Teoría de cuerdas: viva y coleando

El dominio del espacio aéreo fue uno de los factores clave que acabarían decantado la victoria del lado de los Aliados en la II Guerra Mundial. Nunca en ningún conflicto humano tantos debieron tanto a tan pocos, dijo Winston Churchill para alabar la labor de la Real Fuerza Aérea británica en la Batalla de Gran Bretaña, la defensa de la isla ante la amenaza real de una invasión tras la casi total ocupación del continente por la Wehrmacht. Otro factor determinante para poner punto y final a la guerra, en el Frente del Pacífico, fue la decisión de Truman de arrojar sendas bombas atómicas sobre Hiroshima y Nagasaki. La participación de la comunidad científica en el esfuerzo de guerra, y en especial de los físicos en el Proyecto Manhattan que diseñaría esas bombas, es aún objeto de controversia incluso en nuestros días.

Hace unos diez años, los físicos estaban, de nuevo, en estado de guerra. Esta vez la guerra era, afortunadamente, dialéctica y, en principio, tan solo de carácter científico. La teoría de cuerdas llevaba ya más de treinta años en el candelero. Ninguna de sus predicciones se había comprobado experimentalmente y, según argumentaban los críticos, quizá nunca lo serían. La teoría de cuerdas parecía carecer de refutabilidad y, por tanto, ni siquiera debería ser calificada de teoría científica; sería todo lo contrario: una pseudociencia o, en el mejor de los casos, un pasatiempo matemático. Una célebre frase de Wolfgang Pauli, en la que desdeñaba cierta teoría refiriéndose a ella como “ni siquiera incorrecta”, se rescató para calificar así a la teoría de cuerdas. Un blog  critico surgió con ese nombre. Libros con títulos como El problema de la física se publicaron ilustrando la inutilidad de la teoría.

La guerra, como señalábamos arriba era en principio solo de carácter científico. No obstante, trascendía algo más: una batalla de influencia por el control de fondos públicos destinados a investigación. ¿Deberían las agencias de financiación de la ciencia matar la teoría de cuerdas mediante una expeditiva estrangulación presupuestaria? Por aquel entonces yo andaba, recién doctorado, de postdoc en el Imperial College de Londres, una de las plazas fuertes de la teoría de cuerdas. Recuerdo a Mike Duff, eminente cuerdista en Imperial, lamentarse amargamente de que eso podría ya por aquel entonces estar empezando a pasar. Según argumentaba Duff, la sobredifusión mediática que los críticos estaban recibiendo podría haber sido la causa del anuncio del EPSRC (una de las agencias británicas de financiación de investigación) de recortes en su programa de física matemática. Estamos hablando de recortes antes de los famosos recortes de ahora.

 

Michael Duff. Uno de ellos es físico teórico. ¿Cuál?

Aquellos episodios se han venido a conocer en el mundillo físico-teórico como las Guerras de las Cuerdas (String Wars). Aunque las hostilidades no han cesado del todo, con blogs defendiendo una  u otra postura intercambiando fuego de vez en cuando, sí es cierto que, en general, se ha rebajado el tono. Estamos, acaso, ante una guerra de salón, una phoney war. Y ello es sin duda debido a que, a pesar de todo lo escrito contra ella, la teoría de cuerdas sigue gozando de envidiable salud.

Estos días anteriores, sin embargo, hemos presenciado un remake en español de aquella Guerra de las cuerdas, que nos ha cogido con el pie cambiado. Arturo Quirantes, autor del blog El profe de física, ha lanzado una diatriba desde Cuaderno de cultura científica que nos informa del “ocaso de la teoría de cuerdas”. Los que trabajamos en esta teoría hemos llegado ahora a comprender la mayúscula sorpresa de Mark Twain al leer su obituario y conocer así, por la prensa, la noticia de su propia muerte. Afortunadamente podemos salir al paso, como Twain, de semejante contrariedad: todo apunta a que las noticias que Quirantes trae sobre la muerte de la teoría de cuerdas “son desmesuradamente exageradas”.

Los comentarios de Quirantes ya han recibido la certera respuesta de Enrique Fernández Borja en Cuentos Cuánticos. Aquí, en LA FÍSICA DEL GREL, hemos iniciado una serie de posts (aquí y aquí en especial, aunque también aquí) sobre unificación, que nos conducirán a describir más detalladamente la teoría de cuerdas. Entraremos en materia en sucesivos posts. Mientras tanto, movidos por el afán de ofrecer al público una visión alternativa sin catastrofismos, y sin el menor ánimo de reeditar en español una futil Guerra de las Cuerdas, sí creemos pertinente contestar someramente desde nuestro blog a las críticas.

Tanto es que pretendemos evitar toda confrontación que comenzamos con lo que a nadie en los debates tan de moda en prime time televisivo se le pasaría por la cabeza: una sincera autocrítica. Tampoco es ningún mérito, dicho sea de paso, empezar así para el que esto escribe. Salvo por pequeñajos que, ay, nos dan la tabarra nocturna, mi generación duerme muy bien por las noches sabiéndose libre del pecado que pasamos a confesar.

