que, según todos los indicios, sufrió nuestro universo poco después de la gran explosión). En segundo lugar, se investiga si dichas compactaciones poseen propiedades comunes que permitan derivar de ellas nuevas predicciones verificables empíricamente.
Dichas cuestiones parecen estar al alcance de ciertas clases de compactación muy estudiadas en el último decenio, los “modelos de intersección de branas”. En dichos modelos, la interacción gravitatoria se describe a partir de los estados de vibración de cuerdas cerradas (aquellas cuyos extremos se hallan unidos), mientras que el resto de las interacciones, como la electromagnética, proceden de los modos de vibración de cuerdas abiertas. Los extremos de las cuerdas abiertas se encuentran “pegados” a branas (planos multidimensionales en el espaciotiempo de 10 dimensiones) que se intersecan en el espacio compacto de las 6 dimensiones extra.
Los modelos de intersección de branas se muestran muy apropiados para reproducir el modelo estándar de partículas elementales. En particular, permiten asombrosas predicciones sobre los futuros experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Para poder observar dichas predicciones dentro de la escala de energías a la que operará el LHC, un requisito fundamental es que el espacio compacto sea relativamente grande. Tales escenarios con dimensiones extra de gran tamaño (del orden 10E-3 milímetros) han sido estudiados por Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Georgi Dvali. De ser el caso, al menos esta clase de modelos de cuerdas sí sería falsable y verificable en un experimento. Por otra parte, tales modelos guardan una estrecha relación con la posibilidad de generar agujeros negros microscópicos en el LHC, algo que abre más oportunidades para su contrastación empírica.
Hemos de reconocer que, a día de hoy, la posibilidad de observar efectos de teoría de cuerdas en el LHC es especulativa, ya que se basa en algunas suposiciones optimistas, como la relativa a la existencia de dimensiones extra de gran tamaño. No existe ninguna razón para que deba ser así. Sin embargo, quizás en el futuro las observaciones cosmológicas también verifiquen aspectos de la teoría, dado que la estructura del espacio compacto podría acarrear consecuencias medibles sobre la radiación del fondo cósmico de microondas. Además, los nuevos descubrimientos sobte la materia y energía oscuras o las ondas gravitacionales prometen más opciones de someter a la teoría de cuerdas a verificaciones experimentales.
A la vista de que algunas afirmaciones de la teoría sí son contrastables, y dado el valor científico del principio antrópico a la hora de explicar el valor de las constantes de la naturaleza, el autor se halla convencido de que la física teórica actual sigue constituyendo una ciencia exacta de la naturaleza. La teoría se hace preguntas físicas, busca su respuesta y no ha perdido de ninguna manera su contacto con el experimento, lo que implica su falsabilidad en un amplio dominio. Además, posee una competidora en la teoría conocida como “gravedad cuántica de bucles, frente a la cual debe aún demostrar sus ventajas.
Sin embargo, quien acepte la teoría del multiverso no logrará apartar la idea de que la misma devuelve un papel protagonista al hombre después de que Copérnico y Darwin se lo arrebataran. Pues, según esta teoría, el hombre no es sólo el afortunado retoño de un universo por lo demás casi despoblado, sino que representa, tal vez, un caso excepcional y extremadamente improbable de un observador inteligente en medio de un paisaje de universos. Ello hace del fenómeno de la vida algo aún más preciado de lo que ya es de por sí.