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Introducción La teoría de cuerdas es un modelo de la física teórica que asume que las partículas fundamentales así como también sus interacciones son vibraciones de objetos unidimensionales más pequeños llamados cuerdas. Muchos físicos han depositado sus expectativas en ella, sin embargo hasta el momento no ha sido corroborada experimentalmente y aún se encuentra en plena construcción. Para darnos una explicación más detallada de esta teoría, su estado actual y limitaciones, Magazine de Ciencia se reúne con la Dra. Carmen Nuñez, quien se licenció en Astronomía en el año 1978 en la Universidad de La Plata, y se doctoró en el año 1984 en la misma institución. Entre 1984 y 1987 realiza una estadía Posdoctoral en el Center for Relativity de la Universidad de Texas, en los Estados Unidos, y entre 1987 y 1989 en el International Center for Theoretical Physics en Trieste, Italia; donde hasta el año 2001 se desempeñará como Investigadora Asociada. En el año 2013 recibe el Premio de la Fundación Simons y desde entonces es Investigadora Asociada al South American Institute for Fundamental Research, en Sao Paulo, Brasil. Actualmente es Profesora Adjunta con Dedicación Exclusiva en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires y es Investigadora Principal del CONICET en el Instituto de Astronomía y Física del Espacio.
Transcripción de la entrevista
Compactificación de Kaluza-Klein La idea de Kaluza y Klein fue formular una teoría de gravedad en 5 dimensiones, tal que cuando uno reduce a 4, produce relatividad general en 4 dimensiones junto con el electromagnetismo, es una manera de unificar estas dos interacciones, en la teoría de cuerdas la compactificacion de Kaluza-Klein implica compactificar 10 dimensiones a 4, al reducir a 4 obtener relatividad general en 4 dimensiones con el resto de las interacciones también en 4 dimensiones; o sea, la idea de Kaluza-Klein es unificar aumentando la dimensionalidad.
Variedades de Calabi-Yau y Compactificación con Flujos En los años 80's se le dió mucha importancia a las variedades de Calabi-Yau porque estas variedades son variedades complejas, variedades de Kähler compactas, que tenían propiedades interesantes, permitían hacer esta compactificación de 10 a 4 dimensiones en una variedad que mantenía una cierta cantidad de supersimetría. Como dije antes, la supersimetría es interesante del punto de vista matemático, del punto de vista de la formulación de la teoría y entonces por eso se le dio importancia y porque también las teorías que se obtenían en 4 dimensiones compactifcando en variedades de Calabi-Yau se obtenían varias teorías con propiedades muy semejantes al Modelo Estándar de las partículas elementales que ha sido verificado experimentalmente en los aceleradores. Más recientemente las compactificaciones que son más populares por así decirlo, tienen en cuenta otras partículas, otros procesos de la teoría de cuerdas, se llaman compactificaciones con flujos, que permiten dar masa a estas partículas no masivas que no se pueden explicar en el contexto de las compactificaciones de Calabi-Yau.
Branas, P-Branas y D-Branas Las Branas son sub-variedades del espacio-tiempo, son objetos de cierta dimensionalidad, o sea uno podría pensar por ejemplo en una partícula como una cero Brana, es un objeto que no tiene dimensión y que cuando transcurre el tiempo barre lo que sería una línea de mundos, una P+1 dimensiones. Una cuerda sería una 1-Brana, es un objeto que tiene una dimensión. Una Membrana sería una 2-Brana y así siguiendo, son objetos que tienen una cierta dimensionalidad, son objetos extendidos y justamente esto es lo que mencionaba al principio que la teoría de cuerdas contiene estos objetos. La teoría de cuerdas que empezó como una teoría de objetos de una dimensión, con el correr del tiempo y con el descubrimiento de efectos no perturbativos se vió que existían estos objetos de mayor dimensionalidad que son objetos dinámicos que están contenidos en la teoría y que son justamente los que hacen pensar que los conceptos o los criterios básicos que teníamos de la teoría en los años 80's no son los correctos para describir a la teoría final. Las D-Branas son estas sub-variedades del espacio-tiempo donde pueden terminar y empezar los extremos de la cuerda abierta, o sea una cuerda abierta tiene dos extremos y esos extremos se pueden mover libremente en el espacio-tiempo o pueden estar fijos en superficies que se llaman D-Branas, DP-Branas, donde D tiene que ver con las condiciones de contorno que determinan la dimensionalidad, P tiene que ver con el número de dimensiones y D tiene que ver con esto que se llama Dirichlet que son las condiciones de contorno que cumplen los campos de las cuerdas, y son las superficies donde terminan los extremos de las cuerdas abiertas.