Según me cuentan mis mayores, pues mis intereses científicos en aquella época se limitaban a los prescritos para la EGB y el BUP por las autoridades educativas competentes, durante los años ochenta y noventa, la época en la que se cimentaron los pilares de la teoría de cuerdas, hubo una desmesurada sobrevaloración de objetivos. Imperaba una sensación de euforia y se pensaba que la teoría de cuerdas sería capaz de reproducir la física de altas energías conocida, así como de describir cuánticamente la gravitación en unos pocos años. No en vano, había quien se refería a las cuerdas como la “Teoría del Todo”, mediático amén de pretencioso nombre que seguramente llenaba a la realeza del ramo, como a la otra, de gran orgullo y satisfacción. Hoy, sin embargo, me atrevería a decir que incluso los más acérrimos defensores de la teoría de cuerdas reconocen que todo aquello fue una gran sobreactuación. Podríamos incluso decir que aquel fenómeno pudo ser el equivalente científico de una burbuja financiera. Muchas de las críticas a la teoría de cuerdas, incluidas la mayoría de las de Quirantes en su post, realmente no pasan de ser una reacción superficial a esa sobrexposición.

Burbujas científicas las ha habido con anterioridad en ciencia en general y en física, la rama que nos ocupa, en particular. Mencionaré dos que son, de hecho, similares a la burbuja de los ochenta y noventa en teoría de cuerdas. A finales del siglo XIX, con la teoría de Newton de la gravitación completamente desarrollada y con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo recién escritas, se dieron las condiciones para la formación de una gran burbuja. Cuajó la idea de que en Física estaba ya todo hecho. El único trabajo que quedaba por hacer era añadir decimales a las mediciones de constantes y cantidades físicas, medirlas con más precisión. ¿Que la órbita de Mercurio no terminaba de cuadrar con la ley gravitatoria de Newton del inverso del cuadrado? Menudencias. ¿Que las leyes en boga daban resultados absurdos, a alta energía, para la radiación de cuerpo negro? Ya se arreglaría el asunto sin mayores sobresaltos. La burbuja decimonónica estalló por todo lo alto cuando, ni bien entrado el siglo XX, la Relatividad General y la Teoría Cuántica pusieron la física patas arriba. Hasta nuestros días.

Con cuerdas también se pueden hacer burbujas muy grandes.

A mediados del siglo XX se desarrolló otra burbuja. La teoría cuántica y la relatividad especial de principios de siglo se habían desarrollado enormemente, y su combinación había dado lugar a la llamada teoría cuántica de campos. Se sabía que la teoría de Maxwell del electromagnetismo, aun siendo clásica, se amoldaba a la relatividad especial. La teoría cuántica de campos era, pues, la herramienta perfecta para estudiar la cuantización del electromagnetismo. Y efectivamente, la teoría cuántica resultante, llamada Electrodinámica Cuántica, proporcionaba resultados espectaculares, con fastuoso acuerdo de hasta muchas cifras decimales entre cantidades calculadas mediante la teoría y medidas experimentalmente. El trabajo de físicos como Richard Feynman fue determinante para ello. Feynman introdujo sus famosos diagramas, el método que permitió realizar tales cálculos. Así pues, pronto se extendió la delirante idea de que todo en teoría cuántica de campos se reducía al cálculo de diagramas de Feynman y, salvo cálculos más o menos engorrosos, estaba ya todo hecho. Sin embargo, cuando se hicieron patentes los fenómenos no-perturbativos en teoría de campos, imposibles de abordar por esos métodos, la burbuja inevitablemente estalló. Por ejemplo, a acoplamiento fuerte, tiene poco sentido calcular procesos entre quarks y gluones (de las que ya hemos hablado aquí) mediante diagramas de Feynman.

Es indudable que estas burbujas, tanto en ciencia como en economía, son producto de la naturaleza humana. Ahora bien, si las burbujas financieras tienen las devastadoras consecuencias que lamentablemente conocemos y padecemos, en ciencia siempre parecen dejar algo positivo. Por un lado, el conocimiento acumulado durante la burbuja no tiene por qué ser incorrecto. La teoría de Newton y la teoría de Maxwell no son incorrectas. Lo que sucede es que se ven englobadas, como límites, en teorías más precisas. Los diagramas de Feynman no son incorrectos, tan solo tienen sus límites de aplicabilidad. Por otro lado, el estallido de las burbujas suele dejar un terreno fértil para la exploración: la física de agujeros negros, de ondas gravitacionales o la cromodinámica cuántica serían imposibles sin desarrollos anteriores.

