Teoría de cuerdas
La teoría de cuerdas propone que las partículas son filamentos que vibran y aspira a unificar la gravedad con la mecánica cuántica.
La teoría de cuerdas es un marco teórico de la física que propone que las partículas elementales no son puntos, sino diminutos filamentos unidimensionales, o «cuerdas», cuyos modos de vibración determinan las propiedades de cada partícula. Aspira a unificar la mecánica cuántica y la gravedad en una única descripción de la naturaleza. Es una idea matemáticamente rica, pero todavía carece de confirmación experimental.
¿Qué es la teoría de cuerdas?
En el modelo estándar de la física moderna, las partículas subatómicas (electrones, quarks, fotones…) se tratan como objetos puntuales. La teoría de cuerdas sustituye ese punto por un objeto extenso de longitud del orden de la longitud de Planck, unos 10⁻³⁵ m, tan pequeña que ningún experimento actual puede resolverla.
Igual que una cuerda de guitarra produce notas distintas según cómo vibre, la cuerda fundamental vibra en diferentes modos y cada modo se percibe, a escalas grandes, como una partícula distinta con su masa y su carga. Existen cuerdas abiertas, con extremos libres, y cerradas, que forman lazos.
El problema que intenta resolver
Las dos grandes teorías del siglo XX, la relatividad general (gravedad y cosmos) y la mecánica cuántica (átomos y partículas), funcionan de maravilla en sus ámbitos, pero son incompatibles cuando se intenta describir la gravedad a escalas cuánticas, como en el interior de un agujero negro o en el Big Bang. Los cálculos ingenuos de una teoría cuántica de la gravedad arrojan infinitos que no se pueden eliminar.
La teoría de cuerdas ofrece una salida: al ser la partícula un objeto extenso, los infinitos desaparecen. Además, entre los modos de vibración de las cuerdas cerradas aparece una partícula sin masa y de espín 2, que tiene justo las propiedades del gravitón, el hipotético transmisor de la gravedad. Por ello la gravedad surge de manera natural en la teoría.
Cronología
- 1968: Gabriele Veneziano propone una fórmula que describe las interacciones de partículas fuertes.
- Hacia 1970: Yoichiro Nambu, Holger Nielsen y Leonard Susskind interpretan esa fórmula como la vibración de cuerdas.
- 1974: Joël Scherk y John Schwarz descubren que la teoría contiene el gravitón.
- 1984: Michael Green y John Schwarz demuestran que ciertas anomalías se cancelan: empieza la «primera revolución de las supercuerdas».
- 1995: Edward Witten propone la teoría M, que unifica las cinco versiones conocidas: la «segunda revolución».
- 1997: Juan Maldacena formula la correspondencia AdS/CFT, que relaciona una teoría de cuerdas con una teoría cuántica sin gravedad.
Características principales
- Supersimetría: la versión más estudiada, la teoría de supercuerdas, postula una simetría que relaciona los bosones (partículas de fuerza) con los fermiones (partículas de materia).
- Dimensiones extra: para ser matemáticamente consistente, la teoría de supercuerdas necesita 10 dimensiones de espacio-tiempo (9 espaciales y una temporal); la teoría M, 11. Las dimensiones adicionales estarían «compactadas», enrolladas en espacios diminutos, como las variedades de Calabi-Yau.
- Cinco teorías consistentes: tipo I, tipo IIA, tipo IIB y dos heteróticas (SO(32) y E8×E8), que se consideran límites de una teoría más profunda, la teoría M.
- Branas: además de cuerdas, la teoría contiene objetos de más dimensiones, las membranas o «branas».
Comparación con la física estándar
| Aspecto | Modelo estándar | Teoría de cuerdas |
|---|---|---|
| Constituyente fundamental | Partículas puntuales | Cuerdas vibrantes |
| Dimensiones | 3 espaciales + 1 temporal | 9 o 10 espaciales (las extra, compactadas) + 1 temporal |
| Gravedad | No incluida | Incluida (gravitón) |
| Confirmación experimental | Muy amplia | Ninguna directa |
Críticas y estado actual
La teoría de cuerdas es objeto de un intenso debate. Sus principales críticas son:
- Falta de pruebas: no ha predicho de forma inequívoca ningún fenómeno medible que permita ponerla a prueba con la tecnología actual; la energía de Planck, unos 1,2 × 10¹⁹ GeV, está cerca de 10¹⁵ veces por encima de la que alcanza el LHC.
