Pregúntele a cualquier persona en la calle cuántas dimensiones hay y, con suerte, dirá que hay al menos tres dimensiones espaciales (largo, ancho y profundidad), con la adición de una dimensión temporal (tiempo). Sin embargo, hacerle la misma pregunta a un físico podría dejarlo boquiabierto. Por ejemplo, los físicos teóricos que trabajan en la teoría de cuerdas afirman que el universo está formado por al menos 10 dimensiones espaciales, con las matemáticas para respaldarlas.
La realidad tridimensional visible
Las tres dimensiones espaciales de largo, ancho y alto (o profundidad) son bastante sencillas. Con estas dimensiones, puede señalar su ubicación física exacta en cualquier momento dado.
El espacio unidimensional (1-D) se puede visualizar como una sola cuenta en un hilo. Puede deslizar la cuenta hacia adelante o hacia atrás, pero realmente todo lo que necesita es un valor único para determinar su posición en esta dimensión, que es la longitud. El espacio unidimensional no tiene otras cualidades discernibles además de la longitud. En el espacio bidimensional (2-D), necesita dos conjuntos de coordenadas para determinar la ubicación de un punto. Es como si la cuenta estuviera ahora en una malla, donde puede deslizarse no solo hacia adelante y hacia atrás, sino también hacia los lados. Finalmente, en el espacio tridimensional (3-D), la profundidad nos permite deslizar la cuenta hacia arriba y hacia abajo en una malla de múltiples hilos.
En términos geométricos, 1-D es una línea, 2-D es un cuadrado y 3-D es un cubo.
Más allá de las tres dimensiones
El tiempo es considerado como la cuarta dimensión. Sin embargo, no es una dimensión espacial. Necesitamos tiempo para localizar objetos en el universo observable porque todo está en movimiento. En el espacio relativista, Einst ein añadió el tiempo a las tres dimensiones clásicas del espacio. Matemáticamente, estas cuatro dimensiones están unidas en lo que comúnmente se conoce como espacio-tiempo. Este fue un gran salto de pensamiento que fue más allá del formalismo matemático. Por ejemplo, es sólo en un modelo 4-D de la naturaleza que el electromagnetismo puede describirse de forma completa y precisa.
Pero, ¿hay más de tres dimensiones espaciales? Esa es una pregunta desafiante porque nuestras mentes están diseñadas para percibir solo largo, ancho y alto. Algunos científicos que se suscriben a la teoría de cuerdas afirman que hay más en la realidad de lo que parece nuestro diminuto ojo de mamífero.
Nuestro conocimiento sobre la composición subatómica del universo se resume en lo que se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas. El modelo estándar describe tanto los bloques de construcción fundamentales de los que está hecho todo como las fuerzas a través de las cuales estos bloques interactúan. Hay doce bloques de construcción básicos que conocemos (seis quarks y seis leptones) y cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte). Cada fuerza fundamental es producida por partículas fundamentales que actúan como portadoras de la fuerza. Por ejemplo, el fotón, que es una partícula de luz, es el mediador de las fuerzas electromagnéticas.
El modelo estándar describe con la máxima precisión el comportamiento de todas estas partículas y fuerzas, con una notable excepción: la gravedad. Se ha demostrado que es extremadamente desafiante describir la gravedad microscópicamente. Este es uno de los problemas más importantes de la física teórica actual para encontrar una teoría cuántica de la gravedad.
La teoría de cuerdas intenta resolver este enigma unificando dos teorías que describen cómo funciona el universo: la relatividad general y la mecánica cuántica. Por esta razón, a veces se le llama la Teoría del Todo.
Dentro de este marco teórico, todas las partículas fundamentales del Modelo Estándar son reemplazadas por objetos unidimensionales llamados cuerdas. Cada cuerda corresponde a las cuatro dimensiones a gran escala del espacio-tiempo, que son descritas por la relatividad general, más seis dimensiones compactas adicionales (una para el electromagnetismo y cinco para las fuerzas nucleares).
La razón por la que no podemos detectar estas dimensiones adicionales especulativas es que pueden ser demasiado compactas, en el sentido de que pueden ser demasiado pequeñas para que las detectemos. Por el contrario, otra explicación es que las dimensiones son demasiado grandes, lo que restringe nuestra perspectiva a una superficie de 4 dimensiones dentro de un universo o multiverso de dimensiones superiores.
Una rebanada de 2 D de la variedad quíntica de CalabiYau de 6 D. Crédito: Wikimedia Commons.
Una forma de visualizar las seis dimensiones adicionales es en forma de una variedad de CalabiYau, en la que las dimensiones adicionales se enroscan entre sí, volviéndose tan pequeñas que son extremadamente difíciles de detectar. Estas variedades conservan la simetría entre las partículas de mano derecha e izquierda y conservan la supersimetría lo suficiente como para replicar ciertos aspectos del modelo estándar. Hay decenas de miles de posibles variedades de Calabi-Yau para seis dimensiones, y la teoría de cuerdas no ofrece medios razonables para determinar cuál es la correcta.
Hay varias versiones de las ecuaciones de la teoría de cuerdas que describen un espacio de 10 dimensiones. Sin embargo, en la década de 1990, un matemático llamado Edward Witten del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton propuso que la Teoría de Cuerdas podría simplificarse si la observáramos desde una perspectiva de 11 dimensiones. Esta teoría se llama Teoría M. Además, según la teoría de cuerdas bosónicas, existen hasta 26 dimensiones.
También debe decirse que, hasta la fecha, no hay evidencia experimental directa de que la teoría de cuerdas en sí misma sea la descripción correcta de la naturaleza. El jurado aún está deliberando mientras los físicos se divierten mucho hurgando en el tejido de la realidad misma.
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