La Teoría M La teoría M originalmente se llamó M porque se suponía que era una teoría de Membranas, de objetos de 2 dimensiones en lugar de la cuerda que es un objeto de una dimensión. Después cuando fue evolucionando la teoría y se vio que no solo tiene Membranas sino objetos de mayor dimensionalidad 3, 4, hasta 9. Entonces la M según algunos es la M de Madre, como que es la teoría que da origen a estas teorías perturbativas de las que estuvimos hablando; y la relación que tiene con la teoría de Big Bang es que en los modelos (la teoría del Big Bang es la teoría que describe el origen del Universo, se supone que hubo una explosión y el Universo se empezó a expandir a partir de esa explosión) y algunos modelos cosmológicos formulados en el contexto de la teoría de cuerdas por ejemplo lo que se llama el Universo Ecpirótico, supone que originalmente había Branas en el Universo, estas Branas chocaban y liberaban cierta energía que hacían que las Branas se volvieran a separar y después nuevamente volvían a atraerse y así sucesivamente, o sea que esto permitía describir un Universo en expansión y después que volvía a contraerse. La idea era como si estas Branas o estas D-Branas digamos son objetos en los cuales terminan las cuerdas abiertas, uno podría pensar por ejemplo en una habitación que está llena de cables donde los cables están atados a las paredes y mientras los cabes están fijos a las paredes, las paredes no se pueden mover pero cuando los cables empiezan a interactuar entonces se pueden separar en algunas dimensiones se pueden romper y entonces las paredes a las que estaban fijas se pueden expandir; entonces la idea era un poco esta, que ciertas dimensiones se pueden expandir y explicar la expansión del Universo y después cuando se vuelven a contraer por efecto de la atracción gravitatoria por ejemplo, el Universo se vuelve a contraer y es esta idea de que el Universo podría estar en expansión y contracción, expansión y contracción... bueno, es una teoría cosmológica. También hay una teoría parecida que se había formulado en la década del 80 en la cual en lugar de pensar en este proceso de compactificación de dimensiones en la que estaba hablando antes uno puede pensar que en realidad el Universo cuando en el Big Bang donde toda la materia estaba concentrada en un punto y comienza después de la explosión a expandirse, hay 3 dimensiones que por algún motivo son 3 dimensiones que se expanden y el resto continúan compactas, chiquitas, de manera que no podemos observarlas actualmente y entonces en lugar de hablar de compactificación, uno puede hablar de decompatificación de 3 dimensiones que es lo que permitiría explicar el Universo que observamos actualmente.
Multiversos No conocemos todavía cuál es la teoría de cuerdas, es cierto que en el estado actual, como dije hay muchas soluciones posibles muchos vacíos posibles en 4 dimensiones y no hay un criterio único o un criterio interno a la teoría para seleccionar uno de ellos. Hay esta teoría de los Multiversos de que en realidad todas estas soluciones son soluciones aceptables, son distintos universos posibles, nuestro Universo es uno de ellos. Incluso algunos dicen que nuestro Universo podría ser un Universo meta-estable, que su tiempo de vida es mucho más largo que el tiempo actual que pasó desde el Big Bang y que en algún momento va a decaer en algún otro Universo posible. Esto es algo que es inverificable, en principio vivimos en un Universo particular, si bien hay muchos físicos muy reconocidos que están de acuerdo con esta idea del Multiverso, entre ellos Steven Weinberg, Linde, físicos muy conocidos. En mi opinión estamos en este estado porque no conocemos realmente cuáles son los principios de la teoría y que cuando la teoría se termine de formular y tengamos una formulación cerrada probablemente... ojalá, podamos explicar por qué el Universo observable es el que observamos.