Es generalizado el convencimiento de que todo esto aplica, también, a la teoría de cuerdas. Nadie que se dedique a investigación en cuerdas hoy en día piensa seriamente en la teoría de cuerdas como una “Teoría del Todo”, a pesar de que los críticos insistan en abundar en el tópico. Esto no quita para que el desarrollo formal de la teoría invoque, como hacemos desde este blog, ideas de unificación que tan provechosas se han demostrado en física. Dada la experiencia con situaciones como las descritas arriba, no creo que nadie en el campo esté muy preocupado con que la teoría de cuerdas, ahora, después de la burbuja, pueda ser incorrecta. Ni qué decir tiene que, los que nos dedicamos a ella, pensamos que es correcta, a pesar de todas las dificultades experimentales que entraña dilucidar tal cuestión. En el peor de los casos, pensamos, la teoría se amoldará a otra “más correcta”, como en situaciones anteriores.

Quirantes traza un paralelismo entre la teoría de cuerdas y los epiciclos ptolemaicos que induce a error. Como describe Steven Weinberg en su reciente libro Explicar el mundo, la adición de más y más epiciclos a la teoría geocéntrica es un problema de fine tuning. Algo anda mal en una teoría cuando se le han de añadir ornamentaciones más y más barrocas para hacerla cuadrar, en frágil equilibrio, con los datos experimentales. El caso de la cada vez mayor complicación en teoría de cuerdas, desde su humilde suposición fundacional de que los constituyentes básicos de la materia son objetos unidimensionales en vez de partículas, hasta la sofisticada teoría que conocemos hoy, es bien distinto. La complicación, por ejemplo, de tener cinco teorías de cuerdas no busca realizar, como los epiciclos, ajustes artificiales. Por contra, se trata del mismo efecto que el descrito arriba en relación con la teoría cuántica de campos: cada vez conocemos mejor la teoría y sus sectores perturbativos (donde podemos usar métodos como los de Feynmann) y no-perturbativos. Que a uno le parezcan extraños nombres como “cuerda tipo I” o “cuerda heterótica” queda a gusto de cada cual. A mi modo de ver, tan colorida nomenclatura es digna sucesora de otras como “quark top” (del que, por cierto, hemos hablado aquí).

Aspectos como supersimetría, de la que hablaremos en el blog, son deseables en teoría de  cuerdas. Que supersimetría no se haya detectado en el CERN no supone el menor problema para la teoría: este efecto no tiene por qué notarse a las escalas de energía exploradas por el acelerador LHC. La única crítica seria hecha por Quirantes se refiere al llamado problema del landscape, del que también hablaremos. Aquí, efectivamente, mete el dedo en la llaga pues nadie excepto los entusiastas del multiverso saben muy bien cómo proceder. El convencimiento general es que el asunto acabará arreglándose sin necesariamente refutar la teoría de cuerdas, como en los casos que mencionábamos arriba.

Partículas elementales y sus compañeras supersimétrícas (izquierda). Representación del multiverso (derecha).

Ya hemos dicho en LA FÍSICA DEL GREL que el Modelo Estándar y la Relatividad General son las construcciones científicas, verificadas experimentalmente, más sofisticadas y precisas que el ser humano ha logrado hasta ahora (más detalles aquí). La teoría de cuerdas ha de englobar a las dos y, desde luego, las supera en elegancia y sofisticación. Se ha dicho que la teoría de cuerdas es ciencia del siglo XXI con la que los físicos se toparon en el XX. En este sentido, la teoría de cuerdas es como el museo Guggenheim de Bilbao: un soberbio edificio del siglo XXI levantado, realmente, en el XX. A uno le puede causar cierto desasosiego las líneas futuristas del edificio, y en un arrebato clasicista podría secretamente desear que se pareciera más, por ejemplo, al renacentista palacio de Carlos V en Granada. Sea lo que sea la teoría de cuerdas, es sin duda un bello edificio en construcción que solo en el futuro podemos aspirar a admirar en su totalidad. En ningún caso se trata del edificio ruinoso que a Quirantes se le antoja.

Como científicos del siglo XXI, nos corresponde desarrollar, entender y extraer consecuencias de la teoría de cuerdas. Ya hemos contado aquí cómo la teoría de cuerdas fue crucial para obtener una descripción microscópica de la entropía de agujeros negros. Como contaremos en sucesivos posts, las contribuciones de la teoría a aspectos en teoría cuántica de campos e incluso en terrenos tan alejados como matemática pura o física de la materia condensada son espectaculares.

A tenor del sobredimensionado eco mediático que acompañó a los críticos durante las Guerras de las cuerdas, podríamos decir que nunca en ningún conflicto científico tan pocos causaron tanto perjuicio a tantos. Aún desconocemos si la teoría de cuerdas tendrá la última palabra en una descripción más profunda de la naturaleza, o si algún bombazo científico al estilo de los atómicos de Hiroshima o Nagasaki convulsionará la física, en el contexto de la teoría de cuerdas o, no lo creo, fuera de ella. En todo caso, el "espacio aéreo" de la física teórica de alta energía sigue dominado, por méritos propios, por la teoría de cuerdas. Tenemos por delante pues el excitante cometido de explorar las consecuencias de una teoría que, ahora más que nunca, está viva y coleando.

Texto de Oscar Varela.