- El «paisaje» de soluciones: existen enormes cantidades de configuraciones posibles de las dimensiones extra (se habla de cifras como 10⁵⁰⁰), lo que dificulta predecir un universo concreto.
- Alternativas: otras propuestas, como la gravedad cuántica de bucles, buscan también cuantizar la gravedad sin cuerdas.
Sus defensores destacan su coherencia matemática y sus aportaciones colaterales a las matemáticas y al estudio de los agujeros negros y de la materia fuertemente acoplada. No se ha demostrado que describa nuestro universo, y por ello conviene presentarla como una hipótesis en desarrollo y no como una teoría física confirmada. Algunos investigadores la consideran también un posible camino para entender la materia oscura, aunque esto es especulativo.
Ejercicios resueltos
1. Calcula la longitud de Planck, ℓₚ = √(ħ·G / c³), con ħ = 1,055 × 10⁻³⁴ J·s, G = 6,674 × 10⁻¹¹ m³/(kg·s²) y c = 2,998 × 10⁸ m/s.
ħ·G = 7,04 × 10⁻⁴⁵. c³ = 2,694 × 10²⁵. Cociente: 2,61 × 10⁻⁷⁰. Raíz cuadrada: ℓₚ ≈ 1,6 × 10⁻³⁵ m.
2. Si el radio de un protón es de unos 0,84 × 10⁻¹⁵ m, ¿cuántas veces es mayor que la longitud de Planck?
Cociente: 0,84 × 10⁻¹⁵ / 1,6 × 10⁻³⁵ ≈ 5 × 10¹⁹ veces. Una cuerda de longitud de Planck sería inconcebiblemente pequeña incluso para la escala nuclear.
3. El LHC alcanza colisiones de unos 13,6 TeV. ¿Cuántas veces es mayor la energía de Planck (1,22 × 10¹⁹ GeV)?
13,6 TeV = 1,36 × 10⁴ GeV. Cociente: 1,22 × 10¹⁹ / 1,36 × 10⁴ ≈ 9 × 10¹⁴ veces, lo que explica la dificultad de contrastar la teoría directamente.
Preguntas frecuentes
¿Qué dice la teoría de cuerdas en pocas palabras?
Que las partículas fundamentales son diminutos filamentos que vibran. Cada modo de vibración corresponde a un tipo de partícula, y entre esos modos aparece el gravitón, de modo que la teoría incluye de forma natural la gravedad cuántica.
¿Por qué necesita tantas dimensiones?
Porque la coherencia matemática de la teoría de supercuerdas, sin anomalías ni estados imposibles, exige 10 dimensiones de espacio-tiempo. Las seis dimensiones espaciales extra se supone que están enrolladas a escalas ínfimas, por lo que no las percibimos.
¿Está demostrada la teoría de cuerdas?
No. Es una teoría matemáticamente consistente, pero hasta hoy no existe ninguna prueba experimental directa a su favor. Muchos físicos la consideran una hipótesis prometedora y otros critican que no se pueda poner a prueba.
¿Qué es la teoría M?
Una propuesta de Edward Witten (1995) según la cual las cinco teorías de supercuerdas son aspectos de una única teoría subyacente que vive en 11 dimensiones. Su formulación completa todavía no se conoce.
¿Qué relación tiene con la relatividad y la mecánica cuántica?
Intenta unirlas. Reproduce la relatividad general a bajas energías y se construye con principios cuánticos, de modo que ofrece una descripción cuántica coherente de la gravedad.
Referencias
- Greene, B. El universo elegante. Crítica.
- Polchinski, J. String Theory, vols. I y II. Cambridge University Press.
- Zwiebach, B. A First Course in String Theory. Cambridge University Press.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Teoría de cuerdas». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/teoria-de-cuerdas/