Predictibilidad y Falsabilidad de la teoría Yo creo que hay predicciones de la teoría, por ejemplo, como decía antes, el hecho de que exista la gravedad si bien uno lo sabía de antes no es una predicción hacia el futuro pero esta teoría requiere la existencia de gravedad a diferencia de las teorías de gravedad previas que postulan la existencia de gravedad, o sea acá la gravedad es algo que es necesario, es inevitable en la teoría de cuerdas. También la dimensionalidad del espacio-tiempo, la teoría de cuerdas es consistente sólo en 10 u 11 dimensiones según cuál teoría miremos; 10 u 11 dimensiones del espacio-tiempo, cosa que también hasta ahora las teorías que describen el Universo, por ejemplo El Modelo Estándar postula la existencia de 4 dimensiones, las teorías se formulan en 4 dimensiones porque uno observa que existen 4 dimensiones. La diferencia es que la teoría de cuerdas predice que hay 10 u 11 dimensiones. Bueno, esas dimensiones no se han observado todavía, hay experimentos que se están llevando a cabo, tratando de ver si efectivamente existen dimensiones extras, hasta ahora no se han observado pero yo diría que es una de las predicciones de la teoría que hay mas dimensiones de las que fueron observadas. También la teoría requiere la existencia de supersimetría, tampoco la supersimetría fue observada. Hay muchos experimentos actualmente diseñados para tratar de detectar supersimetría, probablemente no se han detectado las energías que se han medido todavía, incluso si no se llegara a detectar en los experimentos que actualmente se están desarrollando podría ser que la supersimetría existiera a escalas de energía mucho más altas y que durante mucho tiempo no podamos observarla. La escala de energía a la cual la teoría de cuerdas es relevante es la escala de energía de Plank, que es una escala de energías que tiene relevancia en la época del Big Bang o en los agujeros negros, en situaciones en las cuales primero no podemos llegar a obtener esas energías en los aceleradores y tampoco se han podido verificar en observaciones cosmológicas. Entonces diría que en realidad es un problema no tener predicciones, o sea yo diría, que un problema serio es no poder reproducir en el contexto de la teoría con toda precisión el Modelo Estándar, que ha verificado en todos los experimentos. Deberíamos ser capaces de que por lo menos algún vacío de la teoría de cuerdas reproduzca completamente el Modelo Estándar y todavía no hemos sido capaces de hacer eso.
Diferencias con el Modelo Estándar La teoría de cuerdas es relevante a escalas de energía mucho más altas que las del Modelo Estándar; de todas formas uno sabe que el Modelo Estándar no puede ser la última palabra, no puede ser la teoría final. Por un lado el Modelo Estándar describe sólo el 5 % de la materia que sabemos que existe en el Universo. El Modelo Estándar no incorpora la gravedad, la gravedad es incompatible, la gravedad de Einstein como la conocemos, la teoría de la relatividad es incompatible con la Mecánica Cuántica. Por otro lado en el Modelo Estándar tiene unos 19 parámetros que no quedan determinados por la teoría, que hay que tomarlos de la observación, si uno modifica esos parámetros la teoría cambia completamente y a diferencia de esto las teorías de cuerdas es una teoría que no tiene parámetros libres, no hay ningún parámetro adimensional libre con el que uno pueda jugar en ese sentido, la teoría es mucho más rígida. Así como dije, las 4 dimensiones que uno pone en el Modelo Estándar, que las pone de afuera porque uno sabe y observa que existen 4 dimensiones, en la teorías de cuerdas la dimensionalidad del espacio-tiempo surge como una necesidad de consistencia de la teoría, una necesidad matemática, para que la teoría sea consistente se necesitan 10 dimensiones del espacio-tiempo. No hay parámetros adimensionales libres, o sea la propia consistencia matemática determina todos los parámetros de la teoría y esa es una diferencia importante con el Modelo Estándar o con las teorías anteriores.
