«El día oficial del nacimiento de la teoría de cuerdas es el 01 de septiembre de 1968». Así empezó mi charla «50 años de la teoría de cuerdas” en Desgranando Ciencia 2018. La puedes disfrutar en diferido gracias a un vídeo de YouTube. Como siempre permíteme una transcripción de la charla. En directo acorté un poco el texto para intentar hablar lo más despacio posible y reducir al máximo la jerga técnica, para facilitar la traducción al lenguaje de signos (gracias, Rocío, intérprete de la Asociación Lapislázuli @lapislazuli_org).

Mi charla empieza en el momento 01:08:45 (presentación de ÓskarHR, @scariosHR), justo después de la charla de Laura Morán, @veneciana1981, y finaliza 01:18:55. ¡Qué la disfrutes! Y del resto del evento.

Recomiendo en este blog leer «Reseña: “Cuerdas y supercuerdas” de José Edelstein y Gastón Giribet», 21 Ene 2017; «Reseña: “A Brief History of String Theory” por Dean Rickles», LCMF, 14 Jul 2015; «Reseña: “The Birth of String Theory” editado por Andrea Cappelli et al.», LCMF, 21 julio, 2015; «Reseña: “The Little Book of String Theory” por Steven S. Gubser», LCMF, 30 junio, 2015; «Reseña: “The Complete Idiot’s Guide to String Theory” por George Musser», LCMF, 23 Jun 2015; «Reseña: “String Theory for Dummies” por Andrew Zimmerman Jones», LCMF, 07 Jul 2015; entre muchos otros.

El físico italiano Gabriele Veneziano publicó una fórmula matemática para dominarlas a todas… a todas las partículas regidas por la interacción nuclear fuerte… las partículas llamadas hadrones… tanto bariones como el protón y el neutrón, como mesones como el pión y el kaón.

La teoría de cuerdas nació para explicar los resultados experimentales en la física de los hadrones. En la década de 1960 se descubrieron tantos nuevos hadrones que en lugar de partículas se hablaba de resonancias, como si fueran vibraciones de objetos más fundamentales. Para entenderlos era necesaria una nueva ley física universal.

En 1959 Tullio Regge observó que el cuadrado de la masa de las resonancias dependía de forma lineal de su momento angular de espín. La interacción entre dos hadrones no era debida al intercambio de una única partícula mediadora, sino a una torre de infinitas resonancias a lo largo de una trayectoria de Regge.

En 1967 este fenómeno se llamó dualidad DHS [siglas de los físicos Dolen, Horn y Schmid]. El término «dualidad» significa que hay dos descripciones diferentes de la misma física. Gabriele Veneziano en 1968 obtuvo el primer modelo dual, una teoría que explicaba la dualidad DHS. Miguel Virasoro encontró un segundo modelo dual.

De forma independiente, Leonard Susskind, Yoichiro Nambu y Holger Nielsen encontraron en 1970 que el modelo dual de Veneziano describía la interacción entre parejas de cuerdas abiertas y el modelo dual de Virasoro entre parejas de cuerdas cerradas. El misterioso objeto fundamental que vibraba dando lugar a las resonancias en los modelos duales eran cuerdas.

En la física de partículas, las partículas puntuales se mueven en trayectorias rectas e  interaccionan al cruzarse en un vértice. En la física de las cuerdas, éstas se mueven en una especie de «banda elástica», un espacio-tiempo «auxiliar» de solo dos dimensiones llamado hoja del mundo;  [las interacciones se representaban mediante agujeros en esta banda elástica]. Para las cuerdas cerradas la banda elástica forma «tubos» que se unen y separan al interaccionar.

La teoría de cuerdas solo describía los mesones, faltaban los bariones. Este problema fue resuelto en 1971 por Pierre Ramond, y por André Neveu y John Schwarz gracias a la supersimetría, una nueva simetría que asocia a cada mesón un barión y viceversa, dando lugar a las llamadas supercuerdas. Las vibraciones de las supercuerdas describen partículas con espín semientero y con espín entero.

Las teoría de supercuerdas para los hadrones era como matar moscas a cañonazos. Las supercuerdas vivían en un espacio-tiempo de 10 dimensiones; el vacío de la teoría era inestable y contenía taquiones; y muchos otros problemas. Por todos ellos la teoría de cuerdas estuvo a punto de morir en 1973, cuando nació el modelo estándar de la física de partículas.

Hoy sabemos que los hadrones están hechos de quarks, parejas de quarks para los mesones y tríos de quarks para los bariones, unidos todos ellos por gluones, partículas parecidas al fotón, pero con la llamada hipercarga de color. La teoría de cuerdas fue abandonada como modelo de la interacción nuclear fuerte en favor de la cromodinámica cuántica.

