Las teorías del todo proponen que el universo está fundamentalmente compuesto por objetos unidimensionales que son similares a una cuerda.
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En sus ratos libres, la física actual sigue atrás de lo que supo llamarse la teoría del todo. La teoría M es una solución propuesta por el Dr. Edward Witten, a través de la cual intenta combinar las cinco teorías de supercuerdas y supergravedad en once dimensiones.
Tiene su origen en la teoría de cuerdas, según la cual detrás de los quarks existirían diminutas cuerdas que vibran a cierta frecuencia. Según esta teoría, se vive en un universo vibrando a cierta frecuencia, lo cual requiere al menos diez dimensiones.
Esta teoría todavía no ha sido comprobada, ya que por el momento carece de pruebas empíricas. Si alguna vez fuera verificada experimentalmente, la Teoría M y la Teoría de las cuerdas supondrían un significativo avance científico.
Además precisa de herramientas matemáticas que todavía tienen que ser inventadas y son necesarias para un total entendimiento de la misma, ya que es bastante compleja.
Teoría de Cuerdas
Para entender la Teoría M es necesario entender algo de la teoría de cuerdas. Esta teoría propone que el universo está fundamentalmente compuesto por objetos unidimensionales que son similares a una cuerda. Estas cuerdas serían tan pequeñas que incluso en la diminuta escala de las partículas parecerían como puntos. En la teoría de cuerdas cada partícula es creada de alguna forma por diferentes patrones de vibración de las cuerdas.
El desarrollo de la teoría de cuerdas ha venido principalmente por un problema extremadamente importante que ha existido en la física durante casi 100 años. El problema es que la relatividad general, la teoría desarrollada por Albert Einstein que explica cosas en escalas muy grandes o cosmológicas, es irreconciliable con la mecánica cuántica y el modelo estándar, que explica el universo a escala subatómica. También existen otros problemas con el modelo estándar: tiene unos 20 parámetros libres que deben ser ajustados a mano, y tiene un gran número de partículas que declara fundamentales (para cada partícula existen tres copias organizadas en generaciones, que sólo se diferencian entre sí en la masa). Además, debido a que no puede ser reconciliada con la relatividad general, carece de una descripción de la gravedad, la más corriente de las cuatro fuerzas fundamentales.
Usar objetos unidimensionales en lugar de partículas puntuales resuelve muchos de estos problemas. El número de parámetros libres de la teoría cae de 20 a uno (un parámetro que corresponde al tamaño de las cuerdas), y se espera que los detalles de la teoría expliquen por qué existen las tres familias de partículas. Aún más importante, los teóricos de las cuerdas encontraron que la teoría de cuerdas contiene gravitones de forma necesaria, es decir, la partícula que causa la gravedad.
Edward Witten, el fundador de la teoría-M, bromea que la teoría de cuerdas tiene la notable evidencia experimental que la gravedad existe a nuestro alrededor. Por tanto, la teoría de cuerda une de forma satisfactoria la Relatividad General con la Mecánica Cuántica.
Sin embargo, la teoría de cuerdas presenta algunos problemas. En primer lugar, requiere 10 dimensiones para que las cuerdas puedan vibrar, en contraposición a las 4 dimensiones (3 espaciales y 1 temporal) que podemos observar comúnmente. Esto puede parecer incongruente; sin embargo, es posible que las 6 dimensiones extra sean extremadamente pequeñas y curvadas. Por ejemplo, si se mira a un tubo desde una gran distancia, parece ser una línea (unidimensional). Una inspección más cercana del tubo revela 2 dimensiones: una a lo largo del tubo (la que vimos desde lejos) y una alrededor del tubo. Por tanto, el tubo es realmente una superficie bidimensional a pesar del hecho que parece ser una línea desde lejos.
Teoría M
En 1995, Edward Witten inició lo que ha sido llamado la Segunda Revolución de las Supercuerdas al presentar al mundo la teoría-M. Esta teoría combina las cinco diferentes teorías de cuerdas (junto con el intento previamente abandonado de unificar la Relatividad General y la Mecánica Cuántica llamado supergravedad once-dimensional) en una única teoría. Esto se logra tejiendo una red de relaciones entre las teorías llamadas dualidades (específicamente, S-dualidad, T-dualidad, y U-dualidad). Cada una de estas dualidades provee un modo de convertir una teoría de cuerdas en otra.
La T-dualidad es probablemente la más fácilmente explicable de las dualidades. Tiene que ver con el tamaño, denotado por R, de las dimensiones curvadas de las teorías de cuerdas. Se descubrió que si se toma una teoría de cuerdas de tipo IIA con un tamaño R, y se cambia el radio a 1/R, se obtiene lo que es equivalente a una teoría de tipo IIB de tamaño R. Esta dualidad, junto con las otras, crea conexiones entre las 5 teorías (o 6, si se cuenta la supergravedad).
De hecho, la existencia de estas dualidades se conocía antes que Witten presentara la idea de la teoría-M. Lo que hizo Witten fue predecir el hecho de que todas estas diferentes teorías estuvieran conectadas es un resultado de que hay una teoría subyacente de la cual son todas aproximaciones. Adicionalmente, se encontró que las ecuaciones que requieren que la teoría de cuerdas exista en 10 dimensiones son también aproximaciones. La teoría-M propuesta (aunque algo nebulosa) sería una teoría que se realizaría en 11 dimensiones, aunque los detalles no se han fijado todavía.
Escepticismo
La teoría-M ha sido el objetivo de un escepticismo creciente, puesto que algunos (notablemente Peter Woit y Lee Smolin) arguyen que lo teóricos de las cuerdas han sobrestimado muchas de las fortalezas de la teoría, mientras que han subestimado sus debilidades. Un argumento en contra de la teoría de cuerdas cuestiona el poder predictivo de la teoría, apuntando que la teoría de cuerdas no ha producido ninguna predicción "clara" (en el sentido de numérica) que se haya verificado en un experimento.
Los críticos continúan observando que debido al panorama de la teoría de cuerdas, la teoría puede ser incapaz de hacer estas predicciones incluso en principio, y por tanto no sería falsable. Otra versión de este argumento es la que dice que la teoría de cuerdas no está todavía bien definida, puesto que está basada en gran manera en las ecuaciones de la perturbación.
Los proponentes de la teoría de cuerdas responden que estos argumentos son tan sólo un signo de que la teoría de cuerdas no está todavía totalmente desarrollada. Otro argumento en contra de la teoría de cuerdas es que no conserva algunas de las propiedades de la Relatividad General, tales como la independencia del fondo, y que la teoría muestra un sesgo hacia la física de partículas.
Los proponentes de la teoría de cuerdas responden que la física de partículas ha sido probada de forma más precisa que la Relatividad General. Hay finalmente un argumento sociológico que indica que la teoría de cuerdas ha dominado la financiación y las posiciones de por vida de la física de altas energías, haciendo la exploración de las alternativas difícil.
Qué Significa la "M"
De acuerdo con su creador, Ed Witten, como se acotó en el documental de la PBS basado en el libro de Brian Greene "El universo elegante", la "M" en la teoría-M "significa magia, misterio o membrana (este ultimo término por el que originalmente nació la M) de acuerdo con el gusto de cada cual."