¿Se publica demasiado sobre Teoría de Cuerdas? Pienso que la física es una actividad colectiva y que en la medida en la que haya más científicos trabajando en el área es más fácil que el área evolucione. Como todo, que haya mucha gente publicando no quiere decir que todos los trabajos que se publican sean correctos; pero hay referís en las revistas, hay evaluación por pares que permiten distinguir entre trabajos que están bien, digamos que tienen cierta calidad científica y otros que no. Y el hecho de que se esté publicando mucho y cada vez más en esta teoría tiene que ver en parte con la evolución de la teoría. En los últimos años en particular en el año 97 se formuló lo que se llama La Correspondencia AdS/CFT (Anti-de Sitter/Conformal Field Theory) que es otra de las dualidades de la teoría, se llama también correspondencia de Maldacena o dualidad de Maldacena, Maldacena es un físico argentino que seguramente todos conocen bien, lo han visto en los diarios por lo menos. Esta correspondencia evolucionó mucho en los últimos años al punto que fue posible considerar a la teoría de cuerdas como una herramienta para resolver problemas en otras áreas de las Física no fundamentales, por ejemplo: materia condensada, fluidos. La teoría de cuerdas se está usando actualmente como herramienta para poder responder preguntas de otras áreas de la Física que no están relacionadas directamente con la Física fundamental, y en gran medida la gran cantidad de publicaciones recientes tienen que ver con este desarrollo interesante.
Sobre sus trabajos en Teoría Doble de Campos (DFT) Actualmente estamos trabajando en lo que se llama Teoría Doble de Campos, es algo que tiene que ver con la dualidad T que mencionaba antes cuando uno compactifica el espacio-tiempo (dimensiones del espacio-tiempo), aparece esta dualidad, esta equivalencia entre teorías de cuerdas formuladas en espacios-tiempos con diferentes geometrías. Esta idea de que distancias grandes están en correspondencia con distancias cortas, es lo que se llama la dualidad T. Y lo que estamos haciendo actualmente en nuestro grupo tiene que ver con, por un lado tratar de vincular la teoría de cuerdas con el Universo observable usando estas características de las teorías de cuerdas, o sea tratar de formular esta Teoría Doble de Campos, tiene que ver con el hecho de que las cuerdas se pueden enroscar en las dimensiones compactas, como decía antes, y entonces dan más posibilidad para estas geometrías internas, estas geometrías compactas que permiten obtener modelos de partículas distintas en 4 dimensiones. El hecho de incorporar estas dualidades o nuevas simetrías de la Teoría de Cuerdas en el proceso de compactificación nos has permitido llegar más cerca de Física observada del Modelo Estándar o por ejemplo poder eliminar estos módulos, estas partículas no masivas que mencionaba antes en las compatificaciones tipo Calabi-Yau que eran populares hace ya más de 10 años, estos nuevos procesos de compatificación que estamos estudiando, incorporando propiedades de las teorías de cuerdas, porque lo que se hacía anteriormente, estas variedades de Calabi-Yau surgieron cuando uno compactificaba los límites de bajas energías de las teorías de cuerdas, lo que hacía anteriormente era compactificar las teorías de supergravedad que se obtienen en los límites de bajas energías de las cuerdas de 10 a 4 dimensiones; en cambio lo que tratamos de hacer nosotros es compactificar directamente la Teoría de Cuerdas completa, no el límite de bajas energías y estos dos procedimientos no conmutan, no es lo mismo empezar de la Teoría de Cuerdas y compactificar a 4 dimensiones que hacerlo en el límite de bajas energías... y esto es lo que estamos haciendo en los últimos años.
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