Pero una bella teoría nunca debe morir… La teoría de supercuerdas predecía partículas sin masa, asociadas a fuerzas de largo alcance, aunque la interacción nuclear fuerte es de muy corto alcance… Partículas sin masa de espín un medio (1/2), similares al electrón, los neutrinos y los quarks, de espín uno (1), como el fotón y el gluón, y de espín dos (2), como el gravitón, la hipotética partícula asociada a la gravedad.

Este gran problema de la teoría de supercuerdas se transformó en su gran virtud. En 1973 Tamiaki Yoneya, y en 1974  Joël Scherk y John Schwarz, propusieron que la supercuerdas describían la física del universo a una energía tan alta, que la masa de las partículas que conocemos era despreciable. Así nació la teoría de supercuerdas como candidata a teoría de todo. Una teoría cuántica de la gravedad, que explica la naturaleza cuántica del espaciotiempo, y una teoría cuántica de todas las partículas, que explica el modelo estándar.

La teoría de supercuerdas no describe la gravedad de Einstein, sino una versión con supersimetría llamada supergravedad en diez dimensiones. El modelo estándar es una teoría quiral, que diferencia entre izquierda y derecha, debido a la física de los neutrinos. La quiralidad introduce anomalías en la supergravedad.

Gracias a un trabajo en 1983 del físico español Luis Álvarez-Gaumé con el famoso físico Edward Witten, en 1984 John Schwarz y Michael Green descubrieron cómo cancelar todas las anomalías de las teorías de supercuerdas. Así se descubrió que solo existían cinco (5) teorías de supercuerdas libres de anomalías, llamadas tipo I, tipo IIA, tipo IIB, heterótica SO(32) y heterótica E₈×E₈.

Este descubrimiento se llamó “primera revolución” de la teoría de cuerdas. Las supercuerdas viven en 10 dimensiones, pero nuestro universo tiene 4 dimensiones observables. Hay que “compactificar» 6 de las 9 dimensiones espaciales «enrollándolas» en un tamaño muy  pequeño no observable. Para ello se usan las soluciones de las ecuaciones de Einstein en el vacío compatibles con la supersimetría, llamadas variedades de Calabi-Yau.

Un candidato a teoría de todo debe ser único. Las cinco teorías de supercuerdas contienen otros objetos fundamentales, como las D-branas, los espacios donde viven los extremos de las supercuerdas abiertas. Gracias a estos otros objetos se desveló una extensa red de dualidades que relacionan las cinco teorías de cuerdas y la supergravedad en 11 dimensiones.

La «segunda revolución” de las cuerdas llegó en 1995. Cuando el famoso físico Edward Witten observó que parecía existir una teoría única, que llamó teoría M, que observada desde diferentes puntos de vista aparecía como diferentes teorías duales entre sí en 9, 10, 11 y hasta 12 dimensiones. Por desgracia, la teoría M es aún demasiado complicada y contiene objetos fundamentales, como las M-branas, que aún no entendemos bien.

Y está el problema del paisaje, hay un enorme número de vacíos de la teoría M y no sabemos cuál describe nuestro universo. Pero la teoría de cuerdas va mucho más allá… es un poderoso marco teórico, un lenguaje físico-matemático, que permite usar en pie de igualdad el lenguaje geométrico de la relatividad con la física cuántica de las partículas… Gracias al trabajo en 1998 del físico argentino Juan M. Maldacena podemos usar agujeros negros para entender los materiales superconductores, o el plasma de quarks y gluones, o incluso la turbulencia en fluidos.

La teoría de cuerdas es una teoría para unificarlas a todas… Una herramienta para describir sistemas físicos donde hay partículas de espín semientero y partículas de espín entero, como la superconductividad de alta temperatura crítica. En estos materiales que conducen electricidad sin pérdidas conviven electrones y pares de Cooper, parejas de electrones.

Cuando los superconductores de alta temperatura crítica pierden la superconductividad aparece una resistencia eléctrica que crece con la temperatura. La teoría de cuerdas predice una resistencia mínima, que ha sido observada en los experimentos. En el plasma de quarks y gluones la teoría de cuerdas predice una viscosidad mínima, también observada por los experimentos. Quizás no llegue a ser la teoría de todo final. Pero seguro que acabará siendo una herramienta estudiada por todos los físicos. Sin lugar, a sus 50 años, la teoría de cuerdas es aún muy joven.

¡Gracias!